攀登狀態下肌肉疲勞特性分析

郭 勝,王亞平

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

攀登是單兵的一種典型戰術動作，也是士兵體能訓練項目。肌肉疲勞通常是肌肉運動系統最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降[1]。表面肌電(surface electromyogram,sEMG)信號是從皮膚表面通過電極引導,記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號，與肌肉的活動狀態和功能狀態之間存在著不同程度的關聯性[2]。表面肌電信號中用于評價肌肉特性的指標眾多，和人體肌肉疲勞特性相關的主要指標有：積分肌電(IEMG)值、平均功率頻率(MPF)、中值頻率(MF)等[3]。

與攀登動作密切關聯的肌肉有：股外側肌、股直肌、股內側肌、脛骨前肌、比目魚肌和腓腸肌外側等[4]。如何在眾多指標中選取顯著體現疲勞特性的參數，是人們進行人體疲勞分析時所關注的。

本文研究士兵在有無穿戴單兵裝備狀態下攀登時下肢主肌肉群的表面肌電信號，研究了人體在分別完成20分鐘攀登后的時域評價指標和頻域評價指標的變化規律，測試適合攀登行軍狀態下疲勞特性分析的下肢肌肉，得到影響顯著肌群，用于指導裝備對士兵疲勞特性影響的評估試驗。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

3名受試者身體健康，沒有任何神經與肌肉系統疾病，無背傷困擾，無椎間盤突出或者肩部和膝關節損傷及可能對運動產生限制的疾病。所有受試者在實驗前24 h無劇烈運動，被測試肌肉無不良癥狀，活動自如良好。征得受試者同意后，調查受試者的人體測量學參數：身高、體重等[5]。

表1 受試者基本情況統計

測試裝備如圖1所示，負重重量為18 kg。

1.2 測試方法

1.2.1 測試儀器與相關設備

測試者在不穿單兵裝備和穿著全套單兵裝備條件下，將肌電電極貼在受試者身體(下肢)表面，按照正常步態攀登，采集其腿部肌電信號。

8通道表面肌電測試儀，專用電腦，攀登臺、單兵裝備。

肌電測試的采樣頻率為1 000 Hz/s。

測試現場如圖2所示。

1.2.2 測試肌肉的確定

根據正常人體解剖學中下肢各肌肉的位置和作用，確定了6塊肌肉進行表面肌電信號的采集，采集部位分別是股外側肌、股直肌、股內側肌、脛骨前肌、比目魚肌和腓腸肌外側[6],測試肌肉如圖3所示。

1.2.3 實驗步驟

受測試者在進行實驗測量時穿著輕便寬松的短褲，著運動鞋，測試時雙眼平視前方，手臂自然放置在攀登臺扶手位置。

要求受測試者穿戴單兵裝備和不穿戴單兵裝備在攀登臺上以相同的步速3 km/h分別完成攀登實驗測試，兩次實驗攀登持續時間均為20 min。為了避免肌肉疲勞對實驗結果的影響，同一個受試者兩次實驗間隔一周進行。從初始攀登開始連續采集20 min，每次實驗采集的數據分析第1、3、5、7、9、11、13、16、20分鐘9個時間點，分析各個時間點一個完整波形的數據，共分析9組數據。

1.3 數據處理

1.3.1 主要測試指標及其相關說明

1) 時域參數

積分肌電(IEMG)是指在一定時間內肌肉中參與活動的運動單位放電總量，即在時間相同的前提下，其大小在一定程度上反映了參加工作的運動單位數量的多少和運動單位群放電的多少[7]。通常其幅值越大，疲勞程度越重，是評價肌肉疲勞重要指標[8]。其計算公式為：

(1)

其中:N1為采集肌肉放電結束時間點，N2為采集肌肉放電開始時間點，X(t)為肌肉放電量大小。

2) 頻域參數

將表面肌電(EMG)信號進行快速傅里葉轉換(FFT)，獲得EMG信號的頻譜或功率譜，反映EMG信號在不同頻率范圍內的強度。中值頻率(MF)和平均功率頻率(MPF)為常用的指標，作為肌肉疲勞的指標之一[9]。

(2)

(3)

其中:PSD(f)為功率譜密度，MF為中值頻率，f為肌電信號頻率，f0為頻率上限，即采樣頻率的一半，等于500 Hz。本文選取平均功率頻率(MPF)和中值頻率(MF)作為攀登過程中的頻域分析的疲勞評價指標，MPF與MF下降表明被試者出現了肌肉疲勞[10]。

得到原始肌電信號后，得到時域評價指標：積分肌電值(IEMG)，頻域評價指標：中值頻率(MF)和平均功率頻率(MPF)。通過Excel和MINITAB分析軟件對時域評價指標數據和頻域評價指標數據進行分析處理。對被試者數據進行一致性檢驗，結果表明，沒有顯著性差異，所以選取結果變化比較明顯的一個被試者數據進行分析。

2 下肢肌肉積分肌電值變化特性及規律分析

受測試者有/無穿戴單兵裝備條件下攀登時下肢主肌群積分肌電值變化情況參見圖3、圖4及表2、表3。由分析可知：

1) 有/無穿戴單兵裝備的規律相同，脛骨前肌和腓腸肌變化較為顯著，在測試時間段內，它們都出現了兩次明顯上升。

2) 從圖3可以看出，有裝備條件下，受試者在第1到第3分鐘時，下肢肌群積分肌電值下降，可能是由于剛開始適應裝備。其他測試時間段內肌肉的積分肌電值都是先增加，然后下降。脛骨前肌第一次上升是在第3到第5分鐘時，上升率達47.5%；第二次上升在第9到第13分鐘時，上升率達58.4%。腓腸肌第一次上升是在第3到第5分鐘時，上升率達36.7%；第二次出現上升趨勢在第7到第9分鐘時，上升率達22.6%。

3) 從圖4可以看出，無裝備條件下，除脛骨前肌和股外側肌以外，其他肌肉的積分肌電值都是先增加，然后下降。脛骨前肌第一次上升是在第5到第9分鐘時，上升率達33.3%，第二次上升是在第11到第16分鐘時，上升率達53.8%；腓腸肌第一次上升是在第1到第7分鐘時，上升率達82.5%；第二次上升是在第11到第16分鐘時，上升率達29.8%。

4) 通過對比可知，穿戴單兵裝備條件下攀登時脛骨前肌和腓腸肌外側積分肌電值出現兩次明顯極大值的時刻，比不穿戴單兵裝備條件下提前。

表2 有裝備條件下進行攀登時積分肌電值(IEMG)不同時刻的數據顯示結果(μV)

表3 無裝備條件下進行攀登時積分肌電值(IEMG)不同時刻的數據顯示結果(μV)

3 肢肌肉中值頻率變化特性及規律分析

受測試者有/無穿戴單兵裝備條件下攀登時下肢主肌群中值頻率變化情況參見圖5和圖6及表4和表5。由分析可知：

1) 有/無穿戴單兵裝備的規律相同，比目魚肌和腓腸肌外側中值頻率變化較為顯著，根據肌電譜圖漂移理論可知，當肌肉疲勞時，功率譜圖大多由高頻向低頻漂移，中值頻率特征值也相應下降。有無裝備條件下，比目魚肌和腓腸肌外側在進行攀登的時間內，其中值頻率均出現了兩次明顯下降。

2) 從圖5可知，有裝備條件下，比目魚肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時，下降率達6.4%；第二次下降是在第9到第13分鐘時，下降率達16%。腓腸肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時，下降率達37.8%；第二次下降是在第11到第13分鐘時，下降率達11.4%。

3) 從圖6可知，無裝備條件下，比目魚肌中值頻率第一次出現下降趨勢是在第5到第9分鐘時，下降率達18.7%；第二次下降是在第11到第16分鐘時，下降率達13.2%。腓腸肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時，下降率達52.7%；第二次出現下降趨勢是在第13到第16分鐘時，下降率達61.3%。

4) 通過對比可知，只有腓腸肌外側中值頻率第一次變化趨勢的極小值出現時刻有裝備條件和無裝備條件相同，其他極小值出現的時刻都是有裝備條件下比無裝備條件下提前。

表4 有裝備條件下攀登時中值頻率(MF)不同時刻的數據顯示(Hz)

表5 無裝備條件下攀登時中值頻率(MF)不同時刻的數據顯示(Hz)

4 下肢肌肉平均功率頻率變化特性及規律分析

受試者有/無穿戴單兵裝備條件下攀登時下肢主肌群平均功率頻率變化情況參見圖7、圖8和表6、表7，由分析可知：

1) 由圖7、圖8可知，有/無裝備條件下進行攀登時，比目魚肌和腓腸肌中值頻率變化規律較為顯著，根據肌電譜圖漂移理論，當肌肉疲勞時，功率譜圖大多由高頻向低頻漂移，平均功率頻率特征值也相應地下降。有無裝備條件下，比目魚肌和腓腸肌在進行攀登的時間內，其平均功率頻率都出現兩次明顯下降。

2) 從圖7可知，有裝備條件下，比目魚肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時，下降率達8.5%；第二次出現下降趨勢在第9到第13分鐘時，下降率達到14.2%。腓腸肌平均功率頻率第一次出現下降趨勢在第5到第7分鐘時，下降率達到17%；第二次下降在第11到第13分鐘時，下降率達到12.3%。

3) 從圖10可知，無裝備條件下，比目魚肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第9分鐘時，下降率達16.6%；第二次下降是在第11到第16分鐘時，下降率達8%。腓腸肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時，下降率達29.6%；第二次下降是在第13到第16分鐘時，下降率達31.9%。

4) 通過對比可知，只有腓腸肌外側平均功率頻率第一次變化趨勢的極小值出現時刻有裝備條件和無裝備條件相同，其他極小值出現的時刻都是有裝備條件下比無裝備條件下提前。

表6 有裝備條件進行攀登時平均功率頻率(MPF)不同時刻的數據顯示(Hz)

表7 無裝備條件進行攀登時平均功率頻率(MPF)不同時刻的數據顯示(Hz)

5 結論

1) 攀登時，時域參數變化顯著的人體肌肉是脛骨前肌和腓腸肌，頻域參數變化顯著的肌肉是腓腸肌和比目魚肌。

2) 頻域評價指標中值頻率和平均功率頻率變化規律一致，中值頻率變化規律相對于平均功率頻率變化較為顯著。

3) 有/無裝備條件下攀登時，時域參數和頻域參數均出現了兩次明顯的變化趨勢。對于時域評價指標，兩次變化趨勢的極大值出現時刻都是有裝備條件下比無裝備條件下提前。對于頻域評價指標，只有腓腸肌外側第一次變化趨勢的極小值出現時刻有裝備條件和無裝備條件相同，其他極小值出現的時刻都是有裝備條件下比無裝備條件下提前。

4) 建議在進行攀登戰術動作下人體疲勞特性評估試驗時，腓腸肌的中值頻率或積分肌電值作為評價指標。

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