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基于sEMG的按摩椅績效人機評價模型實驗研究

2012-12-03 09:48楊鐘亮孫守遷陳育苗
中國機械工程 2012年2期
關鍵詞:肌肉疲勞按摩椅被試者

楊鐘亮 孫守遷 陳育苗

浙江大學,杭州,310027

0 引言

按摩治療作為非傳統(tǒng)醫(yī)學的一部分正流行起來,被證實能有效地減輕疼痛、緩解壓力、提高睡眠質量、增強免疫力[1]。手工按摩緩解疲勞、緊張等方面的研究尚處于探索階段。Deborah等[2]針對聲譜儀操作員工作時的肌肉不適,通過比較椅上按摩對緩解這些肌肉不適的效果,驗證了按摩方案的可行性;Black等[3]研究了椅上按摩對病人擺脫心理治療藥物時焦慮的療效;Buck等[4]從人機評價的角度,研究了按摩師進行椅上與桌上按摩時不同的姿勢所引起的肌肉健康問題。

經(jīng)驗豐富的按摩專家的數(shù)量畢竟有限,為滿足大眾急劇增長的需求,按摩椅等多種自動化按摩設備被研制出來并迅速市場化。按摩椅避免了受眾因手工按摩時因皮膚接觸引起的心理上的不適[5],具有操作便捷、按摩手法多樣、用戶可控制按摩位置與時間等優(yōu)點。目前,國內外針對按摩椅在緩解肌肉疲勞績效評價等方面的研究尚處于起步階段。尹小琴等[6]分析了推拿機器人末端執(zhí)行器4種按摩手法(振法、按法、揉法、滾法)所需的施力方向和運動自由度。Kolich等[7]比較了汽車座椅不采用腰部支撐機構與采用腰部支撐機構(微調或按摩)對肌肉活動的影響,證明了腰部支撐機構的有效性。Zullino等[5]研究了自動按摩椅執(zhí)行背部按摩后緩解肌肉緊張的效果,并比較了3種機械按摩的手法。在對腓腸肌的肌電信號比較中發(fā)現(xiàn),滾動按摩與指壓能夠較快地緩解肌肉緊張,而拍打按摩效果不明顯。同時也指出實驗本身就是被試者肌肉逐漸放松的過程,按摩的效果在理論上可能被夸大。

表 面 肌 電 (surface electromyography,sEMG)技術作為一種無損傷的實時測量方法,能夠持續(xù)監(jiān)控執(zhí)行某項工作中局部的肌肉疲勞,客觀地反映肌肉活動水平和功能狀態(tài)[8-9],在康復醫(yī)學、人機工程以及體育科學等領域均有重要的實用價值[10]。然而,sEMG在按摩椅績效評價上應用較少,已發(fā)表的文獻也各自存在不足之處,如文獻[4]的實驗對象不是按摩椅受眾,文獻[5]采集的sEMG信號的肌肉不是按摩椅直接作用的對象。對此,本文提出按摩椅績效的人機評價模型,選擇拍打按摩手法,采用sEMG研究特定肌肉在未接受按摩與接受直接按摩后肌電指標的變化情況,驗證按摩椅對緩解肌肉疲勞的有效性。

1 按摩椅績效人機評價模型

對sEMG信號的分析主要集中在時域和頻域[11]。肌電頻域指標——均方根值RMS在時間維度上反映肌電信號振幅的變化特征,能夠實時無損傷地反映肌肉活動狀態(tài),其計算公式為

式中,EMG(t)為表面肌電信號采樣值;T為采樣時間。

sEMG頻域分析采用中位頻率MF:

式中,PSD(f)為表面肌電信號功率譜密度函數(shù);f為頻率。頻域指標MF隨肌力的增大而提高,隨疲勞的發(fā)生而降低。

RMS在一定程度上反映了肌電信號的平均功率,且采用RMS算法得到的sEMG信號的幅值較大,可以更好地反映肌電的特點[12];從統(tǒng)計學角度而言,MF能更好地反映sEMG的頻譜特征[10]。我們以RMS與MF為判斷肌肉疲勞的指標,并基于RMS提出了按摩椅按摩績效的人機評價模型,如圖1所示。

模型中,ΔRMS[13]為實驗開始后規(guī)定時間內RMS的均值減去實驗結束前規(guī)定時間內RMS的均值的差,若規(guī)定時間為20s,則ΔRMS為整段RMS前20s的RMS均值減去最后20s的RMS均值得到的差。ΔRMS>0表示sEMG活動趨于減少,肌肉疲勞緩解;ΔRMS=0表示sEMG活動沒有變化,但在實測中幾乎不會出現(xiàn);ΔRMS<0表示sEMG活動趨于增加,呈現(xiàn)肌肉疲勞。RMSF1為初次SPU過程前20s的RMS均值,RMSB1為初次SPU過程后20s的RMS均值(下標F、B分別表示前段與后段的規(guī)定時間,下標1表示初次靜力性標準俯臥撐 (static standard push-up,SPU),下標2表示再次SPU),ΔRMS1為初次SPU過程前20s的RMS均值減去后20s的RMS均值所得的差值,即ΔRMS1=RMSF1-RMSB1。RMSF2為再次SPU過程前20s的RMS均值,RMSB2為再次SPU過程后20s的RMS均值,ΔRMS2表示再次SPU過程前20s的RMS均值減去后20s的RMS均值所得的差值,即ΔRMS2=RMSF2-RMSB2。Δ(ΔRMS)為恢復前初次SPU的ΔRMS減去恢復后再次SPU的ΔRMS所得差值,即 Δ(ΔRMS)=ΔRMS1-ΔRMS2。T1為完成初次SPU的時間,T2為完成再次SPU的時間,ΔT=T1-T2。ΔT>0表明再次SPU持續(xù)時間比初次SPU持續(xù)時間短;ΔT=0表示兩次SPU的持續(xù)時間相同;ΔT<0則表明經(jīng)過恢復后,再次SPU的持續(xù)時間比初次SPU的持續(xù)時間長。模型的主要操作步驟如下:

(1)通過RMS與MF指標判斷完成SPU動作后肌肉是否進入疲勞狀態(tài)。如果被測肌肉沒有疲勞,則實驗數(shù)據(jù)無效;如果被測肌肉被判斷為疲勞,則選取實驗數(shù)據(jù)中RMS值的前后20s的區(qū)間,即RMSF與RMSB。此外,在實驗數(shù)據(jù)中選取RMS區(qū)間時,應除去瞬間變化較大的數(shù)值,以確保區(qū)間數(shù)值的平穩(wěn)性。

(2)將RMSF減去RMSB得到ΔRMS,再將恢復前的ΔRMS1減去恢復后的ΔRMS2,得到Δ(ΔRMS)。

(3)比較靜坐恢復的Δ(ΔRMS)與按摩恢復的Δ(ΔRMS),并參考SPU的ΔT,對按摩椅的按摩績效進行評價。

2 實驗方法

2.1 被試者與實驗環(huán)境

在肌電信號的前導研究中常采用小樣本實驗,小樣本實驗的優(yōu)點在于節(jié)省實驗成本與時間,提高解決探索性問題的效率,如文獻[14]選取了2名男性被試者,文獻[15]僅對1名男性被試者采集前臂的sEMG數(shù)據(jù)。本實驗被試者為2名男性全日制在讀研究生,均沒有心血管、骨骼肌肉和呼吸系統(tǒng)方面的疾病,且實驗期間無受傷或疾病。被試者基本情況以“平均數(shù)±標準差”表示如下:年 齡 為26.5±2.12歲,身 高 為1720±7.77mm,體重為66±5.66kg。實驗地點為浙江大學人機工程實驗室。

2.2 實驗設備

(1)艾力斯特公司生產的某型號按摩椅。在靠背部設置一組能上下行走、四輪驅動的按摩機械手,機械手具有5擋按摩速度;當采用指壓、拍打、敲擊進行單獨按摩時,機械手均有寬、中、窄3擋寬度可供調節(jié)。

(2)加拿大 Thought Technology公司的FlexComp Infinity 20通道生物反饋分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集肌電、心電、腦電等多重生理參數(shù)信號,采樣頻率為2048Hz,采樣精度為14bit。

(3)直徑10mm的一次性心電電極片。電極片使用前,先去除皮膚表面的油脂和角質。然后,采用雙極聯(lián)法,將兩片導電的電極片相隔20mm距離,沿著豎脊肌肌腹的方向粘貼,第三片電極貼在待測肌肉附近,作為參考電極。

2.3 肌電信號實驗儀器架構及數(shù)據(jù)采集

本實驗儀器架構如圖2所示。被試者在測試部位貼上電極片后執(zhí)行實驗規(guī)定動作。實驗過程中的表面肌電通過傳感器采集并放大,由各信號采集通道經(jīng)A/D轉換器后連入計算機,肌電信號由Flex Comp Infinity 20通道生物反饋分析系統(tǒng)采集,實驗數(shù)據(jù)借助SPSS軟件處理。

2.4 實驗動作與肌肉選取

俯臥撐作為常見的健身運動,占空間小、無需使用器械,具有一定的普遍性和實效性。Howarth等[16]研究指出,在執(zhí)行標準俯臥撐動作時,豎脊肌在背部肌肉群中所做的貢獻最大。靜力性練習影響工作肌的血液循環(huán),疲勞出現(xiàn)較早[17],故采用SPU作為實驗動作,并選取豎脊肌為肌電信號采集的目標肌肉。電極片粘貼位置為腰椎L1至L2處,此位置也是按摩椅的主要工作范圍。為了突出按摩績效,將按摩椅的按摩部位調整到豎脊肌位置,對緩解運動性疲勞進行針對性局部按摩。要求被試者保持俯臥撐標準姿勢不動,并開始采集肌電信號。由于被試者腰部受力較大,當被試者支撐不住,發(fā)生腰部下榻時,表示實驗動作結束,并停止采集sEMG信號。

2.5 實驗流程

本次實驗分成兩個階段,流程如圖3所示。實驗只在SPU階段采集肌電信號;在靜坐恢復時,被試者取下電極片就坐按摩椅上,按摩椅不啟動;在按摩椅恢復時,被試者取下電極片就坐在按摩椅上,按摩椅調節(jié)為拍打手法,速度選擇最慢的第一擋,直接按摩所測試的豎脊肌部位。由于一個按摩周期為20min,故將靜坐休息與按摩休息時間規(guī)定為20min。

3 實驗結果分析

根據(jù)式(1)與式(2),對2名被試者每次SPU的sEMG信號進行計算,得到前后20s的RMS與MF的均值,如表1所示,其中ΔMF表示前20s的MF均值減去后20s的MF均值所得的差值。實驗表明,每次SPU后,RMS增加的同時MF下降,符合JASA分析法中定義的肌肉疲勞狀態(tài)[9,18]。

表1 SPU的ΔRMS與ΔMF

靜坐恢復前后SPU的RMS前后20s變化趨勢,與按摩恢復前后SPU的RMS前后20s變化趨勢,如圖4與圖5所示(以被試者1為例)。圖4、圖5的兩條曲線分別為左右兩側豎脊肌的RMS,數(shù)據(jù)分析時取二者的均值。通過分析RMS時程圖可見,SPU后的RMS呈現(xiàn)增大趨勢,詳見表1的ΔRMS。由圖4與圖5可見,靜坐恢復前后的SPU總時間約為90s,而通過按摩椅拍打按摩后,SPU的總時間長度達到了140s,超過了之前所有SPU的時間。雖然被試者2也存在這一現(xiàn)象,但由于被試者數(shù)量較少,且個人身體素質存在差異,SPU的T可作為判斷按摩績效的一個參考因素。

根據(jù)人機評價模型,計算2名被試者在靜坐恢復與按摩椅上拍打按摩恢復后的Δ(ΔRMS),對按摩績效進行定量分析,如表2所示。

表2 靜坐恢復與按摩椅恢復的Δ(ΔRMS)mV

兩名被試者靜坐恢復狀態(tài)的Δ(ΔRMS)均為正值,而按摩椅恢復狀態(tài)的Δ(ΔRMS)均為負值。也就是說,通過靜坐恢復,被試者再次SPU的疲勞程度大于初次SPU的疲勞程度,他們再次SPU時的疲勞未得到緩解而顯得更加疲勞;通過按摩椅的拍打按摩恢復后,被試者在初次SPU后的疲勞得到了一定的緩解,在再次SPU時的抗疲勞能力甚至超過了初次SPU時的抗疲勞能力。對Δ(ΔRMS)指標進行比較分析后發(fā)現(xiàn),采用按摩椅拍打按摩對SPU后豎脊肌的疲勞緩解能力高于靜坐恢復,實驗證明了按摩椅的按摩績效。

4 結語

本文基于表面肌電信號指標,提出了按摩椅按摩績效的人機評價模型。作為按摩椅舒適性的前導研究,小樣本實驗證明了按摩椅局部拍打按摩對緩解豎脊肌疲勞的績效,驗證了模型的可行性與實驗方法的適用性。后續(xù)研究將選擇多塊肌肉進行大樣本多通道肌電信號采集,通過比較多種機械按摩手法的績效,對按摩椅進行多因素綜合人機評價。

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