久坐对脊椎肌肉sEMG信号的影响

2016-12-15李宏汀王春慧郑涵羚

浙江大学学报（理学版） 2016年6期

关键词：脊椎线性姿势

宋超，李宏汀，王春慧，郑涵羚

(1. 浙江理工大学心理研究所, 浙江杭州 310018； 2. 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094)

表1 不同久坐时间下sEMG信号的各指标值

久坐对脊椎肌肉sEMG信号的影响

宋超1，李宏汀1，王春慧2，郑涵羚1

(1. 浙江理工大学心理研究所, 浙江杭州 310018； 2. 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094)

采集18名女性受试者在不同久坐时间下，颈夹肌和竖脊肌在最大用力收缩(MVC)过程中的表面肌电(surface electromyography, sEMG)信号，分别考察其初始1.5 s的线性时频指标AEMG、MPF、非线性分析指标%DET的差异，以及全程MVC过程中MPF的变化趋势，以探讨久坐对脊椎肌肉活动水平和功能状态的影响.发现：在久坐前、久坐1.5 h、久坐3 h之后3种状态下，颈夹肌和竖脊肌在MVC的前1.5 s信号中，其时频信号AEMG、MPF及非线性信号%DET均无明显变化；在1 min脊椎持续MVC过程中，颈夹肌MPF均呈现线性递减趋势，且下降速率依次增大；竖脊肌MPF则呈现线性递增趋势，且上升速率依次减小.由此可得，久坐对于脊椎肌肉的最大收缩力量并无影响，但是对其维持最大收缩力量的能力有所改变.

久坐；sEMG信号；颈夹肌；竖脊肌

久坐已成为大部分人的生活状态，由此带来的健康问题备受关注.对大众而言，久坐最常见的姿势是整个脊椎略呈弓形前倾，颈椎、胸椎的弯曲弧度尤其明显，由此导致脊柱肌肉长时间不同程度的牵拉.据此推断，久坐会导致持久的应力加诸椎间盘等椎旁软组织[1]，是诱发下腰疼的重要因素.但是，对于久坐是否会加速脊柱功能的衰退，以及如何影响脊柱相关肌群的功能状态，目前尚缺乏明确的电生理学证据.

表面肌电(sEMG)信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的电生理信号，具有无创、实时、多靶点等优点.传统的时频分析方法将sEMG信号视为平稳或准平稳随机信号[2]，通过刻画其时间序列的振幅特征以及快速傅里叶变换，提取其功率谱的变化特征.非线性分析方法则将sEMG信号视为准混沌信号，通过一系列非线性计算方法考察其特征.无论上述哪种分析方法，在控制良好的情况下，均能在一定范围内区别肌肉的不同活动水平和功能状态.

与日常运动或劳动所诱发产生的肌肉疲劳不同，久坐是通过长时间脊椎肌肉的静态姿势维持实现的.因此，长时间的静态姿势维持所产生的牵拉对于肌肉功能状态的影响则是本实验所要探究的关键问题.在诸多脊椎肌肉中，选取颈夹肌和竖脊肌为目标肌肉，前者与颈椎劳疾有一定关联，后者则是下腰痛发病的常见部位.研究证实，脊椎肌肉的活动水平与脊椎的屈曲角度高度相关[1]，人的久坐姿势恰以脊椎屈曲为主，据此推断久坐状态中sEMG信号变化未必显著，所以本实验选择脊椎最大随意收缩时的sEMG信号作为评价依据.由于参与脊椎运动的肌肉多达70余块，很难单一测定单块肌肉的MVC，本实验采取了一种整个脊椎反弓的标准化姿势作为目标肌肉的MVC测试.为了全面获悉久坐对目标肌肉sEMG信号的影响，拟以2个维度分析sEMG信号：其一，目标肌肉的活动水平即最大随意收缩力量的输出是否因久坐而改变；其二，目标肌肉的功能状态即维持最大用力过程的能力是否被影响.

1 对象和方法

1.1 实验对象

18名女性青年志愿者参加本次实验，年龄20.5±1.1岁、身高164.7±5.2 cm、体重49.9±3.9 kg.实验期间受试者身体健康状况良好，无脊椎损伤，无肌肉疲劳现象，实验前72 h未进行任何形式的剧烈运动.参加本实验前均熟悉测试方法和各种实验要求并签订实验协议.

1.2 仪器和材料

Mega肌电信号采集系统，标准办公座椅(带垂直靠背，高43 cm),标准办公桌(高70 cm),一次性心电监护电极，医用酒精，棉球，细砂纸.

1.3 测试方案

1.3.1 MVC标准姿势

受试者双脚站立，与肩同宽，膝关节略微弯曲，上身与地面呈45°，颈部后仰15°，双手按住后脑，整个脊椎呈反弓姿势.同时，要求双手下压后脑，颈腰背部肌肉持续最大发力，竭力使整个脊椎保持反弓姿势.在正式测试前，受试者在实验者指导下均熟练标准姿势.

1.3.2 久坐姿势

受试者正坐于座椅，双脚踏于地面，保持日常的办公或学习的习惯坐姿.持续保持上述姿势3 h，看书、玩手机或者使用笔记本电脑.

1.3.3 测试程序

在正式实验之前的预实验中，对MVC标准姿势下sEMG信号进行重复性检验，结果显示，sEMG信号的时频以及非线性指标均无显著差异.同样在预实验中，左右侧的颈夹肌和竖脊肌的信号在MVC标准姿势下亦无明显差异.在正式久坐实验开始时，久坐1.5 h以及久坐3 h后均进行1 min的脊椎MVC测试,标准姿势由实验者全程监督，同时采集sEMG信号.

1.4 sEMG信号采集和分析

采用双电极法进行记录.左侧颈部颈夹肌以第5和第6颈椎为参照点，探测电极相距2.5 cm分别置于左侧颈椎旁1 cm的肌腹部位，与肌纤维呈平行放置，参照电极置于左侧.左侧腰部竖脊肌以第3和第4腰椎为参照点，探测电极相距3 cm分别置于左侧腰椎旁1 cm的肌腹部位，与肌纤维呈平行放置，参照电极同样置于左侧.采样频率为1 000 Hz，带通滤波20～500 Hz，噪声水平小于1 μV.

考察肌肉的用力水平时，分别截取2块肌肉0.5 s～2 s的1.5 s信号.线性时频分析用MegaWin2.01自带的程序分别计算每段信号的平均肌电(Average EMG，AEMG)值和平均功率频率(Mean Power Frequency，MPF)值.非线性分析方面，计算确定性线段百分比(determinism%，%DET)，具体算法参照文献[3].用WEBBER等提供的相关软件，由自相关法求出各自第1次过零点的时间，以此作为相空间重构的延迟量τ.本研究对%DET设定的计算条件为：嵌入维度d=10，r=15，τ=6，k=3，计算长度为512点.

2 结果和讨论

2.1 时域指标AEMG在久坐中的变化

从表1可见，在久坐前、久坐1.5 h以及久坐3 h之后，女性颈夹肌和竖脊肌的时域指标AEMG在脊椎标准化姿势下的1.5 s内均保持稳定.KREKOUKIAS等[4]在考察竖脊肌在不同治疗手法前后的活动水平，以及O’SULLIVAN等[5]在比较不同坐姿下腰部肌肉的用力程度时，选择的时域指标是RMS.本实验选取的时域指标为AEMG.如前所述，时域指标从计算上反映sEMG信号在时间序列里的振幅特征，它们对于肌肉的活动水平即用力大小具有较高的敏感性[6-8].实验发现，在久坐之前和久坐1.5 h甚至长达3 h之后，在MVC测试中AEMG的均值能稳定在37和50 μV左右，可见长时间久坐对于女性脊椎肌肉的最大输出力量并无明显改变.此结果与之前的研究推断一致，即久坐与运动所诱发的肌肉疲劳有所不同，长时间的静止或轻度牵拉并不诱发肌肉的疲劳[3]，但这也是间接推断久坐状态下所有应力加诸椎间盘及其他椎间软组织从而诱发下腰痛的依据.

2.2 频域指标MPF在久坐中的变化

与时域指标AEMG一致，女性颈夹肌和竖脊肌在久坐前、中、后3种状态下的MVC测试中，其频域指标MPF亦均未见明显变化(见表1).相对于时域指标，频域指标随力的变化规律不甚明显.虽然目前较多认为该指标在一定MVC范围内与力呈正相关，但其相关的范围因受MVC%的范围、肌肉的收缩方式、性别等诸多因素的影响而并不明确[9]，本实验以青年女性作为被试，除了考虑到日常生活中女性更易为久坐所累外，也为了排除可能存在的肌肉激活模式及皮脂厚度的性别差异.本实验发现MPF的稳定性与AEMG的一致性，从另一方面提示久坐对女性脊椎肌肉的活动水平并无明显影响.

2.3 非线性指标%DET在久坐中的变化

非线性分析方法是sEMG信号分析中新近常用的方法之一，与传统的快速傅里叶转换以及小波分析方法相比，对信号本身的稳态性、周期性和统计分布特点均无特殊要求，因此从理论上讲，此类分析方法更适合sEMG信号.本实验采取RQA分析方法，类似自回归函数的方法,通过自我比较对时间序列信号的变化规律加以归纳.同传统时频分析结果一致，3种状态下MVC测试中颈夹肌和竖脊肌的RQA分析指标%DET亦无明显变化(见表1).在先前的静态肌肉收缩的力-电关系考察中，%DET在静态step及ramp实验中在一定MVC%范围内均表现出随力递减的趋势[10-11].这也是本实验选取%DET的依据.对于其生物学意义，目前认为是对生理信号的一种数学有序性的测度，本实验中2块肌肉的%DET值在3种状态下均能稳定在41和27左右，再次印证久坐对女性相关肌肉的MVC输出无明显影响.

表1 不同久坐时间下sEMG信号的各指标值

Table 1 Values of the indices and the one-way ANOVA of SEMG signals at different sedentary times

2.4 持续收缩过程中MPF的变化趋势

基于sEMG信号分析的肌肉功能评价中，探讨的始终是2个基本问题:一是对神经肌肉系统活动水平即用力程度或输出功率的评估，二是对其功能状态即MVC或最大输出功率变化的测度.之前对1.5 s信号3个指标的检测，都是对目标肌肉最大用力水平的考察.但是，长时间久坐的静态牵拉似乎更有可能导致相关肌肉功能状态的变化.本实验选择了脊椎MVC测试全程1 min的信号加以分析.因脊椎MVC标准姿势的练习中，多数被试主观报告在最后阶段已经难以维持最大用力状态，故本实验认为1 min的信号长度已经足够反映目标肌群的疲劳.

相对于力-电关系的评价，频域指标的敏感性更多体现为肌肉疲劳过程中的动态下降，因此本实验考察了MPF在整个持续收缩过程中的变化趋势.AREEUDOMWONG等[12]比较多裂肌在维持2种坐姿30 min的疲劳程度时，以MPF的变化斜率作比较，发现盘腿坐姿下MPF下降更快；RINGHEIM等[13]则在不同负荷坐姿30 min后以MPF、RMS的线性变化为考察指标，发现RMS线性递增而MPF并无明显变化.值得关注的是，上述2个实验均以久坐过程中目标肌肉的MPF的变化斜率为依据，本实验则考察了MVC全过程中的MPF趋势.如前所述，无特定负荷任务的久坐基本呈轻微的脊椎屈曲姿势，为脊椎相关肌群静止或轻度牵拉的过程，理论上不会导致疲劳.这也是实验以MVC过程所诱发的疲劳来比较3种状态下MPF变化趋势的原因.

本实验发现，在3种状态的MVC标准姿势维持中，颈夹肌的MPF标准化值均随时间呈线性递减趋势(见图1，p<0.05)，而竖脊肌的MPF标准化值则呈线性递增趋势(见图2，p<0.05).换算成时间序列，颈夹肌在MVC姿势下MPF每分钟下降依次为4.9%，5.8%和13.0%.可见，3种状态下，其下降的速率是递增的.相对于颈夹肌，竖脊肌的MPF却在3种状态下呈递增趋势，其上升速率分别为21.3%，12.4%和6.5%.虽然其MPF均呈线性递增，但其上升速率逐渐递减.虽然2块肌肉的MPF变化趋势不同，但是久坐状态对两者的影响是相同的，即MPF的斜率随之下降.目前对于MPF随着疲劳进程逐渐下降的生理学解释是肌细胞内H+离子的积累导致肌纤维动作电位传导速度的下降.MPF斜率的下降提示久坐对于维持目标肌肉最大输出力量的能力有所改变.最大随意收缩力量或者最大输出功率的改变，是目前生理学上判断疲劳是否发生的金标准.由此，上述结果提供了久坐影响女性脊椎肌肉功能的间接证据，并可推断:虽然久坐并不直接导致女性脊椎相关肌群的疲劳，但却使其疲劳的发生变得更加容易.但是，对于腰部竖脊肌MPF在MVC收缩过程中的线性递增趋势，是因1 min的收缩时间不足以诱发完全的疲劳，还是因脊椎位置的不同而具有不同的激活模式，尚待进一步研究.

图1 持续收缩时颈夹肌MPF值的变化趋势Fig.1 Trend of MPF during MVC of splenius cervicis

图2 持续收缩时竖脊肌MPF值的变化趋势Fig.2 Trend of MPF during MVC of erector spinae

3 结论

在久坐前、久坐1.5 h、久坐3 h之后的3种状态下，检测女性颈夹肌和竖脊肌在脊柱肌肉最大用力收缩的前1.5 s信号，其时频信号AEMG、MPF以及非线性信号%DET均无明显变化.由此可知，久坐对于女性脊椎肌肉的最大随意收缩力量的输出无明显改变.

在脊椎肌肉持续最大用力的1 min过程中，女性颈夹肌MPF在上述3种状态下均呈线性递减趋势，且下降速率依次增大；女性竖脊肌MPF在上述3种状态下均呈线性递增趋势，且上升速率依次减小.由此可知，久坐对女性脊柱肌肉维持最大输出的能力有一定的影响.由此推断:虽然久坐并不直接导致女性脊椎相关肌群的疲劳，但却使其疲劳的发生变得更加容易.

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SONG Chao1, LI Hongting1, WANG Chunhui2, ZHENG Hanling1

(1.InstituteofPsychology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China; 2.NationalKeyLabotaryofHumanFactorsEngineering,ChinaAstronautResearchandTrainingCenter,Beijing100094,China)

The effect of sedentary on surface electromyographic activities of lumbar muscles. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):746-750

The aim of this study is to investigate the relation between sedentary and the variability of surface electromyography (sEMG) activity of lumbar muscles. Eighteen female participants performed three MVC tests (before testing,keep sitting 1.5 h and 3 h). sEMG signals were recorded from the left splenius cervicis and left erector spinae simultaneously. Results revealed that the linear indices AEMG, MPF and the non-linear indices %DET did not changed significantly in the first 1.5 s signals between the 3 MVC tests. The normalised MPF were all displayed declined linear tendency during the 1 min MVC tests for splenius cervicis, as while as the slope is steeper successively. On the contrary, for erector spinae, the normalised MPF were all displayed as inclined linear tendency during the three tests while the slope became to slow down. This study demonstrates that sedentary does not affect the MVC for spinal muscular strength, but it can change the maintenance of the MVC.

sedentary; sEMG signals; splenius cervicis; erector spinae