基于sEMG的驾驶员肌肉疲劳研究

刘 澳 雷宇乾 万博锋 胡 鸿教授 易灿南教授

( 湖南工学院 安全与管理工程学院，湖南 衡阳 421102)

0 引言

驾驶作业普遍存在于生产生活中，由于长时间工作，负荷大、姿势不当以及车辆行驶过程中存在振动等原因，容易造成驾驶员肌肉疲劳累积，从而导致肌肉骨骼损伤(Musculoskeletal Disorders，MSDs)[1]。据调查，80%以上汽车驾驶员不同程度存在MSDs[2]。

驾驶员肌肉疲劳研究一直是国内外安全科学、工效学、交通工程等学科研究热点。例如：Zhang等[3]研究驾驶过程中颈肌疲劳与表面肌电信号(Surface Electromyogramphy，sEMG)近似熵之间的关系，提出疲劳状态预测方法；王玉化等[4]基于sEMG研究草原公路驾驶员腰部肌肉疲劳恢复特征；包萨日娜等[5]以积分肌电值(Intergrated Electromyogramphy，IEMG)与中值频率(Median Frequency，MF)为指标，研究驾驶员颈部肌肉疲劳发展；祝荣欣[6]探究颈部斜角肌IEMG、均方根值(Root Mean Square，RMS)、平均功率(Mean Power Frequency，MPF)、MF和样本熵随驾驶时间而变化的特征；陈晓静等[7-8]研究草原公路驾驶员肌肉疲劳发展情况；王福旺[9]分析长途客车驾驶员疲劳；张鸿[10]通过测量主观疲劳和光电容积脉搏信号，研究模拟驾驶作业疲劳情况；王琳[11]和付荣荣等[12]基于sEMG以及其他多模态生理信号探究驾驶疲劳信息检测方法。基于文献检索发现现有驾驶员肌肉疲劳相关研究：较多采用sEMG技术探究驾驶员疲劳发展情况；研究对象主要聚焦于草原公路小汽车驾驶、农用车辆驾驶、高速公路驾驶以及模拟道路驾驶[3-12]；没有检索到城市外环道路驾驶员肌肉疲劳发展情况。城市外环道路在城市交通中占据重要地位，车流量大、车速普遍较快，且由于行人穿行以及较多车辆合入、分流，车况较为复杂。在这种驾驶环境下，驾驶员肌肉疲劳发展特征还属未知。

基于此，本研究关注城市外环道路上驾驶员肌肉疲劳问题，通过测量行车过程驾驶员各肌群肌肉活动特征以及主观疲劳评分数据，探究驾驶员肌肉疲劳特性，以期为合理安排驾驶休息时间、提高行车效率、保障行车安全、降低MSDs等方面提供理论支持。

1 实验组织

1.1 实验目的

驾驶员肌肉疲劳累积风险高，容易导致MSDs。因此，本实验的目的是探究驾驶员在城市外环道路驾驶时的肌肉疲劳风险。驾驶员疲劳研究中一般通过sEMG探究局部肌群肌肉疲劳发展情况，通过主观评分评价主观疲劳感觉。为探究驾驶员在城市外环道路上驾驶时身体各局部肌群的肌肉疲劳发展情况，基于文献[3-12]的经验和调查结果，确定测量颈部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二头肌和腰部左右竖脊肌6个肌群。

1.2 实验方案

在湖南省衡阳市珠晖区城市外环线路上进行行车实验，单程约42km，如图1。公路设计等级为一级公路，路幅宽约65m，双向6车道，由于道路限速，行驶过程中车速保持60km/h左右，实验时间为2h。该路段为该市主要交通干道，是城市道路系统的骨架，联结着城市主要工业区、住宅区以及商业区等，承担城市的主要客货运交通。实验前课题组对路段进行实地调查，道路的长度、宽度以及车流量等满足实验要求，且具有一定代表性。

图1 研究路段

实验前，主试1检查车辆状况，了解被试状态并交代相关事项，提前查询被试路段的交通状况和天气情况，保证所有被试在天气晴朗的同一时间段(上午9：00～11：00)进行实验。为减少车内环境对实验数据的影响，实验过程中关闭车载音响、手机等电子设备，禁止不必要的交谈和摇车窗等动作。被试以个人习惯自由驾驶，不限制坐姿，驾车路过终点或起点后掉头行驶直至完成2h驾驶任务。主试1负责主观评分记录和实验过程监控，主试2负责sEMG信号采集和标记。

1.3 被试

有偿招聘7名驾驶经验丰富的被试参与实验，平均年龄和驾龄分别为(39.9±8.4)岁、(5.9±1.6)年，见表1。所有被试身体健康状况良好，无肌肉酸痛、腰部劳损现象，对实验路段不熟悉，实验前24h内不得饮酒和咖啡，实验前12h禁止剧烈运动且保证7h以上睡眠。

表1 被试基本信息表

1.4 实验仪器设备

(1)实验车辆：自动挡轿车。

(2)肌电采集设备：8通道Noraxon无线表面肌电采集系统；医用胶带；固定绑带；一次性心电电极片(康任CH50RB)；75%医用喷式酒精；棉球；笔记本电脑一台；采样频率为2000Hz。

(3)秒表：记录作业和休息时间。

(4)高清手机：拍摄作业环境和作业姿势。

1.5 实验过程

(1)实验准备。主试1先去除被试颈部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二头肌和腰部左右竖脊肌总共6个肌群皮肤表面毛发，再用75%医用酒精棉球反复擦拭，将电极片成对贴于各个肌群肌腹处的皮肤表面(沿肌纤维纵轴方向贴)，每对电极片间隔2cm，电极用绷带进行固定，用医用胶带固定传感器，并连接好传感器、记录仪、电源、电脑等仪器。

(2)实验过程。当被试驾驶车辆进入直道且平稳行驶时开始计时，主试1每10min询问一次被试进行驾驶疲劳主观评分(Subjective Ratings of Driving Fatigue，SRDF)[13](见表2)并记录，同时监控实验过程；主试2实时监控sEMG信号并标记：每10min标记一次，当车行驶于弯道、掉头、遇红绿灯时也进行相应标记。实验结束后被试基于Borg CR-10量表[14]汇报颈部、腰背、右手和右腿主观疲劳评分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)。

表2 驾驶疲劳主观评分

1.6 数据处理

实验总共记录42组(7位被试×6个肌群)sEMG数据，84个(7位被试×12个时刻)SRDF数据，28个(7位被试×4个身体部位)RPE数据。对sEMG数据进行降噪、整流、滤波(10～500Hz)、平滑和标准化等处理，截取每10min前后10s数据进行分析(避开弯道、红绿灯和掉头)，标准化处理方式为计算每位被试当次实验的最大值并将该值作为标准化的基准值[15]；参考文献[16-17]的经验，提取IEMG与MF研究肌肉疲劳发展；进行方差分析以研究不同时刻上SRDF的差异；对实验结束后不同身体部位RPE进行配对T检验以分析不同身体部位RPE评分的差异；对sEMG数据进行描述性统计分析以探究IEMG和MF随时间而变化的规律，进行回归分析以获得MF拟合方程斜率；利用Excel 2019汇总整理数据，利用SPSS 19.0进行统计分析，显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 主观评分分析结果

方差分析结果显示不同时刻上SRDF存在显著差异(p<0.05)，随着时间的推进，SRDF逐渐上升。Duncan分析[18]结果(见表3)显示各时刻上SRDF：120min时刻显著高于10～90min；90min显著高于10～60min；60min显著高于10～30min。实验结束后颈部、腰背、右腿和右手RPE评分依次为(3.43±0.98)、(5.00±1.73)、(3.86±2.19)和(2.57±0.98)。不同身体部位之间RPE配对T检验结果显示(见表4)：腰背RPE与颈部和右手RPE存在显著性差异(p<0.05)；颈部RPE与右手RPE差异亦显著(p<0.05)；其他差异不显著(p>0.05)。综合各部位RPE均值和配对T检验结果，此实验腰背疲劳明显。

表3 SRDF的Duncan 分析结果

表4 实验结束后各身体部位RPE配对T检验结果

2.2 sEMG数据分析结果

sEMG分析通常包括时域分析和频域分析，时域指标包括IEMG，平均肌电值(Averaged Electromyogramphy，AEMG)和RMS，频域指标包括MF和MPF。肌肉疲劳研究中通常结合时域和频域指标进行分析，选取时域的1个或多个指标评价运动单位动员或肌纤维募集情况，选取频域的MF或者MPF研究功率谱变化情况[3-8，11-12]。本实验IEMG随驾驶时间变化趋势(如图2)，6个肌群IEMG上升趋势都不明显。

图2 IEMG随时间变化趋势

当负荷不大时，常用MF下降率来评估肌肉疲劳发展情况[19-21]。MF随时间变化趋势，如图3。虽然图中各肌群MF下降趋势不是很明显，但是将10～120min上各肌群MF值进行拟合回归，发现除左斜角肌和右竖脊肌以外，其他4个肌群MF均出现下降趋势，见表5。表5中，t为时间，斜率为负，则表明拟合方程具有下降趋势，功率谱左移，肌群疲劳累积较为明显。

图3 MF随时间变化趋势

表5 拟合方程

3 讨论

本实验通过记录驾驶过程sEMG和主观评分数据，探究城市外环道路驾驶过程中肌肉疲劳发展情况。本实验中(见表3)：0～50min为驾驶员“没有不舒适”驾驶阶段；51～90min为“有些不舒适”阶段；100min左右由于疲劳，开始“不舒适”；100～120min皆为“不舒适”。王琳[11]实验基于SOFI-25(Swedish Occupational Fatigue Inventory-25)获得120min驾驶任务中主观评分，将本实验和王琳[11]实验中所获得主观评分进行比较(如图4)。虽然2个实验中所用量表不一致，但均为10分制量表，所以对其进行对比以探究疲劳发展过程。2个实验时长均为120min且均诱发驾驶疲劳：舒适驾驶时间，王琳[11]实验中为0～60min，本实验为0～50min；疲劳开始时间，王琳[11]实验出现在90min，本实验出现在90～100min之间(见表3)。这说明2个实验的驾驶舒适时间和疲劳出现时间具有较好的一致性。2个实验疲劳评分在80min左右出现交叉(如图4)：80min之前，本实验评分高于王琳[11]实验；80min后，本实验评分稍低于王琳[11]实验。这可能是由真实和模拟驾驶环境下驾驶员心理负荷差异所致：行车实验中驾驶员需要一直关注路况并且实现安全驾驶，初始行车过程驾驶员心理负荷大于模拟驾驶实验环境，因而造成疲劳评分相对较高；在实验后期，单调的模拟驾驶实验环境导致心理负荷相对较大，从而导致该环境下驾驶作业评分相对较高。本实验中驾驶员疲劳出现时间与付荣荣等[12]以及于晓东[22]的研究结果也一致。

图4 主观评分随时间而变化

120min驾驶实验后：腰背肌肉疲劳明显(5.00±1.73)，达到“强烈”等级；颈部(3.43±0.98)和右腿部(3.86±2.19)次之，属于“中等”；右手最弱(2.57±0.98)，仅为“轻微”级别。腰背肌肉疲劳“强烈”，这与驾驶中久坐有关，但表5中仅左竖脊肌出现疲劳，这可能与驾驶中驾驶员右脚需要进行加速与减速所致，右脚运动过程带动右竖脊肌而缓解了久坐疲劳。当然这也可能是由于腰背部疲劳肌群可能为腰背部其他肌群如背阔肌所致，实验中为了防止竖脊肌处电极片受压而引起数据变化，在被试腋窝下方放置一U型枕以使被试贴放电极片处不必紧贴座椅且保持驾驶舒适，可能U型枕的放置使得背阔肌受力增强，竖脊肌疲劳累积减缓。颈部疲劳的原因可能是由于路况比较复杂，驾驶员需要频繁观察反光镜所致，表5数据显示右斜角肌出现疲劳，这与驾驶中需要较多观察右边路况而进行相关操作的情况一致。右手RPE评分较低，但表5数据显示右肱二头肌出现疲劳，这可能与肱二头肌较多参与日常活动，虽然产生疲劳，但人的主观感觉并不明显。实验中所有肌群IEMG上升趋势不明显，可能是由于实验设计有关，为使实验条件与真实行车尽可能一致，并不限制坐姿，而且所有被试在行车驾驶中，特别在90min后，都存在调整坐姿、四肢伸展等动作，可能就是这些原因共同导致IEMG上升趋势不明显、MF下降率不大。

4 结论

(1)城市外环道路驾驶中，驾驶员肌肉疲劳明显，且随时间逐渐增强。驾驶结束后，腰背RPE达到“强烈”，要重点关注这个部位的肌肉疲劳累积问题，建议休息时要加强腰背的运动，以缓解肌肉疲劳。

(2)0～50min驾驶员“没有不舒适”驾驶，90～100min驾驶员出现疲劳，建议在90min后采取一些干预措施，缓解疲劳累积。

(3)本研究存在以下缺陷。首先，仅招募到7名被试，sEMG数据规律性不强可能就是由于被试数量较少导致。其次，腋窝下方放置U型枕导致腰背受力发生变化，但由于没有采集姿势数据，所以无法对腰背具体受力情况进行分析。在后期实验中，将调整相关实验条件，进行进一步研究。