不同姿势久坐下女性腰部肌肉的sEMG信号变化*

宋 超，王笃明，卢宁艳

(浙江理工大学心理研究所，杭州 310018)

当久坐成为现代生活的一种常态时，其带来的潜在健康影响已备受关注。对普通人群而言，日常的久坐姿势基本呈脊椎弓形前倾，颈椎、腰椎的前倾屈曲较大。长时间的姿势维持使脊椎肌群处于持续的牵拉状态，可能由此增加椎间盘及椎旁组织的应力而增加下腰痛的发病风险[1]。因此，在久坐对脊椎健康的影响中，除时间因素之外，姿势是另一值得考察的因素。

表面肌电(surface electromyograph, sEMG)信号是一种由肌肉表面皮肤所引导记录的电生理信号，在控制良好的情况下，其分析技术能在一定程度上反映目标肌肉的活动水平和功能状态。基于sEMG信号是稳态或准平稳随机信号的前提，通过对其时间序列的振幅特征和快速傅里叶转换所提取的功率谱特征加以分析，是目前常见的sEMG信号分析方法。研究显示，在考察肌肉活动水平时，实时时域指标和频域指标能在一定程度上有效区分目标肌群的发力水平[2]；在运动诱发的疲劳中发现，频域指标大多则呈现随时间逐步下降的趋势[3]。与常见的持续收缩所致的肌肉疲劳不同，久坐伴随的是腰部肌群以固定姿势的长时间轻微牵拉[4]。腰部肌群的牵拉在很大程度上取决于腰椎的弧度以及腰椎与髋关节的角度，因此不同的坐姿决定了腰部肌群牵拉的程度。明确腰部肌群在不同的坐姿之间、在长时间久坐前后，其最大活动水平和功能状态的变化，能为工效学的座椅设计、预防医学提供一定的电生理依据。

据此，本实验拟选择4种不同角度的座椅以模拟4种不同的坐姿，记录在不同座椅久坐前后腰部竖脊肌最大随意收缩力量(maximum voluntary contraction, MVC)测试时的sEMG信号，用以考察：(1)腰部肌肉的活动水平即最大随意收缩能力的输出是否因久坐以及不同坐姿而发生变化；(2)久坐以及不同姿势的久坐是否影响了腰部肌肉的功能状态即最大力量的持续输出能力是否被影响。

1 对象与方法

1.1 试验对象

32名女性青年志愿者参加本次试验，年龄(20.56± 1.68)岁；身高(164.19±4.63)cm；体重(52.70±6.42)kg。试验期间受试者身体健康状况良好，无肌肉疲劳现象，试验前24 h未进行任何形式的剧烈运动。参加本试验前熟悉流程和要求并签订试验协议。

1.2 仪器和材料

Mega肌电信号采集系统，一次性心电监护电极，医用酒精，棉球，细砂纸，4张不同的办公座椅(图1)。座椅A：带垂直靠背，高43 cm；座椅B：椅背垂直于地面，座椅面往下倾斜与座椅面呈110°；座椅C：椅背垂直于地面，座椅面往上倾斜与座椅面呈70°；座椅D：座椅面水平与地面，椅背向后倾斜与座椅面呈130°。

Fig. 1 Chairs for different sedentary positions

1.3 测试方案

1.3.1 久坐姿势 受试者随机分为4组，每组8人分别坐于相应编号的座椅，身体自然靠于椅背，双脚踏于地面(其中座椅C的被试将双脚踏于20 cm的木板)。保持上述姿势持续2 h，可以抬手玩手机，但必须将背部和腿部自然贴于椅背和座椅面。

1.3.2 腰部MVC测试标准姿势 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°，整个脊椎呈反弓姿势。同时，要求受试者双手下压后脑，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。

1.3.3 测试程序 在正式试验之前的预实验中，对MVC标准姿势下sEMG信号进行重复性检验，结果显示sEMG信号的时频指标均无显著差异。在正式试验开始前以及久坐2 h后立即进行1 min的腰部MVC测试，标准姿势由主试全程监督，同时采集sEMG信号。

1.4 信号采集与处理

sEMG信号采用双电极法进行记录。以左侧腰部竖脊肌第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，电极与肌纤维呈平行放置，参照电极置于左侧。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，截取MVC测试时第0.5秒至第3.5秒的3 s信号；探究肌肉的功能状态时，取MVC测试1 min的全程信号。用MegaWin2.01自带的程序分别计算每段信号的平均肌电振幅(average EMG, AEMG)和平均功率谱频率(mean power frequency, MPF)值。

1.5 统计学处理

2 结果

2.1 不同坐姿久坐前后时频指标AEMG及MPF的比较

双因素方差分析发现，AEMG值在久坐前后、不同坐姿之间均无显著差异(表1)。LSD检验发现，AEMG值在B组明显大于A组(表1)。MPF值在久坐前后、不同坐姿之间均无显著差异(表2)。

Tab. 1 Values of AEMG and the two-way ANOVA(μV, n=8)

*P<0.05vschair A

Tab. 2 Values of MPF and the two-way ANOVA(Hz, n=8)

2.2 不同坐姿久坐前后MVC过程中频域指标MPF的比较

在4种座椅的久坐前后，在腰部竖脊肌全程1 min的MVC测试中，全程MPF值在久坐后比久坐前明显下降，但在不同坐姿之间无显著差异(表3)。

Tab. 3 Values of MPF during the whole MVC and the two-way ANOVA(Hz, n=8)

*P<0.05vsbefore

3 讨论

肌肉活动的“力—电”关系特指肌肉在非疲劳状态下的活动水平与sEMG信号特征变化之间的关系。传统线性时频分析研究发现，大部分运动肌的肌电振幅指标如平均肌电值AEMG和肌电频率指标如平均功率频率MPF在一定MVC%范围内具有单调递增的变化规律[2]。

女性更易受久坐所累，体力活动更少，久坐是女性下腰痛的风险相关因素[4]。本试验以青年女性为受试者，观察其腰部竖脊肌在不同坐姿久坐前后的sEMG信号变化。为比较竖脊肌的最大活动水平，本研究选取MVC测试时第0.5秒至3.5秒的3 s信号以作比较，结果显示除在A组和B组之间外，AEMG值在不同坐姿的久坐前后并无明显变化。由此提示，在2 h的久坐前后，竖脊肌的最大用力水平可能并无明显变化，即久坐不影响腰部竖脊肌的最大力量输出。在不同坐姿之间的比较中，除在B组要明显大于A组，总体AEMG值亦并无明显差异。作为描述 sEMG信号振幅变化的指标，AEMG的规律性在以往“力-电”关系研究中是较好的。在控制良好的情况下，尤其是四肢肌群的时域指标多呈线性递增[5]。因腰部脊椎肌群涉及70多块，本试验采用的是O’Sullivan的MVC标准姿势，其规律性可能不如四肢肌群。O’Sullivan等在比较2种不同坐姿时，发现多裂肌时域指标RMS的活动水平在底面呈下斜活动的动态椅子要明显小于普通椅子，并推测这种差异源自髋关节角度的变化[6]。座椅B类似于O’Sullivan实验中的动态椅子，其坐姿的髋关节角度明显大于普通座椅A，或许这是AEMG值大于座椅A的原因。相对于O’Sullivan的坐姿实时信号分析，本实验考察的是4种坐姿久坐前后的MVC测试信号。根据髋关节角度推测久坐对竖脊肌的活动水平影响时，理论上久坐于座椅A、座椅C更易影响其最大输出力量的改变，但实验中上述差异只发生在座椅A与座椅B之间，此结果值得进一步研究。

经快速傅里叶转换之后，频域指标MPF反映的是sEMG信号功率谱的频率构成特征。相对于时域指标，频域指标的变化趋势显得较为多变：在一定MVC范围内随负荷强度的增加而递增，但也有少数研究得到了并不具有张力依赖性甚至是随力递减的结果。在先前的久坐实验中，频域指标在久坐前后腰部肌肉的MVC测试中并未呈显著变化[7]。本试验也得到了相同的结果，即不同姿势的久坐前后，MPF值在MVC测试时的3 s信号中均无明显变化。

除考察运动肌不同的活动水平之外，评价肌肉的功能状态是sEMG信号分析技术的另一关注点。诸多脊椎相关疾病如下腰痛，其始发原因均源于脊椎肌肉长时间姿势维持所致的疲劳。以往研究发现，在长时间等张收缩所诱发的肌肉疲劳时，频域指标往往呈整体递减的趋势。Pattanasin A.等在比较盘腿坐姿和跪姿两种姿势下2 h手工活对躯干肌群的影响时，发现盘腿坐姿时多裂肌频域指标MF在30 min内的下降斜率更大[8]。Inge R.等在30 min的交替激活与脊椎肌肉疲劳的测试中发现，30 min的sEMG信号中RMS呈线性递增，MF则无明显变化[9]。本试验选取了4种不同髋关节角度的坐姿，分别比较腰部肌肉在久坐前后的MVC测试中全程信号的变化。其一，我们认为4种不同的髋关节角度已经能基本涵盖日常的坐姿，2 h的时长亦能模拟日常的久坐时间。其二，在预实验的主观疲劳评价上，1 min 的持续MVC已经诱发了受试者竖脊肌的疲劳，且MVC测试比久坐的常态姿势更能反映其功能状态。因先前的研究发现，个体的MPF变化趋势并非完全呈线性变化，本实验选取的是全程信号的MPF均值以作比较。结果发现，在久坐后MPF均值明显下降。此结果提示，久坐使腰部竖脊肌在MVC测试时的功能状态有所改变，即久坐之后竖脊肌变得更易疲劳，但髋关节的角度并不对此产生影响。与肌肉持续收缩诱发的疲劳不同，坐姿的维持有赖于脊椎肌群的稳定，涉及到腰部肌群的轻度牵拉，且牵拉的程度与髋关节的角度相关。Inge R.提出脊椎的屈曲程度越大，则相关肌肉的活动越小[9]。De Carvalho D用射线照相研究发现，中性坐姿、靠背支撑、肩部支撑和座面倾斜4种不同坐姿在减少脊椎弯曲方面并无显著差异[10]。本试验比较的4种座椅中，座椅C的髋关节角度最小，座椅B和座椅D是由两种不同脊椎姿势维持、但髋关节角度相似但均大于座椅A。从舒适度而言，被试主观反映座椅D是最舒适的(座椅面水平、椅背后仰)。从腰部肌肉的维持上讲，座椅C的牵拉程度最大，应更易诱发肌肉的疲劳，MPF的预期结果是座椅C>座椅A>座椅B>座椅D。但本试验结果发现MPF均值在不同坐姿间并无明显差异，究竟是1 min的MVC收缩时间尚不足以完全诱发竖脊肌的疲劳，还是因为其他分析指标上的原因，有待进一步的探究。