基于红外热成像技术的局部肌肉疲劳试验研究
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人类工效学 |
2005 年 12 月第 11 卷第 4 期 |
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文章编号: 1006- 8309( 2005) 04-030-04 |
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#技术与方法# |
基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究
许嵩1, 王丽萍2
( 1. 清华大学工业工程系, 北京 100084;
1. 西安交通大学管理学院工业工程系, 陕西西安 710049)
摘要: 为研究肌肉疲劳与人体温度变化之间的关系, 探讨皮肤温度变化作为人体肌肉疲劳衡量指标的可 能性。借助红外热成像技术观测并分析了肱二头肌和肘关节在不同负荷作用时其表面温度变化的特点。结 果表明: 在条件严格控制下, 利用红外技术能够探测人体肌肉的疲劳; 体表温度的变化与主观疲劳感觉等级 ( RPE) 值具有较高相关性, 体表温度的变化可作为衡量肌肉疲劳的参考依据之一; 但由于体表温度和疲劳感 受不同步, 将温度作为**衡量疲劳程度的指标是不够准确的。
关键词: 肌肉疲劳; 主观疲劳感觉等级; 红外热成像技术; 疲劳的测量
中图分类号:T B18 文献标识码: A（基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究）
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 |
系统尚未建立。目前测量疲劳的方法大都是针对 |
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疲劳分为生理疲劳和心理疲劳。本文所研究 |
与疲劳相关的某些指标进行测量, 如心率、*大摄 |
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的疲劳限定在生理疲劳范畴。早期的研究者将疲 |
氧量、尿液中儿茶酚胺的检验、血液钙离子浓度检 |
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劳定义为/ 运动持续一段时间后, 机体不能维持原 |
验、工作绩效的降低、出错率的增加、工作态度的 |
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强度工作[ 1] 0。1982 年第五届国际运动生物化学 |
改变、主观感觉疲劳等级( Rate of Perceived Exer- |
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会议明确提出疲劳是/ 机体生理过程不能持续其 |
tion, RPE) , 肌电图分析[ 2] 等。归纳起来有以下几 |
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机能在一特定水平上和/ 或不能维持预定的运动 |
类: 人体生理指标测定法、化学成分分析法、间接 |
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强度0。 |
认知测量法、主观感觉测量法[ 3] 。大部分的方法 |
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在工业领域中, 测量疲劳有助于更加科学地 |
操作起来比较复杂, 不易在生产现场使用。 |
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设计作业, 发展生产和改善劳动条件。在运动领 |
本文主要利用红外热成像技术来探讨体表温 |
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域, 测量疲劳可以改善动作、改良运动过程以提高 |
度变化和肌肉疲劳变化的特点, 研究不同负荷( 动 |
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运动绩效。然而, 准确可行的测量疲劳的标准和 |
态、静态) 对肌肉疲劳及其表面温度变动的影响以 |
作者简介: 许嵩( 1979- ) , 男, 湖南常德人, 管理科学与工程专业博士研究生, 研究方向: 人因工程。（（基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究））
人类工效学 2005 年 12 月第 11 卷第 4 期
及局部肌肉疲劳与其表面温度变动之间的关系。（（基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究））
2 试验原理与设计
2. 1 试验原理
本文将 RPE 值的测定与局部肌肉温度变动 量的测定结合起来[ 4] 。主观感觉疲劳评定表 (RPE) 是一种推测运动强度与疲劳的方法( Borg, 1985) , 它是介于心理学与生理学之间的一种指
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标[ 5] 。 |
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表 1 |
主观感觉疲劳等级评定表 |
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RPE 等级值 |
主观感觉 |
心率( 次/ min) |
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7 |
非常轻松 |
70 |
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9 |
很轻松 |
90 |
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11 |
轻松 |
110 |
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13 |
稍费力 |
130 |
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15 |
费力 |
150 |
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17 |
很费力 |
170 |
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19 |
非常费力 |
\190 |
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人体温度的测量方法较多, 根据所用设备是 否与被测物接触可以分为接触式测量方法和非接 触式测量方法。接触式方法受到的约束条件较 多, 如皮温计测量人体体表温度时[ 6] , 其反应时间 较长, 一般不具有实时性。本研究采用的红外热 像仪属于非接触式测量仪器, 它是根据物体辐射 出的红外线来判断物体温度高低的, 具有准确性 高、实时性好、测量方便的特点。
2. 2 试验仪器 试验使用的主要仪器: ¹ 工业检测型非制冷
焦平面红外热像仪( （基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究）) : 用于拍摄实时的红外图像, 记录试验过程中肌肉表面温度变化的情况; º哑 铃: 用于提供负荷; »锡箔片: 其辐射率与人体辐 射率悬殊很大, 可用作红外图像中肌肉部位的定
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位; ¼ 干湿球湿度仪: 用于测量试验环境湿度, 将 环境湿度控制在某一特定水平。
2. 3 试验方案与过程 影响红外热像仪测量精度的主要因素是空气
湿度和距离[ 7] 。影响人体皮肤表面温度的外界因 素主要有空气温度和湿度, 皮肤干燥程度以及空 气流通速度[ 8, 9] 。本文所设计的试验方案如表 2 所示。（基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究）
3 试验结果
3. 1 动力和静力负荷下肌肉温度变化的特点
3. 1. 1 静力负荷下不同部位的热效应特征曲线 随着手持静力负荷时间的增加, 肱二头肌和
肘关节表面温度都表现出了明显的上升趋势( 如 图 1 所示) , 这说明持续的静力负荷可以使肌肉表 面温度上升。二者区别在于: 肘关节表面温度在 开始后出现了下降趋势, 然后才开始回升, 65 s 时 回升到起始水平, 此后迅速攀升, 超过了肱二头肌 表面温度。这说明肘关节在静力负荷作用下, 开 始时温度会有明显下降, 而肱二头肌温度从开始 就慢慢攀升, 逐渐达到*大。
3. 1. 2 动力负荷下不同部位的热效应特征曲线 在动力负荷作用下, 肱二头肌和肘关节表面
温度都呈现出了锯齿形变化特征( 如图 2 所示) 。 特别地, 与试验前预想的相反, 在一组训练结束时 刻, 与初始温度相比, 温度不但没有上升, 反而下 降, 组间休息后温度上升。温度变化呈上升趋势。 肘关节表面温度如静力训练一样, 先出现下降趋 势, 然后回升。动力负荷作用结束后, 肘关节和肱 二头肌表面温度继续上升, 在结束后120 s 附近达 到峰值, 与负荷强度相比, 表现出了明显的滞后
性。这一现象可能与运动的肌肉供血的滞后性有关[ 8] 。（（基于红外技术的局部肌肉疲劳试验研究））
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表 2 |
试验设计方案表 |
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试验 A |
试验 B |
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试验目的 |
研究静力负荷下局部肌肉表面温度和疲劳程度变 研究动力负荷下局部肌肉表面温度和疲劳程度变 |
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化的特点。 |
化的特点; 研究去除负荷后的肌肉恢复情况。 |
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基本内容 |
单臂弯举( 静力训练) 定负荷( 7. 5Kg ) , 每隔 5s 用红 单臂弯举( 动力训练) 定负荷( 7. 5Kg) 一组 12 次, |
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外仪测试一次肌肉表面温度, 每隔 10s 测试 RPE 15s 内完成, 4 组练习, 训练前测试一次温度和 RPE |
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值。训练结束后跟踪测试 180s。 |
值, 每组训练结束时测试一次, 间歇时间 P= 30s。 |
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整个训练结束后跟踪测试 180s。 |
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试验参数 |
时间T |
频次( G) 、时间( T) |
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样本容量 |
26 |
20 |
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试验对象 |
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男性大学生 |
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控制因素 |
环境温度 25 ? 2 e , 空气相对湿度 45 ? 5% , 室内空气流动速度很慢。 |
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