基于NIRS的局部肌肉疲劳与脑疲劳及人体舒适性实验_张鄂

评分值 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10
3
3． 1
实验结果与分析
肌氧含量监测实验 在 5 种振动强度 下， 肱 二 头 肌、 股 二 头 肌 和 竖脊肌 的 肌
氧变化曲线 如图 3 所 示， 各 骨骼肌 的 肌 氧 含 量 的 下 降 率 见 表 2。 图2 TSAH － 100 近红外检测仪
［1 － 3 ］
。人机系统中的驾驶员 受 到 机 械 振 动时， 人体会有
， 即 ［ HbO2］ ［ HbO2］ + ［ Hb ］ ( 1)
意识或无意识地 抵 抗 这 种 振 动， 以 减 少 振 动 对 人 体的 影响。 在这种抵抗振动 的 过 程 中， 随着 振 动 环境 的 变化 或 者 增 强， 会消耗肌肉的能 量。 研究 表明
氧摄取与氧消耗基本保持平衡状态， 而一 旦 进 入 特定 水 平 的 运动状态， 肌肉中氧的消耗率增加， 并 释 放 能 量， 使 肌肉 中 氧 含量的百分比维持在一个较低的 水 平。 因 而， 监 测 肌肉 组 织 的缺氧程度对判断肌肉疲劳具有重要价值
［5 ］
。 随着 计 算 机、
电子和光学技术的飞速发展， 近些年 来 1 种近 红 外 光 谱 技术 ( near infrared spectroscopy， NIRS ) 已 成 功 应用 于 人 体 肌 氧 含 量的测定
121 张 鄂， 等: 基于 NIRS 的局部肌肉疲劳与脑疲劳及人体舒适性实验
脑氧检测仪器采用清华大学研制的 TSAH － 100 近 红 外 组 织 血氧参数 无 损 监 测 仪 ( 见 图 2 ) 。 仪 器 由 主体、 光探头等组 成， 可以对信号进行实时采集、 存储和分析。 肌氧检测部位选 择 人 － 机 操 控 界 面 和 人 － 机接触 界 面 工作中较为相关的 3 块 骨骼肌， 即 肱 二 头 肌、 股二头肌和竖 将 光 探 头 放置 在 受试者 肌肉 纵 向 平 面 上， 并 脊肌。实验中， 用弹力绷带较松地将探头绑缚在被 测 位 置 上， 既 要防 止漏 光 和振动时光探头移动， 又要避免造成局部缺血。 2． 3 实验方案 为研究不同振动环境对人体肌肉 疲劳 的 影响， 振动共设 0． 06 g， 0． 10 g， 0． 15 g 和 0． 20 g。 振 置了 5 种强度: 0． 03 g， 动实验的激振频率选为 2 30Hz， 并采用扫频振 动。 ① 肌 氧 监测实验: 在不 同 振 动 环境下 用 TSAH － 100 监 测 仪 采 集 信 号， 分别对上述 3 块 骨骼肌 进行 肌 氧 检 测， 同 时 记录 受试者 的主观感觉并 进行 主 观 评 价。 ② 脑 氧 监 测 实 验: 采 用 随机 振 动， 受试时间为 100 min。③ 人体主观评价实验: 实验中参 考 ISO2631 － 1 : 1997 ( E ) 标 准进行 5 个 等 级 的主 观 评 价， 评 分值见表 1 。 表1 人主观感觉 没有不舒适 有些不舒适 不舒适 图1 SA30 － S802 / ST 振动台 很不舒适 极不舒适 主观评价等级及分值 主观描述 身体、 心理舒适， 无疲劳感觉 注意力不集中， 轻度劳累感 烦躁， 头痛， 腰背部僵硬 困倦， 腰背部有轻微酸痛感 恶心， 精神恍惚， 腰肌痛
2
2． 1
实验条件与方法
实验对象 受试者为 20 名 西 安 交 通 大学 本 科 或 研究生， 其中男性
16 名女性 4 名， 平均年龄 25． 42 岁， 平均身高 170． 3 cm， 平均 体重 61． 8 kg。全体受试者为身 体 健 康， 无 骨骼、 肌肉疾病 的 成年人。 2． 2 测试仪器及振动实验台 模拟动态驾 驶 环境 的 人 体 振 动实 验 在 美 国 UD 公司 生
2012 年 11 月 第 33 卷 第 11 期 四 川 兵 工 学 报 【基础理论与应用研究】
基于 NIRS 的 局 部 肌肉疲劳 与 脑疲劳 及 人 体 舒 适 性实验
张
1， 2 1 鄂 ， 王冠华 ， 李 3 岳， 张
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Байду номын сангаас肌氧含量及 NIRS 技术
吸入人体的氧 气 通过 肺 泡 进 入 血 液， 一 部 分 直 接 溶 解，
产的 SA30 － S802 / ST 振 动 台 上 ( 见 图 1 ) 进行。 人 体 肌 氧 和
收稿日期: 2012 － 03 － 04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50675170 ) 作者简介: 张鄂( 1948 —) ， 男， 教授， 主要从事现代设计理论与方法， 机械设计以及人机工效学研究。
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动态环境下 的 机 械 系统( 如 行 驶 中 的 汽 车、 拖 拉 机、 坦 克、 火车、 飞机、 船舶以及航天器等) 工作 时， 会 产 生 振 动。 当 振动达到一定程度时， 会使驾驶员感 到 不 舒 适、 疲劳， 危及人 体健康或导致交通事故。因此， 研究 动 态 环境下 人 机 系统的 人体肌肉疲劳及舒 适 性 已 成为 人 机 工程学 领 域 的 1 个 重 要 课题
由图 3 中( a) 可以看出: 当振动强度为 0． 03 g 时， 随着振 动频率的升高， 被 测 3 块 肌肉 中， 大腿部股二头肌的肌氧呈 下降趋势， 而上臂部肱二头肌和腰部 竖脊肌 的 肌 氧 随着 振 动 频率的升高略有增加。当振动强度 增 大 到 0． 06 g 时， 由图 3 中( b) 可见: 上臂部肱 二 头 肌 的 肌 氧 随着 振 动 频 率 的 升 高 仍 呈上升趋势， 但升幅较 0． 03 g 时 减 缓; 而 腰 部 竖脊肌 的 肌 氧 此时随着振动频率 的 升 高 呈 下 降趋 势， 但 变化 量也 较小; 大 腿部股二头肌的肌 氧 变化 甚 微。 由 图 3 中 ( c ) 可 见: 当 振 动 强度增大为 0． 1 g 时， 上 臂 部 肱 二 头 肌 和大 腿 部 股 二 头 肌 的 肌氧随着振动频率 的 升 高， 均 出 现 下 降趋 势; 而 腰 部 竖脊肌 的肌氧随着 振 动 频 率 的 升 高略 微 呈上 升。 由 图 3 中 ( d ) 可 见: 当振动强度增大到 0． 15 g 时， 随着振动频率的升高， 上臂 部肱二头肌和大腿部股二头肌的肌 氧 仍 呈 下 降趋 势， 且下降 量 较 0． 1 g 时更为强烈; 此时腰部竖脊肌的肌氧停止了上升， 呈一稳定状态。由图 3 中( e) 可见: 当振动强度增 大 至 0． 2 g 时， 随着振动频率 的 升 高， 上 臂 部 肱 二 头 肌 和大 腿 部 股 二 头 肌的肌氧下降幅度较 0． 15 g 时又有明显增大， 尤其是股二头 肌变化最为明显。 3 块骨骼 由图 3 监测结果可以看出: 在同一振动强度下， 肌的肌氧变化 情 况 是不 同 的( 其 中 肱 二 头 肌 的 变化更为 显 3 块 骨骼肌 的 肌 氧 变化 情 况 也 是 著) ; 对比同一振动频率下， 各异的。其中肱二 头 肌 和 股 二 头 肌 的 疲劳 强度变化非 常 明 显。这表明振动环境( 振动强度、 振动频率) 均会对人体 骨骼 肌的肌氧产生影响， 从而对人体的肌肉疲劳产生一定影响。 3． 2 脑氧含量监测实验 图 4 为被测脑氧与人体受振动时间的关系曲线。由图 4 可见: 在 100 min 的振动实验过程中， 脑氧含量存在着明显的 变化， 且在某些 时 刻 的 脑 氧 值 有 较 强 的 波 动。 经 分 析 认 为， 其波动原因可能与 中 枢 神 经 系统 活 动 以及 人 体的 自 身 调 节 表3 振动时间 激振加速度 0． 06g 0． 10 g 5 min 腿部有麻木感 腿部有麻木感 10 min 麻木感 持续， 轻微 头晕 麻 木 感 持 续， 胸 恶心 闷， 3． 3 振动环境下的人体主观评价实验 为了研究振动环境对人体疲劳以及 舒 适 性 的 影响， 在肌 氧含量监测实验中， 对 应 不 同 的 振 动 环境， 本 文 同 时 进行 了 受试者的主观评价实验， 表 3 为各 对 应 环境下 的主 观 感 觉 记 录表。 图5 脑氧监测实验的主观评分曲线 图4 脑氧含量的变化曲线
帆
4
( 1． 西安交通大学 机械工程学院， 西安 710049 ; 2． 西安外事学院 工学院， 西安 710077 ; 3． 清华大学 生物医学工程系， 北京 100084 ; 4． 西安建筑科技大学 信息与控制工程学院， 西安 710055 ) 摘要: 为研究动态驾驶环境下肌肉疲劳与人体肌氧含量变化间的关系， 探 讨 了 肌 氧 含 量 变化 作 为 人 体 肌肉 疲劳 衡 量 指标的可能性。借助近红外光谱技术( NIRS) 观测并分析了 肱 二 头 肌、 股 二 头 肌 和 竖脊肌 在 不 同 动 态 驾 驶 环境下 肌 氧含量变化的特点， 同时监测并分析了脑氧含量的变化趋势， 并对各动 态 驾 驶 环境下 的 人 体 舒 适 性 及 疲劳 进行 了主 观评价实验。结果表明: 不同的动态驾驶环境直接影响人体的肌氧含量和脑氧含量， 利用近红外光谱 技术( NIRS ) 能 够探测人体肌肉的疲劳， 人体肌氧含量的变化可作为衡量肌肉疲劳的重要参考依据。 关键词: 动态驾驶环境; 肌氧含量; 肌肉疲劳; 近红外光谱技术 中图分类号: TB18 ; G804． 22 文献标识码: A 文章编号: 1006 － 0707 ( 2012 ) 11 － 0120 － 04 Hb ) 另一部 分 则 与 还 原 血红蛋 白 ( deoxygenated hemoglobin， HbO2 ) 。 直 化合， 生成氧合血红蛋 白 ( oxygenated hemoglobin， 接溶解在血 液 中 的 氧 只 占 2% ， 其 余 的 氧 都 要 同 Hb 化 合。 SaO2 ) 反 映 生物 组 织 的 氧 合情 血氧饱和度( oxygen saturation， 况， 定义为被测组织中氧合血红蛋白 浓 度 与 2 种 血红蛋 白 浓 度之和的比值
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， 他 通过 检 测 和分 析 肌 氧 含 量 变化 来 评 价 肌
肉疲劳及人体舒适性。本文通过模 拟 动 态 驾 驶 环境 实 验， 利 用近红外光谱技术 来 探 讨 肌 氧 含 量 变化 和 肌肉 疲劳 变化 的 特点， 研究不同动态 振 动 环境 ( 振 动 频 率、 振 动强度 ) 对 肌肉 疲劳及其肌氧含量 变动 的 影响 以及 局 部 肌肉 疲劳 与 其 肌 氧 含量变动之间的关系， 并结合人体的主 观 评 价 来 研究 动 态 驾 驶环境对人体乘坐舒适性的影响。
图3
各振动强度下肱二头肌、 股二头肌和竖脊肌的肌氧变化曲线
http: / / scbg． jourserv． com / 122 四川兵工学报
表2 各骨骼肌的肌氧含量的下降率( % ) 0． 1 g 2． 14 2． 03 － 0． 82 0． 15 g 2． 69 2． 86 0． 24 0． 2 g 3． 22 4． 00 0． 97 功能有关。由线性回归分析可看 出( 见 图 4 ) ， 随着 受振 时 间 的推移， 脑氧含量 呈现 下 降趋 势， 表明 人 体 脑 部 对 氧 的 消耗 逐渐增大， 大约在 90 min 时， 脑氧值出现了最低点。 振动强度 骨骼肌 肱二头肌 股二头肌 竖脊肌
［4 ］
% SaO2 =
， 肌肉 中有一定 的 氧 含 量，
HbO2］ 式中: ［ 为氧合血红蛋 白 ( HbO2 ) 的 浓 度; ［Hb］为 还 原 血红蛋白( Hb) 的 浓 度。 被 测 组 织 为 骨骼肌 时， 血氧饱和度 又称肌肉氧含量， 简称肌氧( 含量) 。 NIRS 技术结合 光 在组 织 中 的 传 播 规 律， 研究 光 在组 织 中经 历 一 系 列 吸 收 、 散射后反射光携 带 的与 吸 收 谱 相 关的 组 织生化信息， 是 1 种无损的可以在 人 体工作 中 对 氧 含 量 进行 实时监测的技术。