攀登状态下肌肉疲劳特性分析

郭 胜,王亚平

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

攀登是单兵的一种典型战术动作，也是士兵体能训练项目。肌肉疲劳通常是肌肉运动系统最大作功能力或者最大收缩能力的暂时下降[1]。表面肌电(surface electromyogram,sEMG)信号是从皮肤表面通过电极引导,记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性[2]。表面肌电信号中用于评价肌肉特性的指标众多，和人体肌肉疲劳特性相关的主要指标有：积分肌电(IEMG)值、平均功率频率(MPF)、中值频率(MF)等[3]。

与攀登动作密切关联的肌肉有：股外侧肌、股直肌、股内侧肌、胫骨前肌、比目鱼肌和腓肠肌外侧等[4]。如何在众多指标中选取显著体现疲劳特性的参数，是人们进行人体疲劳分析时所关注的。

本文研究士兵在有无穿戴单兵装备状态下攀登时下肢主肌肉群的表面肌电信号，研究了人体在分别完成20分钟攀登后的时域评价指标和频域评价指标的变化规律，测试适合攀登行军状态下疲劳特性分析的下肢肌肉，得到影响显著肌群，用于指导装备对士兵疲劳特性影响的评估试验。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

3名受试者身体健康，没有任何神经与肌肉系统疾病，无背伤困扰，无椎间盘突出或者肩部和膝关节损伤及可能对运动产生限制的疾病。所有受试者在实验前24 h无剧烈运动，被测试肌肉无不良症状，活动自如良好。征得受试者同意后，调查受试者的人体测量学参数：身高、体重等[5]。

表1 受试者基本情况统计

测试装备如图1所示，负重重量为18 kg。

1.2 测试方法

1.2.1 测试仪器与相关设备

测试者在不穿单兵装备和穿着全套单兵装备条件下，将肌电电极贴在受试者身体(下肢)表面，按照正常步态攀登，采集其腿部肌电信号。

8通道表面肌电测试仪，专用电脑，攀登台、单兵装备。

肌电测试的采样频率为1 000 Hz/s。

测试现场如图2所示。

1.2.2 测试肌肉的确定

根据正常人体解剖学中下肢各肌肉的位置和作用，确定了6块肌肉进行表面肌电信号的采集，采集部位分别是股外侧肌、股直肌、股内侧肌、胫骨前肌、比目鱼肌和腓肠肌外侧[6],测试肌肉如图3所示。

1.2.3 实验步骤

受测试者在进行实验测量时穿着轻便宽松的短裤，着运动鞋，测试时双眼平视前方，手臂自然放置在攀登台扶手位置。

要求受测试者穿戴单兵装备和不穿戴单兵装备在攀登台上以相同的步速3 km/h分别完成攀登实验测试，两次实验攀登持续时间均为20 min。为了避免肌肉疲劳对实验结果的影响，同一个受试者两次实验间隔一周进行。从初始攀登开始连续采集20 min，每次实验采集的数据分析第1、3、5、7、9、11、13、16、20分钟9个时间点，分析各个时间点一个完整波形的数据，共分析9组数据。

1.3 数据处理

1.3.1 主要测试指标及其相关说明

1) 时域参数

积分肌电(IEMG)是指在一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，即在时间相同的前提下，其大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位数量的多少和运动单位群放电的多少[7]。通常其幅值越大，疲劳程度越重，是评价肌肉疲劳重要指标[8]。其计算公式为：

(1)

其中:N1为采集肌肉放电结束时间点，N2为采集肌肉放电开始时间点，X(t)为肌肉放电量大小。

2) 频域参数

将表面肌电(EMG)信号进行快速傅里叶转换(FFT)，获得EMG信号的频谱或功率谱，反映EMG信号在不同频率范围内的强度。中值频率(MF)和平均功率频率(MPF)为常用的指标，作为肌肉疲劳的指标之一[9]。

(2)

(3)

其中:PSD(f)为功率谱密度，MF为中值频率，f为肌电信号频率，f0为频率上限，即采样频率的一半，等于500 Hz。本文选取平均功率频率(MPF)和中值频率(MF)作为攀登过程中的频域分析的疲劳评价指标，MPF与MF下降表明被试者出现了肌肉疲劳[10]。

得到原始肌电信号后，得到时域评价指标：积分肌电值(IEMG)，频域评价指标：中值频率(MF)和平均功率频率(MPF)。通过Excel和MINITAB分析软件对时域评价指标数据和频域评价指标数据进行分析处理。对被试者数据进行一致性检验，结果表明，没有显著性差异，所以选取结果变化比较明显的一个被试者数据进行分析。

2 下肢肌肉积分肌电值变化特性及规律分析

受测试者有/无穿戴单兵装备条件下攀登时下肢主肌群积分肌电值变化情况参见图3、图4及表2、表3。由分析可知：

1) 有/无穿戴单兵装备的规律相同，胫骨前肌和腓肠肌变化较为显著，在测试时间段内，它们都出现了两次明显上升。

2) 从图3可以看出，有装备条件下，受试者在第1到第3分钟时，下肢肌群积分肌电值下降，可能是由于刚开始适应装备。其他测试时间段内肌肉的积分肌电值都是先增加，然后下降。胫骨前肌第一次上升是在第3到第5分钟时，上升率达47.5%；第二次上升在第9到第13分钟时，上升率达58.4%。腓肠肌第一次上升是在第3到第5分钟时，上升率达36.7%；第二次出现上升趋势在第7到第9分钟时，上升率达22.6%。

3) 从图4可以看出，无装备条件下，除胫骨前肌和股外侧肌以外，其他肌肉的积分肌电值都是先增加，然后下降。胫骨前肌第一次上升是在第5到第9分钟时，上升率达33.3%，第二次上升是在第11到第16分钟时，上升率达53.8%；腓肠肌第一次上升是在第1到第7分钟时，上升率达82.5%；第二次上升是在第11到第16分钟时，上升率达29.8%。

4) 通过对比可知，穿戴单兵装备条件下攀登时胫骨前肌和腓肠肌外侧积分肌电值出现两次明显极大值的时刻，比不穿戴单兵装备条件下提前。

表2 有装备条件下进行攀登时积分肌电值(IEMG)不同时刻的数据显示结果(μV)

表3 无装备条件下进行攀登时积分肌电值(IEMG)不同时刻的数据显示结果(μV)

3 肢肌肉中值频率变化特性及规律分析

受测试者有/无穿戴单兵装备条件下攀登时下肢主肌群中值频率变化情况参见图5和图6及表4和表5。由分析可知：

1) 有/无穿戴单兵装备的规律相同，比目鱼肌和腓肠肌外侧中值频率变化较为显著，根据肌电谱图漂移理论可知，当肌肉疲劳时，功率谱图大多由高频向低频漂移，中值频率特征值也相应下降。有无装备条件下，比目鱼肌和腓肠肌外侧在进行攀登的时间内，其中值频率均出现了两次明显下降。

2) 从图5可知，有装备条件下，比目鱼肌中值频率第一次下降是在第5到第7分钟时，下降率达6.4%；第二次下降是在第9到第13分钟时，下降率达16%。腓肠肌中值频率第一次下降是在第5到第7分钟时，下降率达37.8%；第二次下降是在第11到第13分钟时，下降率达11.4%。

3) 从图6可知，无装备条件下，比目鱼肌中值频率第一次出现下降趋势是在第5到第9分钟时，下降率达18.7%；第二次下降是在第11到第16分钟时，下降率达13.2%。腓肠肌中值频率第一次下降是在第5到第7分钟时，下降率达52.7%；第二次出现下降趋势是在第13到第16分钟时，下降率达61.3%。

4) 通过对比可知，只有腓肠肌外侧中值频率第一次变化趋势的极小值出现时刻有装备条件和无装备条件相同，其他极小值出现的时刻都是有装备条件下比无装备条件下提前。

表4 有装备条件下攀登时中值频率(MF)不同时刻的数据显示(Hz)

表5 无装备条件下攀登时中值频率(MF)不同时刻的数据显示(Hz)

4 下肢肌肉平均功率频率变化特性及规律分析

受试者有/无穿戴单兵装备条件下攀登时下肢主肌群平均功率频率变化情况参见图7、图8和表6、表7，由分析可知：

1) 由图7、图8可知，有/无装备条件下进行攀登时，比目鱼肌和腓肠肌中值频率变化规律较为显著，根据肌电谱图漂移理论，当肌肉疲劳时，功率谱图大多由高频向低频漂移，平均功率频率特征值也相应地下降。有无装备条件下，比目鱼肌和腓肠肌在进行攀登的时间内，其平均功率频率都出现两次明显下降。

2) 从图7可知，有装备条件下，比目鱼肌平均功率频率第一次下降是在第5到第7分钟时，下降率达8.5%；第二次出现下降趋势在第9到第13分钟时，下降率达到14.2%。腓肠肌平均功率频率第一次出现下降趋势在第5到第7分钟时，下降率达到17%；第二次下降在第11到第13分钟时，下降率达到12.3%。

3) 从图10可知，无装备条件下，比目鱼肌平均功率频率第一次下降是在第5到第9分钟时，下降率达16.6%；第二次下降是在第11到第16分钟时，下降率达8%。腓肠肌平均功率频率第一次下降是在第5到第7分钟时，下降率达29.6%；第二次下降是在第13到第16分钟时，下降率达31.9%。

4) 通过对比可知，只有腓肠肌外侧平均功率频率第一次变化趋势的极小值出现时刻有装备条件和无装备条件相同，其他极小值出现的时刻都是有装备条件下比无装备条件下提前。

表6 有装备条件进行攀登时平均功率频率(MPF)不同时刻的数据显示(Hz)

表7 无装备条件进行攀登时平均功率频率(MPF)不同时刻的数据显示(Hz)

5 结论

1) 攀登时，时域参数变化显著的人体肌肉是胫骨前肌和腓肠肌，频域参数变化显著的肌肉是腓肠肌和比目鱼肌。

2) 频域评价指标中值频率和平均功率频率变化规律一致，中值频率变化规律相对于平均功率频率变化较为显著。

3) 有/无装备条件下攀登时，时域参数和频域参数均出现了两次明显的变化趋势。对于时域评价指标，两次变化趋势的极大值出现时刻都是有装备条件下比无装备条件下提前。对于频域评价指标，只有腓肠肌外侧第一次变化趋势的极小值出现时刻有装备条件和无装备条件相同，其他极小值出现的时刻都是有装备条件下比无装备条件下提前。

4) 建议在进行攀登战术动作下人体疲劳特性评估试验时，腓肠肌的中值频率或积分肌电值作为评价指标。

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