基于紅外熱成像技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究
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人類工效學(xué) |
2005 年 12 月第 11 卷第 4 期 |
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文章編號: 1006- 8309( 2005) 04-030-04 |
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#技術(shù)與方法# |
基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究
許嵩1, 王麗萍2
( 1. 清華大學(xué)工業(yè)工程系, 北京 100084;
1. 西安交通大學(xué)管理學(xué)院工業(yè)工程系, 陜西西安 710049)
摘要: 為研究肌肉疲勞與人體溫度變化之間的關(guān)系, 探討皮膚溫度變化作為人體肌肉疲勞衡量指標的可 能性。借助紅外熱成像技術(shù)觀測并分析了肱二頭肌和肘關(guān)節(jié)在不同負荷作用時其表面溫度變化的特點。結(jié) 果表明: 在條件嚴格控制下, 利用紅外技術(shù)能夠探測人體肌肉的疲勞; 體表溫度的變化與主觀疲勞感覺等級 ( RPE) 值具有較高相關(guān)性, 體表溫度的變化可作為衡量肌肉疲勞的參考依據(jù)之一; 但由于體表溫度和疲勞感 受不同步, 將溫度作為**衡量疲勞程度的指標是不夠準確的。
關(guān)鍵詞: 肌肉疲勞; 主觀疲勞感覺等級; 紅外熱成像技術(shù); 疲勞的測量
中圖分類號:T B18 文獻標識碼: A（基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究）
The Empirical Study of Muscle Fatigue Based On the Infrared Technology
XU Song, WANG L-i ping
( Department of Industrial Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: This research aims to study the relationship between muscle fatigue and its temperature and try to explore the feasibility that muscle temperature is used to measure muscle fatigue. The researcher observes the characteristics of fatigue by infrared thermal imaging technology. The result shows that infrared thermal imaging technology can detect muscle fatigue under strictly controlled condition. There is a high correlation between muscle fatigue and its temperature. Muscle tempera-ture can be used as one of indexes that measure muscle fatigue, however it is not accurate as the only index to measure fa-tigue due to the asynchronism of temperature and perceived fatigue of subjects.
Key words: muscle fatigue; RPE, the temperature of muscle; infrared thermal imag ing ; fatigue measurement
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1 引言 |
系統(tǒng)尚未建立。目前測量疲勞的方法大都是針對 |
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疲勞分為生理疲勞和心理疲勞。本文所研究 |
與疲勞相關(guān)的某些指標進行測量, 如心率、*大攝 |
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的疲勞限定在生理疲勞范疇。早期的研究者將疲 |
氧量、尿液中兒茶酚胺的檢驗、血液鈣離子濃度檢 |
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勞定義為/ 運動持續(xù)一段時間后, 機體不能維持原 |
驗、工作績效的降低、出錯率的增加、工作態(tài)度的 |
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強度工作[ 1] 0。1982 年第五屆國際運動生物化學(xué) |
改變、主觀感覺疲勞等級( Rate of Perceived Exer- |
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會議明確提出疲勞是/ 機體生理過程不能持續(xù)其 |
tion, RPE) , 肌電圖分析[ 2] 等。歸納起來有以下幾 |
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機能在一特定水平上和/ 或不能維持預(yù)定的運動 |
類: 人體生理指標測定法、化學(xué)成分分析法、間接 |
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強度0。 |
認知測量法、主觀感覺測量法[ 3] 。大部分的方法 |
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在工業(yè)領(lǐng)域中, 測量疲勞有助于更加科學(xué)地 |
操作起來比較復(fù)雜, 不易在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。 |
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設(shè)計作業(yè), 發(fā)展生產(chǎn)和改善勞動條件。在運動領(lǐng) |
本文主要利用紅外熱成像技術(shù)來探討體表溫 |
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域, 測量疲勞可以改善動作、改良運動過程以提高 |
度變化和肌肉疲勞變化的特點, 研究不同負荷( 動 |
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運動績效。然而, 準確可行的測量疲勞的標準和 |
態(tài)、靜態(tài)) 對肌肉疲勞及其表面溫度變動的影響以 |
作者簡介: 許嵩( 1979- ) , 男, 湖南常德人, 管理科學(xué)與工程專業(yè)博士研究生, 研究方向: 人因工程。（（基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究））
人類工效學(xué) 2005 年 12 月第 11 卷第 4 期
及局部肌肉疲勞與其表面溫度變動之間的關(guān)系。（（基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究））
2 試驗原理與設(shè)計
2. 1 試驗原理
本文將 RPE 值的測定與局部肌肉溫度變動 量的測定結(jié)合起來[ 4] 。主觀感覺疲勞評定表 (RPE) 是一種推測運動強度與疲勞的方法( Borg, 1985) , 它是介于心理學(xué)與生理學(xué)之間的一種指
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標[ 5] 。 |
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表 1 |
主觀感覺疲勞等級評定表 |
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RPE 等級值 |
主觀感覺 |
心率( 次/ min) |
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7 |
非常輕松 |
70 |
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9 |
很輕松 |
90 |
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11 |
輕松 |
110 |
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13 |
稍費力 |
130 |
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15 |
費力 |
150 |
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17 |
很費力 |
170 |
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19 |
非常費力 |
\190 |
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人體溫度的測量方法較多, 根據(jù)所用設(shè)備是 否與被測物接觸可以分為接觸式測量方法和非接 觸式測量方法。接觸式方法受到的約束條件較 多, 如皮溫計測量人體體表溫度時[ 6] , 其反應(yīng)時間 較長, 一般不具有實時性。本研究采用的紅外熱 像儀屬于非接觸式測量儀器, 它是根據(jù)物體輻射 出的紅外線來判斷物體溫度高低的, 具有準確性 高、實時性好、測量方便的特點。
2. 2 試驗儀器 試驗使用的主要儀器: 1 工業(yè)檢測型非制冷
焦平面紅外熱像儀( （基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究）) : 用于拍攝實時的紅外圖像, 記錄試驗過程中肌肉表面溫度變化的情況; o啞 鈴: 用于提供負荷; ?錫箔片: 其輻射率與人體輻 射率懸殊很大, 可用作紅外圖像中肌肉部位的定
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位; ? 干濕球濕度儀: 用于測量試驗環(huán)境濕度, 將 環(huán)境濕度控制在某一特定水平。
2. 3 試驗方案與過程 影響紅外熱像儀測量精度的主要因素是空氣
濕度和距離[ 7] 。影響人體皮膚表面溫度的外界因 素主要有空氣溫度和濕度, 皮膚干燥程度以及空 氣流通速度[ 8, 9] 。本文所設(shè)計的試驗方案如表 2 所示。（基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究）
3 試驗結(jié)果
3. 1 動力和靜力負荷下肌肉溫度變化的特點
3. 1. 1 靜力負荷下不同部位的熱效應(yīng)特征曲線 隨著手持靜力負荷時間的增加, 肱二頭肌和
肘關(guān)節(jié)表面溫度都表現(xiàn)出了明顯的上升趨勢( 如 圖 1 所示) , 這說明持續(xù)的靜力負荷可以使肌肉表 面溫度上升。二者區(qū)別在于: 肘關(guān)節(jié)表面溫度在 開始后出現(xiàn)了下降趨勢, 然后才開始回升, 65 s 時 回升到起始水平, 此后迅速攀升, 超過了肱二頭肌 表面溫度。這說明肘關(guān)節(jié)在靜力負荷作用下, 開 始時溫度會有明顯下降, 而肱二頭肌溫度從開始 就慢慢攀升, 逐漸達到*大。
3. 1. 2 動力負荷下不同部位的熱效應(yīng)特征曲線 在動力負荷作用下, 肱二頭肌和肘關(guān)節(jié)表面
溫度都呈現(xiàn)出了鋸齒形變化特征( 如圖 2 所示) 。 特別地, 與試驗前預(yù)想的相反, 在一組訓(xùn)練結(jié)束時 刻, 與初始溫度相比, 溫度不但沒有上升, 反而下 降, 組間休息后溫度上升。溫度變化呈上升趨勢。 肘關(guān)節(jié)表面溫度如靜力訓(xùn)練一樣, 先出現(xiàn)下降趨 勢, 然后回升。動力負荷作用結(jié)束后, 肘關(guān)節(jié)和肱 二頭肌表面溫度繼續(xù)上升, 在結(jié)束后120 s 附近達 到峰值, 與負荷強度相比, 表現(xiàn)出了明顯的滯后
性。這一現(xiàn)象可能與運動的肌肉供血的滯后性有關(guān)[ 8] 。（（基于紅外技術(shù)的局部肌肉疲勞試驗研究））
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表 2 |
試驗設(shè)計方案表 |
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試驗 A |
試驗 B |
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試驗?zāi)康?/span> |
研究靜力負荷下局部肌肉表面溫度和疲勞程度變 研究動力負荷下局部肌肉表面溫度和疲勞程度變 |
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化的特點。 |
化的特點; 研究去除負荷后的肌肉恢復(fù)情況。 |
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基本內(nèi)容 |
單臂彎舉( 靜力訓(xùn)練) 定負荷( 7. 5Kg ) , 每隔 5s 用紅 單臂彎舉( 動力訓(xùn)練) 定負荷( 7. 5Kg) 一組 12 次, |
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外儀測試一次肌肉表面溫度, 每隔 10s 測試 RPE 15s 內(nèi)完成, 4 組練習(xí), 訓(xùn)練前測試一次溫度和 RPE |
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值。訓(xùn)練結(jié)束后跟蹤測試 180s。 |
值, 每組訓(xùn)練結(jié)束時測試一次, 間歇時間 P= 30s。 |
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整個訓(xùn)練結(jié)束后跟蹤測試 180s。 |
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試驗參數(shù) |
時間T |
頻次( G) 、時間( T) |
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樣本容量 |
26 |
20 |
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試驗對象 |
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男性大學(xué)生 |
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控制因素 |
環(huán)境溫度 25 ? 2 e , 空氣相對濕度 45 ? 5% , 室內(nèi)空氣流動速度很慢。 |
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