基于表面肌电信号的实时在线肌肉疲劳估计方法研究
发布时间：2021-08-21 19:37
表面肌电信号是人体三大生理电信号（肌电、脑电、心电）之一,它来源于中枢神经系统对外界刺激做出反映时的电位变化。在神经的支配作用下,通过在细胞膜表面引发极化反应,导致膜电位发生变化,进而在肌肉纤维上进行电位的叠加和传播,从而在皮肤表面产生可检测的生理电信号。其作为人体肌肉细胞电位活动的外在综合表征,可以反映出当前人体的生理状态和意识状态特征,如肌纤维力量、肌肉状态、人体心理活动、大脑运动意图等。此外,表面肌电信号物理特性的变化还与骨骼肌在疲劳收缩过程中发生的生化和生理变化密切相关。肌肉疲劳最直观的感受是肌力减弱,是一种产生于长时间发力或运动状态下乏力或酸疼的感觉;从生理学上说,肌肉疲劳是肌肉运动系统的做功能力或收缩能力的暂时下降导致机体不能维持预期强度动作的内在原因。肌肉疲劳的产生机理,目前存在有中枢原因和外周原因两种主流说法。中枢原因认为疲劳是大脑皮层的保护性抑制的结果,为了避免机体损伤,采取的主动性保护;外周原因从生化方面分析,认为发力中出现的钙离子运动扰动,磷酸盐等代谢产物的积累,ATP减少等因素是导致动作传导电位变化和肌肉纤维收缩力量下降的主要原因。基于表面肌电信号和肌肉疲劳之间...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
肌肉的疲劳检测研究应用领域
中国科学院大学硕士学位论文——基于表面肌电信号的实时在线肌肉疲劳估计方法研究8主判断受试者的当前肌肉所处的状态，从而得出疲劳程度。但是，目前对于肌肉疲劳程度的学术划分，并没有统一的标准，在相关论文中，并没有依据EMG的信号特性，给予客观的等级划分，仅有英国埃塞克斯大学Al-Mulla,MohamedR.教授团队给予的非疲劳态、疲劳过渡态、疲劳态三个状态的大概分类[40]。研究中，对于肌肉的收缩形式，有等张收缩和等长收缩两种方式，见图2.1。等长收缩为保持肌肉长度，不进行任何运动，而等张收缩为肌肉进行向心收缩和离心收缩（肌腹的中心位置）运动。通常，静态收缩通常为等长收缩，而动态收缩为等张收缩。本文中所提到的一种基于表面肌电信号的实时在线肌肉疲劳估计方法研究，主要指在静态（等长）收缩下的局部肌肉疲劳状态检测。图2.1肌肉的收缩形式由于表面肌电信号的特性与骨骼肌在疲劳收缩过程中发生的生化和生理变化有关。在局部肌肉疲劳的研究领域中，一项广泛的研究共识就是，在肌肉疲劳的过程中，肌电信号在时、频域会有明显的变化趋势，具体为：肌电信号的时域幅值会增加，其频域频谱会发生左移现象。一段典型的静态疲劳进程中的表面肌电信号如下图2.2所示。可以发现，随着时间的增加，在肌电信号的幅值上出现了明显的信号幅值变大现象。
第2章局部肌肉疲劳与表面肌电信号分析方法9图2.2疲劳进程中的表面肌电信号此外，有研究学者根据肌肉不同疲劳程度下血液乳酸含量和表面肌电信号的变化，来找出三者之间的对应关系，从而依据乳酸含量所对应的肌电信号的量比，来实现对肌肉状态的检测和疲劳预防。与此同时，有观点认为，运动中产生的乳酸被认为是有害的代谢产物，是导致运动能力下降和运动疲劳以及代谢性酸中毒的原因之一。随着研究的深入，这一观点受到了很多质疑。在正常的pH下，人体内99%以上的乳酸水解成乳酸根离子和氢离子，因此产生了乳酸水解产生的氢离子是致使细胞内酸化的原因的错误观点。就疲劳的单独肌肉模型而言，肌肉组织pH下降确实会影响运动表现，这一结论得到Debold等人最近的一项综述支持。但RobertA.Robergs等人的研究指出，在剧烈运动过程中，乳酸的产生延缓了丙酮酸的过多积累，并且在丙酮酸还原成乳酸时需要额外消耗一个氢离子，所以认为乳酸的形成不是引起细胞内pH下降的主要原因。目前看来，有关人体运动过程中是否产生乳酸以及乳酸对人体pH和疲劳的影响仍然存在一些争议[41]。研究表明，乳酸的变化的确可以反映出肌肉的疲劳状态，但是，由于细胞内乳酸的含量是一个动态的变化过程，其产生和消失无法进行连续的检测，使用乳酸进行肌肉疲劳的实时在线分析面临着局限性。肌肉疲劳的产生会伴随着人体诸多的物理、生理、化学信号的改变，根据这些信号特征，可以反映出当前的肌肉疲劳状态。与其他测量方式相比，表面肌电信号在非侵入式，便利性、鲁棒性、可重
【参考文献】：
期刊论文
[1]手持式微型多生理参数监测设备的研制[J]. 贺玉珍,汤敏芳,何征岭,赵荣建,陈贤祥,赵湛,方震. 中国医疗设备. 2019(10)
[2]运动科学领域的研究热点与进展——第66届美国运动医学年会综述[J]. 邱俊强,陈演,车开萱,路明月,程燕,缪蕊,孟锟. 体育学研究. 2019(04)
[3]基于运动学和肌电特征的脑瘫爬行运动功能异常分析与评估[J]. 李亮亮,陈香. 北京生物医学工程. 2018(06)
[4]运动性中枢疲劳的影响因素及其机制研究进展[J]. 张蕴琨. 体育科研. 2013(03)
[5]运动性肌肉疲劳的表面肌电非线性信号特征[J]. 王健,方红光,杨红春. 体育科学. 2005(05)
博士论文
[1]体表肌电信号中疲劳信息提取方法的研究[D]. 杨志家.浙江大学 1999
硕士论文
[1]基于表面肌电的肌疲劳分析与肌力预测研究及实现[D]. 黄耐寒.中国科学技术大学 2014
[2]局部肌肉疲劳的肌电和脑电反应模式[D]. 卢宁艳.浙江大学 2005
[3]静态运动负荷诱发肌肉疲劳过程中SEMG信号变化的生理机制[D]. 叶伟.浙江大学 2002
本文编号：3356214
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
肌肉的疲劳检测研究应用领域
中国科学院大学硕士学位论文——基于表面肌电信号的实时在线肌肉疲劳估计方法研究8主判断受试者的当前肌肉所处的状态，从而得出疲劳程度。但是，目前对于肌肉疲劳程度的学术划分，并没有统一的标准，在相关论文中，并没有依据EMG的信号特性，给予客观的等级划分，仅有英国埃塞克斯大学Al-Mulla,MohamedR.教授团队给予的非疲劳态、疲劳过渡态、疲劳态三个状态的大概分类[40]。研究中，对于肌肉的收缩形式，有等张收缩和等长收缩两种方式，见图2.1。等长收缩为保持肌肉长度，不进行任何运动，而等张收缩为肌肉进行向心收缩和离心收缩（肌腹的中心位置）运动。通常，静态收缩通常为等长收缩，而动态收缩为等张收缩。本文中所提到的一种基于表面肌电信号的实时在线肌肉疲劳估计方法研究，主要指在静态（等长）收缩下的局部肌肉疲劳状态检测。图2.1肌肉的收缩形式由于表面肌电信号的特性与骨骼肌在疲劳收缩过程中发生的生化和生理变化有关。在局部肌肉疲劳的研究领域中，一项广泛的研究共识就是，在肌肉疲劳的过程中，肌电信号在时、频域会有明显的变化趋势，具体为：肌电信号的时域幅值会增加，其频域频谱会发生左移现象。一段典型的静态疲劳进程中的表面肌电信号如下图2.2所示。可以发现，随着时间的增加，在肌电信号的幅值上出现了明显的信号幅值变大现象。
第2章局部肌肉疲劳与表面肌电信号分析方法9图2.2疲劳进程中的表面肌电信号此外，有研究学者根据肌肉不同疲劳程度下血液乳酸含量和表面肌电信号的变化，来找出三者之间的对应关系，从而依据乳酸含量所对应的肌电信号的量比，来实现对肌肉状态的检测和疲劳预防。与此同时，有观点认为，运动中产生的乳酸被认为是有害的代谢产物，是导致运动能力下降和运动疲劳以及代谢性酸中毒的原因之一。随着研究的深入，这一观点受到了很多质疑。在正常的pH下，人体内99%以上的乳酸水解成乳酸根离子和氢离子，因此产生了乳酸水解产生的氢离子是致使细胞内酸化的原因的错误观点。就疲劳的单独肌肉模型而言，肌肉组织pH下降确实会影响运动表现，这一结论得到Debold等人最近的一项综述支持。但RobertA.Robergs等人的研究指出，在剧烈运动过程中，乳酸的产生延缓了丙酮酸的过多积累，并且在丙酮酸还原成乳酸时需要额外消耗一个氢离子，所以认为乳酸的形成不是引起细胞内pH下降的主要原因。目前看来，有关人体运动过程中是否产生乳酸以及乳酸对人体pH和疲劳的影响仍然存在一些争议[41]。研究表明，乳酸的变化的确可以反映出肌肉的疲劳状态，但是，由于细胞内乳酸的含量是一个动态的变化过程，其产生和消失无法进行连续的检测，使用乳酸进行肌肉疲劳的实时在线分析面临着局限性。肌肉疲劳的产生会伴随着人体诸多的物理、生理、化学信号的改变，根据这些信号特征，可以反映出当前的肌肉疲劳状态。与其他测量方式相比，表面肌电信号在非侵入式，便利性、鲁棒性、可重
【参考文献】：
期刊论文
[1]手持式微型多生理参数监测设备的研制[J]. 贺玉珍,汤敏芳,何征岭,赵荣建,陈贤祥,赵湛,方震. 中国医疗设备. 2019(10)
[2]运动科学领域的研究热点与进展——第66届美国运动医学年会综述[J]. 邱俊强,陈演,车开萱,路明月,程燕,缪蕊,孟锟. 体育学研究. 2019(04)
[3]基于运动学和肌电特征的脑瘫爬行运动功能异常分析与评估[J]. 李亮亮,陈香. 北京生物医学工程. 2018(06)
[4]运动性中枢疲劳的影响因素及其机制研究进展[J]. 张蕴琨. 体育科研. 2013(03)
[5]运动性肌肉疲劳的表面肌电非线性信号特征[J]. 王健,方红光,杨红春. 体育科学. 2005(05)
博士论文
[1]体表肌电信号中疲劳信息提取方法的研究[D]. 杨志家.浙江大学 1999
硕士论文
[1]基于表面肌电的肌疲劳分析与肌力预测研究及实现[D]. 黄耐寒.中国科学技术大学 2014
[2]局部肌肉疲劳的肌电和脑电反应模式[D]. 卢宁艳.浙江大学 2005
[3]静态运动负荷诱发肌肉疲劳过程中SEMG信号变化的生理机制[D]. 叶伟.浙江大学 2002
本文编号：3356214
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