張海島，閔一建，錢鐵群，許　龍，李鳳鳴

(1.中國計量大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119；3.浙江大學(xué) 公共體育與藝術(shù)部，浙江 杭州 310058)

肌音(Mechanomyographic, MMG)是肌肉因機(jī)械振動而發(fā)出的聲音信號，由肌纖維在收縮的過程中向側(cè)面擴(kuò)大和變形而引起的對應(yīng)位置皮膚表面上的細(xì)微振動產(chǎn)生[1]，其包含了肌肉狀態(tài)、運(yùn)動模式和運(yùn)動意圖等豐富的信息，可以應(yīng)用于人機(jī)交互及假肢控制和肌肉功能及狀態(tài)評價等領(lǐng)域[2]，因此被學(xué)者用來對肌肉疲勞進(jìn)行研究.Gobbo[3]測量了肱二頭肌與股外側(cè)肌等長收縮時的MMG信號，其峰峰值隨疲勞的加深分別降至初始值的60%與47%.Yang[4]對肱二頭肌MMG信號的測試結(jié)果顯示MMG信號的均方根值隨著肌肉疲勞的增加而下降.Madeleine[5]測試了肱二頭肌等長收縮功率譜隨肌肉疲勞的變化趨勢，結(jié)果表明平均功率頻率隨疲勞的加深而下降.閔一建[6]使用了非線性的L-Z復(fù)雜度評價腓腸肌負(fù)重提踵運(yùn)動疲勞的MMG信號，隨著肌肉力量的下降，L-Z復(fù)雜度逐漸減少，當(dāng)肌肉疲憊時達(dá)到最小值.此外MMG也可以與已有一定應(yīng)用的肌電信號相互補(bǔ)充[7-8].Esposito[9]研究評估了經(jīng)短期恢復(fù)后運(yùn)動單元由疲勞誘發(fā)的變化，測試了肱二頭肌等長收縮至疲勞以及恢復(fù)10 min后的肌電與MMG信號，分析了信號的方均根和功率譜的平均頻率，結(jié)果表明經(jīng)過10 min的恢復(fù)后一些高度疲勞的運(yùn)動單元可能無法招募.Okkesim[10]研究了肱二頭肌與肱三頭肌的肌電和肌電信號，分析了頻率比變化與平均功率頻率和中頻之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示這些特征量之間存在較高的相關(guān)性，頻率比變化可用于評估肌肉疲勞.

大量研究表明MMG反映了肌肉力學(xué)的特定方面的信息，可用于跟蹤局部肌肉疲勞引起的肌肉收縮性能的變化.不過很多研究得出的結(jié)論都是在小負(fù)荷狀態(tài)下的靜力性運(yùn)動(運(yùn)動時，肢體靜止不動或不發(fā)生明顯的位移,肌肉長度也不發(fā)生變化，卻處于緊張用力狀態(tài).)狀態(tài)下得到的[2,11].在肌肉運(yùn)動的過程中不同的運(yùn)動方式，如動力性運(yùn)動(相對靜力性運(yùn)動而言的，在克服阻力做功時，肢體靠近，發(fā)生明顯的位移，肌肉長度也在不斷變化.)，是否會對MMG信號的變化特征有影響，所得出的規(guī)律是否適用于其他類型的運(yùn)動有待研究.為了解不同運(yùn)動方式對MMG信號的影響，對動力性運(yùn)動的MMG信號進(jìn)行了測試分析.本文進(jìn)行了腓腸肌負(fù)重提踵運(yùn)動至疲勞并提取MMG信號，計算了MMG信號的中值頻率隨疲勞的變化，探討不同運(yùn)動方式對MMG信號頻率特征的影響.

1　研究對象與方法

測試對象為健康男性學(xué)生8名，年齡(25±4.6)歲，身高(175.1±5.8) cm，體重(73.8±6.0) kg.實驗前身體狀況良好，無腓腸肌損傷或疾病，并在實驗前24 h無劇烈運(yùn)動，沒有疲勞現(xiàn)象.

實驗采用坐姿負(fù)重提踵的方法誘發(fā)腓腸肌疲勞，負(fù)荷為20 kg.受試者上肢直立，雙腿彎曲，腳掌前1/3放置于踏板上，之后腳后跟向上提至最高點，略微停頓后恢復(fù)原來的姿態(tài).受試者按照30次/min的節(jié)律完成動作，直至不能完成動作進(jìn)入疲勞狀態(tài)為止.

測試MMG所用的傳感器為課題組自研的肌音專用傳聲器，頻帶范圍0.1～5 kHz，使用膠帶固定與腓腸肌外側(cè)頭肌腹位置.信號采集卡為NI 9234型4通道C系列動態(tài)信號采集模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換分辨率為24位，最大采樣率為51.2 kHz,102 dB的動態(tài)范圍，最大輸入范圍±5 V.肌聲信號的頻率一般小于100 Hz，所以信號采集卡完全滿足肌聲信號的采集要求.采集過程中采樣率為2 000 Hz，完全滿足MMG采樣的需求.

2　數(shù)據(jù)處理

原始信號分段.受試者體質(zhì)不同使得運(yùn)動至疲勞所需時間不同.為便于分析，將各受試者的MMG信號劃分為若干段，按等時間間隔(16 s)劃分，每段信號中都包含有若干個完整動作的信號如圖1.

圖1　腓腸肌肌音信號Figure 1　Mechanomyographic signal of gastrocnemius

計算每段信號的中值頻率，其定義為

其中，P(f)表示信號功率譜密度，fMDF為信號功率譜中值頻率.

3　分析與討論

計算結(jié)果顯示隨著疲勞的加深MMG的中值頻率有增大的趨勢，這與先前一些文獻(xiàn)[2,11]報道的中值頻率隨疲勞的加深而降低有所差別.有關(guān)中值頻率隨疲勞的加深降低的結(jié)論都是在小負(fù)荷靜力性運(yùn)動的方式下得到的，實驗時，受試者的受測試肌肉保持某種姿勢不變，施加與肌肉最大隨意收縮或次最大隨意收縮相當(dāng)?shù)呢?fù)荷使肌肉緊張，極短時間內(nèi)耗盡能量儲備直至誘發(fā)疲勞.本文對動力性運(yùn)動疲勞的MMG信號進(jìn)行分析，利用負(fù)重提踵運(yùn)動誘發(fā)肌肉疲勞，肌肉始終處于收縮—放松—收縮這種循環(huán)的過程，運(yùn)動持續(xù)時間較長直至疲勞.

表1　中值頻率變化

根據(jù)肌纖維募集定律[12],在肌肉收縮過程中，形態(tài)較小的運(yùn)動單位肌纖維(慢肌)首先得到募集，形態(tài)大的運(yùn)動單位支配下的肌纖維(快肌)，最后才能夠被募集.并且有文獻(xiàn)[13]報道，在高重復(fù)性力量和耐力訓(xùn)練中，除非慢肌纖維中的肌糖原等能量耗竭，快肌纖維不會被募集.這表明快肌纖維的動員，除需要足夠的負(fù)荷刺激之外，還需要足夠的時間和足夠的組數(shù)才能得到募集和動員[14].

在有關(guān)靜力性運(yùn)動疲勞的文獻(xiàn)中，實驗時受試者測試次數(shù)少負(fù)荷小，主要是動員慢肌參與工作[15].與之相比，本文進(jìn)行的負(fù)重提踵運(yùn)動持續(xù)時間長負(fù)荷大，根據(jù)肌纖維募集定律，運(yùn)動過程中不僅慢肌得到募集，快肌也被大量募集.負(fù)荷和運(yùn)動時間的差別使不同種類肌纖維的募集數(shù)目和過程有所不同[16]，從而使MMG信號具有不同的變化特征，

肌肉收縮時，由于許多運(yùn)動神經(jīng)元發(fā)放頻率時不同步，因而不同類型的肌纖維在不同時間內(nèi)參加進(jìn)去，相互配合，相繼活動使負(fù)重提踵過程中MMG信號各參數(shù)隨運(yùn)動進(jìn)行與疲勞加深并不是線性變化的.此外，為確保結(jié)論的普遍性，對信號采取不同時間間隔劃分對比計算，結(jié)果顯示不同的時間間隔對信號中值頻率變化趨勢沒有影響.

圖2　肌音信號的中值頻率Figure 2　fMDF of Mechanomyographic signal

4　結(jié)　論

本文對坐姿負(fù)重提踵至運(yùn)動疲勞過程中腓腸肌的MMG信號進(jìn)行了測量與記錄，按等時間隔對信號進(jìn)行分段，計算了各段信號的中值頻率，得到了肌音信號中值頻率隨疲勞加深的變化規(guī)律.結(jié)果顯示中值頻率隨疲勞的加深而增大，表明不同性質(zhì)的運(yùn)動方式會影響到肌纖維的募集，對MMG信號特征變化的影響較大.

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