基于sEMG时频分析的递增负荷诱导肌肉周期动态疲劳估计

摘要

研究目的：rn 肌肉在静态或轻度收缩时,表面肌电(sEMG)信号可近似看作平稳随机信号,依据sEMG信号的振幅和频谱对肌力和疲劳状态的双重依赖性可判断肌肉是否处于疲劳状态;而当肌肉动态或重度收缩时,sEMG信号则成为典型的非平稳、时变信号,传统的傅里叶变换已不适合用于这种非线性信号的频谱分析.考虑到日常生活和体育比赛时人的运动负荷往往是变化的,而自行车、赛艇、游泳、跑步等许多项目需要肌肉做大量周期性的动态收缩,评估不同运动负荷下肌肉周期性收缩的动态疲劳有着实际的意义.为此,本文拟采用时频分析技术替代傅里叶变换,探讨对递增负荷下肌肉周期性动态收缩疲劳程度进行估计的可行性.rn 研究方法：rn 10名男性大学生完成从50～200w+的1-5级功率自行车递增负荷蹬车实验，每级负荷采集最后5秒的股直肌、股内侧肌和股外侧肌s EMG信号，将每次向心收缩期的s EMG信号截取出来，从1至5级负荷共5段s EMG信号整合成一段信号，即将每一级负荷的最后5秒数据连起来，形成一个25秒的时间序列，进行1）时域分析：计算积分肌电（i EMG），2）频域分析：利用傅里叶变换计算平均频率（MNF）和中值频率（MDF），3）时频分析：基于乔伊-威廉姆斯分布（Choi-Williams Distribution，CWD）的时频分析技术获取瞬时功率谱，即关于频率和时间的二维函数PSD（t,f），给出了该时刻信号的不同频率成分对瞬时功率的贡献，进而计算瞬时频率，包括瞬时平均频率（IMNF）和瞬时中值频率（IMDF）。rn 研究结果：rn 1）3块肌肉s EMG信号的i EMG随时间总体呈上升趋势，1-2级负荷i EMG在数值上变化不大，3-5级负荷i EMG明显增加，呈近似线性递增趋势；rn 2）3块肌肉s EMG信号的MNF、MDF从1至5级负荷的增减变化均无明显规律，每级负荷内一致性较差，且各级负荷内3块肌肉的MNF、MDF大小排序也较混乱；rn 3）3块肌肉s EMG信号的IMNF和IMDF随递增负荷表现为先增大后减小的趋势，1-3级负荷内增大较缓慢，而3-5级负荷内则均呈近似线性下降。IMNF和IMDF增加可能是由于运动初期肌肉尚未疲劳，负荷递增引起肌力增大，导致瞬时频率增加所致，这种趋势从1级负荷一直保持到3级负荷；在肌肉出现疲劳后，瞬时频率会有降低的趋势，当这种降低的趋势超过由肌力增加引起瞬时频率增加的趋势时瞬时频率则总体上表现为降低，从3级到5级负荷各肌肉瞬时频率均呈近似线性下降。rn 研究结论：rn 1）由于肌肉动态收缩加剧了s EMG信号的非平稳性、时变性，导致基于傅里叶变换获取的MNF和MDF不适合参与评价肌肉动态疲劳程度；rn 2）基于乔伊-威廉姆斯分布的时频分析计算得到的瞬时频率IMNF和IMDF在3级负荷之后随负荷递增而近似线性递减，结合积分肌电同时随负荷递增而近似线性递增的特征，可反映递增负荷下肌肉动态收缩疲劳的发生、发展过程；rn 3）由于瞬时平均频率的计算量小于瞬时中值频率，建议将积分肌电和瞬时平均频率相结合作为评估肌肉周期性动态疲劳的联合参数。