手臂肌肉疲劳状态下笔迹特征初探

赵森 林宣豫

1. 浙江警察学院 2. 浙江省温州市平阳县公安局

引言

运动性肌肉疲劳指的是运动引起肌肉产生最大收缩力量或者最大输出功率暂时性下降的生理现象，而肌肉表面的肌电信号（Surface electromyography, sEMG）是伴随着肌肉收缩而产生的，其蕴含着肌肉运动的许多信息[1]。十九世纪六十年代初期，Duois Reymond首次检测到人体肌肉收缩时能产生电信号[2]。以肌肉表面肌电信号研究肌肉功能特性，这种方法对肌肉是不具有伤害性的[3]，因此采用这种方法研究疲劳状态下手臂肌肉产生的肌电信号变化可操作性强，并有着重要的现实意义。

书写人的书写活动是由大脑皮层的书写运动中枢以及周围的神经系统支配肩、臂、肘、腕、指等肌肉运动来实现的，所以神经系统与书写器官是书写运动赖以存在的物质基础[4]。本文对手臂肌肉疲劳状态下笔迹特征进行了实验研究，运用生理学相关知识将手臂肌肉的疲劳度进行量化，让被试者在不同的肌肉疲劳状态下进行书写活动，最后对笔迹特征的科学规律进行总结[5]，旨在拓宽肌肉疲劳程度应用研究，也为公安工作中类似案件中的笔迹鉴定提供实验指导和理论依据[6]。

一、实验原理

本次实验采用的是德国BIOPAC公司生产的BIOPAC多导（16道）生理记录仪，同时运用计算机中的Acqknowledge5.0软件，对提取的肌肉表面的肌电信号进行频域分析。当肌肉产生一定疲劳感时，人体产生力量的能力就会逐渐降低，并且进行持续疲劳性活动时肌肉的生理和生化特性将发生改变，从而导致表面肌电信号发生相应的变化，同时肌肉疲劳过后产生的最大收缩力量或者最大输出功率将会暂时性下降。在现阶段主要运用时域分析法和频域分析法这两种方法对表面肌电信号进行深入研究[7]。

人们在从事书写运动时，单就指、腕部的运动就有四十多条肌肉和肌腱在协调伸缩，除此之外肩、上臂的骨骼和肌腱都会参与活动。因此，介于手臂肌肉和肌腱的协调伸缩与书写人书写活动的密切关系，可见手臂肌肉的生理变化会对书写活动造成一定影响[8]。因此，应用记录仪进行肌肉疲劳程度的测量，同时在相应疲劳程度下进行书写活动，可以直观反映出相应疲劳程度下的笔迹特征变化，通过实验得到的数据和对笔迹特征变化的分析对于公安实战有较高的应用价值。

二、实验部分

（一）实验器材

MP150多导生理参数记录仪（德国BIOPAC公司）、Ag-AgCl 表面电极片若干、75%浓度医用酒精、BNEL45-LEAD3电极导连线、酒精棉球、放大镜。

（二）研究对象

15名健康男性和5名健康女性，该20名志愿者的上肢没有出现组织挫伤、运动损伤等影响运动功能的伤病，这些志愿者近期没有做过十分剧烈的运动，在实验开始之前均无肌肉疲劳感觉。在实验工作人员的细心指导下，所有志愿者认真阅读了本次实验的实验方案，工作人员对实验过程进行详细讲述后，志愿者都愿意参与本次实验。

（三）实验操作流程

实验操作流程见图1。

皮肤处理：在室温为25℃的实验室里，用75%的医用酒精对安放表面电极位置以及附近位置的皮肤进行反复擦拭，以清除皮肤外表面的油脂和角质层，降低阻抗，以免影响实验结果。

电极位置：正负极电极片贴在肱三头肌表面，保持正负电极之间相距2cm，参考电极贴在尺骨茎突手腕肌肉较少的部位。

（四）实验内容

记录基本信息和形态学指标：记录受试的 15名男志愿者和5名女志愿者的姓名、年龄、练习俯卧撑时间等基本情况，测量和记录受试志愿者的身高、体重形态指标。选择夹臂俯卧撑作为被试者的实验动作，告知被试者夹臂俯卧撑的动作要领，实验前先做好预实验，得到20名被试者一次性最多做夹臂俯卧撑的个数[9]。

在工作人员的保护下，让受试者做好开始测数据的准备。先用MP150多导生理参数记录仪测一组静息态下的空白表面肌电信号数据，然后给被试者分发实验材料，让被试者抄写给定的文字材料，要求书写人使用中性黑色水笔进行书写，保持正常书写坐姿，不刻意提高或者降低书写速度。发放的书写材料如图2和图3所示。

让每一个被试者进行俯卧撑之前在正常情况下进行抄写，得到第一份书写材料；之后让受试者开始做夹臂俯卧撑，截取出现轻度疲劳感的肌电信号图，同时给被试者发放抄写材料，让被试者进行第二次抄写；最后，截取极度疲劳状态下的肌电信号图，同时给被试者发放抄写材料，让被试者进行第三次抄写，一位被试者在三个不同的时期抄写三份材料，直到所有的被试者都完成疲劳试验和抄写实验。

一名被试者提供一份正常状态下的笔迹、轻度疲劳状态下的笔迹和重度疲劳状态下的笔迹，一共有20名被试者，则得到60组笔迹。同时，工作人员从一个被试者身上共测得3组sEMG信号，有20名被试者，则得到60组sEMG数据。同时，一名被试者在三个时期一共抄写了3份材料，20名被试者一共有60份样本材料。

三、实验结果与讨论

（一）数据处理

将每个被试者的sEMG数据进行截取，截取被试者出现轻度疲劳时所做三个夹臂俯卧撑的波段图像，截取被试者出现极度疲劳时所做三个夹臂俯卧撑的波段图像，再加上之前的空白对照组，一共有三组，分别定义为疲劳前期组、轻度疲劳组和疲劳后期组。

对产生的sEMG信号主要采用时域分析法和频域分析法这两种方法。本次实验将运用频域分析法对肌电信号进行深入分析，将sEMG进行快速傅立叶转换获得肌电信号的频谱，运用肌电图（Electromyography）中抗噪声干扰方面表现更加优良的中位频率的指标进行数据分析，从而定量刻画肌电信号频谱的特征。

研究证明，肌电信号的频率一般在0Hz到500Hz，主频在50Hz到150Hz之间，人体肌肉外表面的肌电信号比较微弱，做实验所采取的肌电放大器的频率范围一般设置在10Hz到500Hz。经过前期的预实验，得知干扰信号的范围在10Hz到60Hz。在信号采集初期，过程中存在着电磁干扰仪器设备自身的干扰信号，这给实验带来了很大的不稳定性[3]。为了去除干扰，本次实验使用Acqknowledge5.0软件中的信号干扰去除技术，对原始信号进行平滑去噪音处理，再采取肌电图中在抗噪声干扰方面表现更加优良的中位频率值，得到疲劳前期的肌电图，如图4所示。

运用Acqknowledge5.0软件中的频域分析技术，对肌电信号图进行数字化分析，得到平均功率频率（Mean Power Frequency，MPF）与中位频率（Median Frequency，MF），再将数据图像化显示在图像中，如图5所示。

运用同样的方法，让被试者开始做夹臂俯卧撑，得到一系列肌电信号图，截取被试者做了9、10、11个夹臂俯卧撑的三个波段图像，如图6所示。

运用Acqknowledge5.0软件中的频域分析技术，对肌电信号图进行数字化分析，分别得到不同时段肌电信号的中位频率值和平均功率频率值，再将数据图像化显示在图像中，如图7所示。

运用BIOPAC多导（16道）生理记录仪采集被试者的手臂肌电信号，同步到计算机的Acqknowledge5.0软件中，再对原始信号进行平滑去噪音处理，得到被试者重度疲劳的肌电图，如图8所示。

运用Acqknowledge5.0软件中的频域分析技术，对肌电信号图进行数字化分析，分别得到不同时段肌电信号的中位频率值和平均功率频率值，再将数据图像化显示在图像中，如图9所示。

根据上述图像内容，得知随着被试者做夹臂俯卧撑，肌电信号也随之改变，肌电信号的变化具有同时性。肌电信号在图像中有正负两个方向，将得到的肌电信号取绝对值，分别提取疲劳前期、轻度疲劳和重度疲劳状态下做夹臂俯卧撑的肌电信号图，分别观察可以发现：被试者所处的疲劳程度不同，肌电信号图中的表面肌电信号的峰值会不同，重度疲劳的肌电信号的幅度值比轻度疲劳的幅度值大。

（二）MF数值的变化情况

中位频率（Median Frequency）生物学或医学上简称“MF”，是表面肌电信号进行快速傅立叶转换（fastfouriertrance-lation，FFT）获得的信号频谱。研究证实，当被试者接受运动任务，肌肉疲劳感产生，肌电信号频率会出现降低的趋势，中位频率的数值能充分显示在被试者疲劳程度逐渐加重后sEMG随频率发生改变的情况，因此中位频率是判定运动性肌疲劳发生的重要指标之一[2]。

根据实验数据分析发现，被试者在疲劳前期中位频率基本保持稳定状态，数值没有太大幅度的变化。在被试者进行夹臂俯卧撑的过程中，中位频率开始发生变化。将频域分析技术得到的数据进行进一步分析，用office软件将数据转化为折线图，如图10所示。

从图10的折线图中得知：（1）疲劳前期的中位频率的数值基本保持稳定状态；（2）在 2至3秒、5至6秒、8至9秒三个阶段，也就是被试者进行疲劳任务的过程，达到重度疲劳时，被试者的中位频率数值要明显低于轻度疲劳的数值；（3）重度疲劳和轻度疲劳的折线出现峰值是因为当时被试者手臂处于短暂的放松状态。

经过实验数据的采集和分析，得出前20名志愿者三个时期肌电信号的中位频率值。将20名志愿者三个不同时期的中位频率数值罗列在数据表中，分别求出志愿者在疲劳前期、轻度疲劳和重度疲劳下的中位频率数值的平均值，得到的数值后再与正常数值进行比较得出结论，如表1。

从实验所得数据中得知：虽然志愿者做夹臂俯卧撑的能力不同、达到不同疲劳度所做的夹臂俯卧撑的个数不同，但是在相同的疲劳度下，中位频率的数值相近。可以运用手臂肌肉表面的肌电信号初步量化手臂肌肉疲劳度，为研究手臂肌肉疲劳状态下的笔迹特征变化奠定了基础。

（三）笔迹特征的变化

通过对收集的手臂肌肉疲劳状态下的笔迹与书写人正常情况下书写的笔迹进行分析比较，发现手臂肌肉产生疲劳后书写人书写活动受到相应的影响，手臂肌肉疲劳下的笔迹特征与正常情况下不同，而且随着手臂肌肉的疲劳度增加，笔迹变化特征更加明显。本次实验收集了20份书写材料，分为正常组、轻度疲劳组、重度疲劳组三个时期，经过对多组笔迹样本进行分析发现笔迹特征的变化情况。

1. 笔迹出现抖动弯曲

手臂肌肉产生疲劳之后，大脑支配手臂的能力有所减弱，平衡感意识淡化，书写时容易出现抖动弯曲现象。在复写纸的作用下，发现在疲劳的状态下书写活动进行了一段时间之后，书写人的书写力度有增大的趋势。因为书写人手臂肌肉疲劳之后，书写时发现进行书写活动较为困难，为了完成书写任务，会更加集中注意力，刻意加大书写力度，而且随着手臂肌肉疲劳度增加，书写笔力越重，此时书写笔迹的轮廓更加生硬，见图11～19。

2. 部分字体发生倾斜

书写者手臂肌肉产生疲劳感之后，书写者不能按照正常情况下保持横平竖直的书写状态，部分字体在书写过程中会因为抖动而出现向不同的方向或者向同一方向扭曲的痕迹，字体也发生倾斜，见图20～28。

3. 连笔增多，局部笔画被省略

经过仔细观察发现，手臂肌肉疲劳之后书写活动中连笔的情况比正常情况下更加普遍，单个字局部笔画被省略，见图29～37。

4. 字间距发生改变

从样本的整体层面观察发现，材料中字与字的间距也发生一定的改变。随着手臂肌肉疲劳度的增加，字与字的间距有增大的趋势，书写人进行了疲劳实验之后再完成书写任务就显得较为艰难，不仅书写的字体普遍有增大趋势，字与字的间距也有增大的趋势，如图38～40所示。

5. 标点符号

标点符号也是笔迹检验的要点，其能反应出书写者的文化水平，但是随着手臂肌肉疲劳度加重，尽管字和符号之间的间距有一定程度的变化，但是书写者对标点符号的使用还是有十分明确的认知，不会出现乱加标点符号或者不用标点符号的情况。

6. 笔顺

笔画的先后顺序可以反应出书写人的书写习惯，书写人进行书写活动时，字的笔画先后顺序基本不会发生改变。即使书写者进行了多次疲劳性实验，在手臂轻度疲劳状态下字的偏旁之间的搭配和笔画顺序也不会发生明显改变。重度疲劳下，字的笔画特征和顺序都不会发生改变。

四、结语

在肌肉疲劳程度的生理研究中，国内通过肌电信号测量肌肉疲劳度的研究才初步成型。很少有专业人员将其与司法领域中的笔迹特征情况相互结合研究，而将疲劳度进行深入量化研究考查笔迹特征的变化更是少之又少。这次实验科学且详细地展现了手臂肌肉疲劳状态下笔迹特征的变化规律，希望能给类似研究提供可供借鉴的实验数据。本次实验中对疲劳度量化和对笔迹特征变化系统的研究拓展了肌肉疲劳程度研究范围，也将会给笔迹鉴定工作带来一些启示。