基于sEMG的静态坐姿肩部斜方肌疲劳研究

赵佳佳，马 骏

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.中国职业安全健康协会，北京 100713)

基于sEMG的静态坐姿肩部斜方肌疲劳研究

赵佳佳1，马 骏2

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.中国职业安全健康协会，北京 100713)

肩部肌肉疲劳是静态坐姿工作人员中普遍存在的职业健康问题，明确工作人员肩部肌肉出现不同状态的时间有利于预防静态坐姿工作人员肩部疾患的发生。利用表面肌电信号(surface electromyographic，sEMG)实验分析法，对20名无肩部疾患大学生志愿者的斜方肌部分进行无侵入性肩部肌肉信号实时监测。分析中位频率和肌肉电活动水平随时间变化的斜率情况，结合频谱振幅联合分析(JASA)方法确定了工作人员在工作过程中肌力增加，减少，恢复和疲劳四个状态的对应时间。实验表明在整个工作过程中肌力的增加是围绕着其他几类状态反复出现的，工作人员在工作到80～90分钟进入疲劳状态，持续疲劳一段时间后，肌力先增后减，从而发现其可能是造成静态坐姿肩部肌肉疾患的原因之一。

肌电信号;静态坐姿;斜方肌;幅频联合分析法(JASA)

0 引言

对于肌肉骨骼疾患的研究是职业工效学的重要组成部分，肩部疾患是常见的职业性肌肉骨骼疾患之一［3］。斜方肌是实现肩部功能的的重要部分，斜方肌疲劳直接体现了工作人员肩部健康。肩部肌肉疲劳主要见于坐姿工作。目前有大量工作人员长期处于坐姿状态，每天至少维持在6－7个小时左右，肌肉长时间处于静态收缩状态，容易导致疲劳［4］。长期肌肉疲劳最终造成肌肉骨骼疾患，在疾患没有彻底形成时并不会被明显感知，因此对于肌肉疲劳的评价与预测尤为必要。对于肌肉疲劳的研究方法很多，二十世纪中叶，人们已经可以得到非常细致的肌电信号，并广泛的应用于科研［5］，通过分析表面肌电信号可以有效的对肌肉的疲劳进行研究。

1 对象与方法

1.1 对象

选取20名健康在校大学生，无吸烟、饮酒嗜好，无肩部疾患病史。男女各半，平均年龄22岁。选择斜方肌作为主要测试肌肉，其沿肩胛骨脊柱边缘止于锁骨，覆盖在肩部，是实现肩部运动的主要肌肉［6］。

1.2 方法

1.2.1 肌电信号采集

表面肌电信号采集和测试的设备为德国Biovision出产的16通道肌电采集仪器，采样频率1000 Hz，带通滤波为20～500 Hz。首先使用酒精反复擦拭粘贴电极片部位皮肤，减少皮肤阻抗。按图1中的位置依照肌纤维的方向贴好电极片并固定，在Dasylab软件中连接相应数据采集模块，连接方式如图2。测量20名受试者在外部环境一致的情况下，呈静态坐姿同时录入相同文件，2个小时内不同时刻的表面肌电信号，记录斜方肌原始肌电信号。

图1 斜方肌电极贴片贴放的位置图

图2 Dasylab软件中数据采集模块连接图

1.2.2 肌电信号的处理

对采集到的肌电信号进行时域和频域的分析。时域分析的主要参数是肌肉的电活动水平随时间变化的斜率。此处肌肉的电活动水平为一分钟内振幅的均值，单位是V。取20名受试者肌肉电活动水平的均值，然后通过回归分析计算每五分钟的电活动水平随时间变化的斜率。频域分析的主要参数是中位频率随时间变化的斜率。处理方法同上。

1.2.3 统计学处理

统计学分析采用SPSS软件对收集到的变量进行聚类分析。聚类分析是一种建立分类的多元统计分析方法。它能够将一批样本(或变量)数据根据其诸多特征，按照性质上的亲疏程度在没有先验知识的情况下进行自动分类，所谓“亲疏程度”是指在各变量(特征)取值上的总体差异程度［7］。以时间为分析样本，对整理好的肌肉电活动水平随时间变化的斜率和中位频率随时间变化的斜率进行聚类。5分钟一个数据，共 24个样本［8］。

2 结果

2.1 静态坐姿工作人员斜方肌的部分肌电原始信号

静态坐姿工作人员的斜方肌始终处于静态收缩状态，肌电信号振幅较小，短时间内并无明显波动变化，经过长时间的信号采集，部分肌电原始信号如图3。

2.2 时频参数分析

以时间段为自变量，电活动水平和中位频率分别为因变量进行回归分析，剔除极个别跳跃点，对回归系数进行检验，显著性水平均在0.05以上，均有意义。不同时段时域参数和频域参数随时间变化的斜率如下。

图3 斜方肌部分肌电原始信号

表1 －1 计算后的时域和频域参数

表1 －2 计算后的时域和频域参数

2.3 肩部肌肉状态分析

利用SPSS软件，在频谱振幅联合分析(JASA)方法的基础上将静态坐姿工作人员的肌肉状态分为四类。根据JASA法，频谱斜率和振幅斜率均为正表示肌力增加，均为负表示肌力减小，频谱斜率为正，振幅斜率为负表示肌力恢复，反之则表示疲劳［9］。将中位频率和电活动水平随时间变化的斜率按时间段进行聚类的垂直冰状图如图2。

图4 中位频率和电活动水平随时间变化的斜率按时间段聚类的垂直冰状图

由图4可以看出，工作时间从开始到55分钟、70到75分钟和95到105分钟为第一类，60到65分钟的肌电信号反应是第二类，80到90分钟为第三类，另外从110分钟到截止时间为第四类。结合表1中的数据形式，第一类的中位频率和肌肉电活动水平随时间变化的斜率均为正值;第二类频谱斜率为正值，振幅斜率为负值;第三类状态相反，第四类频谱斜率和振幅斜率均为负值。即第一类时段肌力增加，从55分钟开始，进入第二类状态，肌力有所恢复，但进入70分钟后肌力又有所增加，直到80分钟时肌肉开始进入疲劳阶段，在持续到90分钟后，肌力继续增加，直到试验接近结束的110分钟时，肌力开始减少。整理后的聚类结果如表2。

表2 中位频率和电活动水平随时间变化的斜率按时间段聚类的结果

3 讨论

目前，城市办公存在着数量庞大的坐姿工作人员，长时间的静态工作严重的影响着工作人员的健康。早期肩部疾患在肌肉疲劳不严重的情况下是可逆的，只要定时进行颈肩部肌肉锻炼，病症就可能得到缓解甚至康复［10］。但伴随着职场压力，人们往往因为时间紧任务重，忽视个人的调整，纵容肌肉疲劳的恶性循环。

反映疲劳的肌电信号常被作为肌肉发生生理改变的重要信息［11］。基于表面肌电信号的应用，目前对静态坐姿从业者肩部肌肉的研究并不少，表面肌电信号测试法能够直观的体现肌肉活动的信息，但大多数研究还处在浅层次的观察，随着肌肉疲劳，肌电信号的明显变化情况，张菲若等［9］利用JASA分析法更深入的对数据进行再处理，所得结果仍不能满足时间轴上肌肉出现疲劳的情况，基于JASA分析法对肌肉情况的描述，本次实验以时间为样本，对其进行了分类，较为清晰的明确了健康的静态坐姿工作者持续工作2小时之内斜方肌随时间的变化情况。

通过模拟静态坐姿工作人员的工作状态实验分析，工作人员在刚进入工作时，肌力会不断增加，为持续的工作不断提供能量，在肌力增大到一定程度时，于60分钟时进入恢复状态，说明肌肉会进行自主调整，经过调整后持续增加肌力，维持接下来的工作。在进入80 min－90 min时段时肩部肌肉产生疲劳状态，因此工作者应尽量在肌肉还未进入疲劳状态时进行适当的放松和休息，再进入下一阶段的工作;工作者在感到疲劳后，肌力并没有立刻减少，反而有了短暂的增加，在疲劳的情况下仍然为工作提供能量，实际是上肌肉在超负荷运行，这也许是造成肌肉疾患的重要原因之一;随着工作时长的增加，工作人员在110分钟时肌力开始减少，此时参与工作的肌肉活动状态下降，工作效率降低，工作者应及时调整工作时间，以便更好的工作。

由于实验条件有限，实验对象均为在校大学生，且年龄集中，但从另一方面来看，为更多工作初期的人员提出了良好的警醒，便于从根源预防肩部疾患的产生;另外考虑到受试者的情绪，实验负荷工作量较轻，排除了受试者主观精神疲劳的影响。

4 结语

在充分利用有限资源的基础上，实验详细的描述了静态坐姿工作人员工作过程中随工作时长的增加肌肉状态变化的对应时间，明确了静态坐姿工作人员的疲劳时段，为工作人员适当安排休息提供了比较明确的标准。同时研究也发现肩部肌肉会在进入疲劳状态后继续增加肌力是造成肌肉疾患的原因之一，为后续进一步研究肌肉骨骼疾患问题提供了方向。当然，研究中也许还存在着不足之处，以期日后能够得到更加全面解决办法，为众多静态坐姿工作人员预防肩部疾患提供更多更准确的理论依据。

［1］ Luttmann A，J ger M，Laurig W.Electromyographical indication of muscular fatigue in occupational field studies［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2000，25(6):645－660.

［2］ Hagg GM，Luttmanna A，Jager M.Methods for evaluating electromyography field data in ergonomics［J］.J Electromyog，2000，10(5):301－310.

［3］ Geertje A.M.Ari ns MSc，Willem van Mechelen MD PhD，Paulien M.Bongers PhD，et al.Psychosocial risk factors for neck pain:A systematic review［J］.American Journal of Industrial Medicine，2001，39(2):180–193.

［4］ 胡振浩，张溪，田翔.职业体能训练(高职院校公共体育教材)［M］.高等教育出版社，2008.

［5］ 牟永阁.基于时频和时间尺度分析的表面肌电信号研究及应用［D］.重庆大学.2004.

［6］ Kovacs，Charles.Bones and Muscles－An Illustrated Anatomy.Floris Books.2006－09－01

［7］ 薛薇.统计分析方法及应用［M］.北京电子工业出版社，2013;243－247.

［8］ 陈晓静.基于表面肌电的草原公路驾驶员局部肌肉疲劳研究［D］.内蒙古农业大学，2015.

［9］ 张非若，王生，何丽华，黄燕娣，张颖，胡广义，叶康平.工作相关颈肩肌肉骨骼疾患表面肌电信号的特征研究.工业卫生与职业病.2013年第39卷第2期.

［10］ 黄萍，钱念东，齐进，等.颈肩痛患者颈肩部肌肉的表面肌电图特征［J］.中国组织工程研究，2014，18(24):3855－3862.

［11］ Veiersted K B，Andersen P.Electromyographic evaluation of muscular work pattern as a predictor of trapezius myalgia［J］. Scandinavian Journal of Work Environment＆Health，1993，19(4):284－90.

A research on the fatigue of shoulder muscles in the static sitting posture based on EMG

ZHAO Jia－jia1，MA Jun2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China; 2.China Occupational Safety and Health Association，Beijing，100713，China)

Shoulder muscle fatigue is a common health problem of occupation in the static posture worker，to make clear of the time period of different states in workers’shoulder muscles is advantageous to the prevention of the static posture workers’shoulder disorders.Use the(surface electromyographic，sEMG)signals experimental analysis，invasively monitor the trapezius muscle of 20 volunteers without shoulder disorders in realtime.Analysis the slope of median frequency and muscle electrical activity level changes with time，combined with the joint analysis of the spectral amplitude(JASA)method to determine the workers’different state (muscle strength Increased，reduced，recovered and fatigue)and it’s corresponding time.The experiment shows that the increase of muscle strength is repeat around the whole process of the work，when work in 80 minutes the muscle appear the state of fatigue，after a period of fatigue time，muscle strength first increased and then decreased，then found it might be one cause of the muscle disorders in the static sitting posture.

EMG;Static sitting posture;Trapezius muscle;JASA

R13

A

1672－7169(2016)06－0086－05

2016－9－25

赵佳佳(1992－)，女，吉林延边人，大学毕业，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向:工业卫生及职业危害防治。E－mail:1114785974@qq.com