基于脑机接口与表面肌电的上肢疲劳三维动态评估模型

李昭霖 ,  柴晓珂 ,  戚开诚 ,  单新颖 ,  郭士杰

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2667-2677

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2667-2677 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502832

基于脑机接口与表面肌电的上肢疲劳三维动态评估模型

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Three-dimensional Dynamic Assessment Model for Upper Limb Fatigue Based on Brain-computer Interface and Surface Electromyography

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摘要

针对中枢调控与外周响应的动态耦合机制,提出基于脑机接口训练的上肢多部位肌电疲劳三维评估模型。通过采集30名受试者在四类上肢动作(握拳、屈腕、抬腕、屈肘)中记录的肱桡肌等四通道表面肌电信号,结合疲劳量表-14(fatigue scale-14,FS-14)与共空间模式分类准确率,构建了融合主观感知、外周生理与中枢性能的综合评估体系。研究发现:①时域特征在三个阶段呈现显著性递减(p<0.05),但部分通道存在代偿性增强现象;②时频分析揭示高频能量占比随疲劳进程动态变化,IIb型快肌纤维的优先募集机制得到验证;③熵值法确定主观疲劳、系统性能、外周生理的最优权重,综合疲劳指数在三个阶段呈现显著递增趋势(p<0.01)。研究证实该模型能有效整合多维度疲劳信号,为神经肌肉疲劳的动态监测与康复干预提供了新思路。实验数据表明,运动执行任务较想象任务表现出更高的分类准确率波动性(最大波动达0.13),提示脑机接口系统设计需针对任务类型制定差异化疲劳干预策略。

Abstract

In order to investigate the dynamic coupling mechanism between central regulation and peripheral responses, a three-dimensional electromyography (EMG) fatigue evaluation model for upper limb multi-joint movements was developed using a brain-computer interface (BCI) training approach. Surface EMG signals from four channels, including the brachioradialis muscle, were recorded from 30 participants during four types of upper limb movements (fist clenching, wrist flexion, wrist elevation, and elbow flexion). A comprehensive evaluation system integrating subjective perception, peripheral physiology, and central performance was constructed by combining the fatigue scale-14 (FS-14) subjective fatigue scale with common spatial pattern classification accuracy.The results are as follows. Significant progressive decreases are observed in time-domain features across three stages (p<0.05), although compensatory enhancement is found in specific channels. Dynamic changes in high-frequency energy distribution are demonstrated by time-frequency analysis, which confirms the preferential recruitment mechanism of type IIb fast-twitch muscle fibers. The optimal contributions are determined through entropy-based weighting for subjective fatigue, system performance, and peripheral physiology. The composite fatigue index exhibits significant progressive increases across stages (p<0.01). It is indicated that the model effectively integrates multi-dimensional fatigue signals, providing new insights for dynamic monitoring and rehabilitative interventions in neuromuscular fatigue.Experimental data indicate that greater classification accuracy fluctuations (maximum variation 0.13) are demonstrated in movement execution tasks compared to motor imagery tasks. It is suggested that BCI system designs require task-specific fatigue intervention strategies.

Graphical abstract

关键词

脑机接口 / 表面肌电 / 疲劳评估 / 多维度模型 / 综合疲劳指数

Key words

brain-computer interface (BCI) / surface electromyography (sEMG) / fatigue assessment / multidimensional model / composite fatigue index

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李昭霖, 柴晓珂, 戚开诚, 单新颖, 郭士杰. 基于脑机接口与表面肌电的上肢疲劳三维动态评估模型[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2667-2677 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502832
LI Zhao-lin, CHAI Xiao-ke, QI Kai-cheng, SHAN Xin-ying, GUO Shi-jie. Three-dimensional Dynamic Assessment Model for Upper Limb Fatigue Based on Brain-computer Interface and Surface Electromyography[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2667-2677 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502832

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在中枢神经系统的调控下,骨骼肌通过收缩牵动骨骼绕关节运动,这一过程是人体上肢完成定向动作的基础[1],长期持续的负重运动会引发骨骼肌疲劳的累积效应,导致肌肉力量下降、代谢产物堆积,最终可能诱发肌肉骨骼系统的慢性劳损[2]。
运动疲劳作为神经肌肉系统功能衰退的综合性表征,既是运动医学研究的核心命题,也是脑机接口(brain-computer interface,BCI)系统效能衰减的关键诱因[3]。传统疲劳评估多依赖主观量表(疲劳量表-14)或力学性能测试[4-5],这些方法虽能反映整体疲劳感知,却难以揭示中枢调控与外周响应的动态耦合机制。近年来,人工智能技术的突破推动了多维信号分析发展:Lin等[6]基于BERT(bidirectional encoder representations from transformers)模型实现了跨被试肌电解码,有效提升了个体差异适应性;Yuan等[7]结合表面肌电(surface electromyography,sEMG)与惯性传感器优化了手势识别精度。陈志航等[8]进一步提出跨模态注意力机制,显著提升了脑肌电信号融合解码效果。然而,这些方法仍局限于静态场景,未建立疲劳状态下的动态耦合评估框架。刘光达等[9]近期提出的果蝇-遗传优化神经网络(fruit fly-genrtic optimization algorithm-neural network,FGNN),通过融合智能算法显著提升了肌肉疲劳的分类精度,为动态评估提供了新工具。辛运胜等[10]基于表面肌电实验对挖掘机驾驶员上肢肌肉疲劳的分析,进一步揭示了在实际动态操作环境中肌肉疲劳的特征,为理解复杂任务条件下的疲劳机制提供了重要参考。随着sEMG信号采集技术的突破性进展,研究者得以通过非侵入方式获取运动单元动作电位(motor unit action potential,MUAP)的时空编码特征[11],为解析“脑-脊髓-肌肉”通路的疲劳传导机制提供了全新视角。
近年来,时域分析方法因其计算高效性,被广泛用于局部肌肉负荷评估[12]。Favretto等[13]证实,糖尿病患者的胫骨前肌在等距收缩中均方根(root mean square,RMS)值随时间显著增加,且II型肌纤维比例较高。这表明II型肌纤维募集策略的改变(如早期疲劳)可能导致RMS值的非线性增长。然而,sEMG信号的个体差异性[14-15]以及运动想象(motor imagery,MI)任务中中枢-外周信号传导的异步性[16-18],严重制约了传统时域特征在复杂任务中的普适性。与此同时,频域分析通过中值频率(median frequency,MF)偏移现象揭示了肌肉疲劳的代谢性本质——乳酸堆积导致的肌膜传导速度下降可使MF值每小时衰减[19]。但这一理论难以解释前期研究发现的高频补偿现象,提示现有模型可能低估了中枢神经系统的动态代偿能力。Zhao等[20]通过速度损失量化证实Ⅱ型肌纤维代谢衰退早于慢肌纤维,张雨薇等[21]结合fNIRS技术验证了卒中患者疲劳后期的中枢代谢代偿现象,而Shen等[22]指出BCI系统在长期康复训练中因疲劳累积导致依从性下降,二者共同凸显了中枢代偿机制解析的紧迫性。李伟明等[23]虽开发了肌电反馈闭环康复系统,但未解决BCI系统疲劳衰减问题,为神经肌肉疲劳的动态监测与康复干预提供了新思路。
鉴于此,结合sEMG、ACC(accuracy)和疲劳量表-14(fatigue scale-14,FS-14)构建“sEMG-ACC-FS-14”三维评估模型,首次将多通道肌电信号特征、脑机接口系统性能指标与主观疲劳感知深度关联,通过融合肱桡肌等四通道sEMG的时频域特征与BCI分类准确率的实时衰减规律,结合FS-14量表量化主观疲劳程度,突破了传统单一生理信号分析的局限性。

1 实验材料和方法

1.1 sEMG原始信号采集

肌电信号(electromyography,EMG)是神经肌肉系统在活动过程中产生的生物电变化经电极采集、信号处理后形成的单维度时域电压波形。其中表面肌电信号作为特殊类型,通过体表电极捕捉浅层肌纤维收缩及运动神经传导产生的综合电生理现象,其形成机制涉及多尺度生物电交互作用,呈现出复杂的空间分布特征与时间序列特性[24]。相较于侵入式检测手段,该技术具有无创获取、动态监测优势及多通道同步采集特点,在运动科学领域被广泛应用于量化肌肉活动强度、评估运动单元募集模式及监测运动过程中的疲劳累积情况等研究实践[25]。实验设计包括四项认知任务按测试先后顺序分别为:右侧运动执行(R-ME)、右侧运动想象(R-MI)、左侧运动执行(L-ME)、左侧运动想象(L-MI),每项认知任务包含四类标准上肢动作:握拳、屈腕、抬腕和屈肘,每类动作有30试次,运动执行和运动想象组间休息35 s;每组分为三个阶段(阶段1~阶段3);每个阶段的每类动作有10试次,每个试次持续5 s,试次间休息5 s。所有动作均在坐姿下完成,受试者根据图片提示执行相应动作,确保动作标准化。采用Delsys Trigno无线表面肌电系统,采集肱桡肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌和肱二头肌四通道肌电信号,采样率为2 000 Hz,实验流程图如图1所示。数据采集场景如图2所示。

1.2 sEMG原始数据预处理

在进行sEMG的特征提取之前,需要对采集到的包含一定噪声的原始 sEMG 信号进行预处理,首先通过30~350 Hz带通滤波器消除低频运动伪影与高频环境噪声,采用50 Hz陷波滤波器抑制工频干扰,针对于运动执行信号通过幅值限幅(±0.4 μV)排除极端信号干扰;针对于运动想象信号通过幅值限幅(±0.1 μV)排除极端信号干扰。基于实验范式设定的8组“Trigger-In”事件标记(ID:21~28),以事件触发点为基准截取[+5] s时间窗(10 000采样点)的肌电信号片段。所有处理均通过MATLAB实现,预处理后信号以矩阵形式(通道×时间×试次)存储,为后续时频域特征分析建立标准化数据基础。该预处理方案遵循肌电信号处理规范[26-27],带通范围覆盖肌肉激活特征频段(30~350 Hz),时间窗设置匹配实验任务周期,限幅阈值依据设备噪声水平设定,可有效提升信噪比并保留生理相关成分。

1.3 特征提取

1.3.1 时域特征提取

采用三级递进式时域特征分析框架,具体实现过程如下:

(1)动态矩阵对齐与群体基准构建。针对多被试sEMG信号的个体差异性,提出基于动态行对齐的矩阵融合算法。

①初始化包含m21~m28矩阵的三维结构体容器,构建跨被试数据存储空间。

②通过逐行扫描策略实现30名受试者数据空间对齐,计算公式为

avg_matrix(r,c)=$\frac{1}{N}\sum _{k=1}^{N}$Mk(r,c),
r≤max[rows(Mk)]

式(1)中:Mk为选中的矩阵;r为行索引;c为通道编号;N为有效被试数。

③生成具有群体代表性的基准信号矩阵,消除个体肌电信号幅值偏差。

(2)双重降噪特征计算。为克服sEMG信号的非平稳特性,设计分段-滑动复合特征提取方案。

①初级特征提取:将连续信号划分为10 000样本量非重叠窗口,计算三类经典时域参数。 积分肌电值(integrated electromyogram,iEMG)计算公式为

iEMG=$\sum _{n=1}^{L}\left|x\left(n\right)\right|$

均方根值(root mean square,RMS)计算公式为

RMS=$\sqrt{{\frac{1}{L}\sum _{n=1}^{L}x(n)}^{2}}$

平均绝对值(mean absolute value,MAV)计算公式为

MAV=$\frac{1}{L}\sum _{n=1}^{L}\left|x\left(n\right)\right|$

式中:x(n)为离散信号点;L为窗口长度。

②二级平滑处理:采用10窗口滑动平均滤波器(simple moving average,SMA)对特征序列Fi进行降噪,计算公式为

$\tilde{F}_{k}=\frac{1}{10} \sum_{i=k-9}^{k} F_{i}, \quad k \geqslant 10$

该处理可有效抑制运动伪迹引起的特征序列波动。

选择时域分析作为核心方法主要基于sEMG信号的本质特征:当肌肉发生物理收缩时,运动单元动作电位的同步放电会在时域上形成显著幅值波动。其中,RMS反映信号能量分布特征,MAV表征肌肉激活强度,两者协同工作能有效描述肌肉活动的时空动态特性。这种处理方案特别适用于实际运动场景下的肌力评估、动作识别和疲劳检测等应用需求。

关于运动想象相关特征的取舍问题,着重考虑两类信号的生理学差异:运动想象主要引发大脑皮层的事件相关去同步化现象,其典型特征如运动相关皮层电位(motor-related cortical potentials,MRCP)需通过脑电信号(electroencephalogram,EEG)在毫秒级时间分辨率下捕捉;而sEMG记录的是外周神经系统激活产生的肌纤维动作电位,其时域特征反映的是运动指令执行阶段的肌肉响应。因此,本研究聚焦于物理运动产生的真实肌电特征,与运动想象的神经解码研究形成方法论上的区隔。

1.3.2 时频特征提取

采用改进短时傅里叶变换(short-time Fourier transform,STFT)框架实现表面肌电信号的时频特征提取,其方法创新性和参数优化设计体现在三个维度:在信号预处理阶段,选用500点汉明窗(对应0.25 s时窗)通过其-42 dB旁瓣衰减特性,将频谱泄漏误差抑制在-60 dB以下,较矩形窗提升18 dB信噪比;设置50%重叠率(帧移0.125 s)使重叠补偿系数η=2,经蒙特卡洛模拟验证可使特征方差降低32.7%;采用1 024点FFT将频率分辨率提升至1.95 Hz,满足I/II型肌纤维动作电位(20~400 Hz)的精准分析需求。特征提取层面,构建三重评估体系:中值频率(median frequency,MF)通过累积功率50%阈值检测频谱重心迁移,平均功率频率(mean power frequency,MPF)基于一阶谱矩反映运动单位传导速度衰减,将低频(low frequency,LF)和高频(high frequency,HF)能量比的频段界定为20~100 Hz与100~400 Hz,更精准捕捉IIb型快肌纤维疲劳引起的频谱压缩现象。

1.4 FS-14主观量表量化评估

采用FS-14主观疲劳量表作为主观疲劳评估工具,通过重复性测量研究设计,在每项任务执行完毕后对受试者进行即时疲劳状态采集。该评估工具包含14项标准化陈述语句,其中前8项(1~8题)用于量化躯体疲劳程度,采用1~8分制计分方式;后6项(9~14题)聚焦脑力负荷水平,采用1~6分制评分标准。实验数据采集采用分阶段追踪评估方式,每个任务模块结束后均系统记录受试者的即时疲劳反馈。

在数据分析环节,首先对同组被试在相同实验阶段、相同任务类别及对应疲劳维度的数据进行统计整合。具体处理流程包括:针对躯体疲劳指标,计算受试者在1~8题项上的均值作为评价参数;脑力疲劳指标则通过9~14题项的得分均值确定。完成维度数据提取后,将躯体与脑力疲劳得分相加整合,构建复合型主观疲劳评价体系。最终采用图表可视化工具,将三个实验周期内四类任务模式下的躯体疲劳曲线、脑力疲劳曲线及综合疲劳指数变化趋势以三线折线图形式进行对比呈现。

1.5 双侧运动执行与想象任务的准确率

双侧运动执行与想象任务均采用共空间模式(common spatial pattern,CSP)与支持向量机(support vector machine,SVM)融合的sEMG手部动作分类方法。采用CSP算法提取8维空间特征以增强类间可分性,结合SVM分类器构建动态评估模型。针对肌电信号的时变特性,将数据等分为三个时段(各含5样本/类)分析时间鲁棒性,并采用5折交叉验证确保结果可靠性。通过剔除存在通道缺损的异常数据,构建包含多受试者的数据集,最终以时段序列化存储分类准确率(CSV格式)及趋势可视化实现性能评估。

1.6 FS-14-sEMG-ACC评估模型的构建

为全面量化运动想象脑机接口(MI-BCI)训练中的多模态疲劳特征,构建“FS-14-sEMG-ACC”三维综合评估模型。该模型通过融合主观疲劳感知、外周肌电特征与中枢系统性能衰减,实现了对神经肌肉疲劳的多维度动态监测。

1.6.1 多维度权重分配

基于熵值法确定各维度权重,通过信息熵理论量化指标的信息效用值。具体步骤如下:

(1)数据标准化:对FS-14主观疲劳指数、sEMG主频变化率、准确率衰减率进行min-max归一化处理。

(2)信息熵计算:各指标信息熵计算公式为

Hj=-$\sum _{i=1}^{n}$pijlnpij, j=1,2,3

式(6)中:pij为第j个指标下第i个样本的归一化值占比。

(3)权重确定:指标权重计算公式为

ωj=$\frac{1-{H}_{j}}{\sum _{k=1}^{3}(1-{H}_{k})}$

1.6.2 综合疲劳指数构建

通过多指标加权融合策略,将主观疲劳感知、外周神经肌肉状态与中枢系统效能衰减纳入统一评估框架。构建综合疲劳指数(fatigue index,FI)为

FI=α$\frac{\Delta FS}{F{S}_{1}}$+β$\frac{\Delta ACC}{AC{C}_{1}}$+γ$\frac{\Delta EMG}{EM{G}_{1}}$

式(8)中:α、β、γ分别为三维度权重系数;ΔX(X=FC,ACC,EMG)为当前阶段特征值相对于基线期的绝对变化量;X1为基线值。该模型通过加权融合主观感知、系统性能和外周生理信号,实现疲劳状态的多维度量化表征。

2 试验结果与分析

2.1 时域特征的疲劳分析

根据双侧时域特征分析结果(图3、图4),肌电信号特征值随运动疲劳进程呈现显著的阶段性变化。无论左右侧肢体,均方根(RMS)及平均肌电(MAV)两个指标在阶段3较阶段2均呈现整体性下降趋势,该现象可能与局部肌肉激活抑制效应相关,符合运动单位募集能力下降的疲劳特征。值得注意的是,部分动作的特定通道(如右侧屈腕动作的第2通道、左侧屈肘动作的第4通道)在阶段3呈现信号强度增强现象,这可能源于疲劳累积引发的代偿性肌肉募集机制。此外,阶段2较阶段1的信号强度增幅现象(如左侧握拳动作第3通道、左侧屈肘动作第4通道),可能与动作熟练度提升引发的神经适应性调控相关。值得注意的是,阶段3信号波动表现出更高的不稳定性,这种差异特征提示阶段3已进入深度疲劳状态,符合神经肌肉控制效率下降的典型表现。综合时域分析结果,揭示了从阶段1~阶段3的疲劳进展动态,为量化疲劳状态提供了关键指标依据。

2.2 时频特征的疲劳分析

双侧四通道sEMG时频特征三阶段动态演化图如图5、图6所示。通过对图5和图6中各通道肌电频率特征的对比分析发现,不同通道的肌电信号在频域上呈现显著差异性特征,难以从中辨识出肌电信号频率随时间演变的规律性特征。鉴于此,调整分析策略,重点考察图5、图6所示的时域特征曲线,通过时域能量分布特性辨识不同动作模式对应的主导肌肉通道。在明确各动作特征通道的基础上,继而针对这些关键通道实施时频域联合特征提取,采用短时傅里叶变换方法构建时频分布图谱,以同时捕获肌电信号在时间和频率维度上的动态特性变化规律。

基于时域分析图(图5、图6),结合均方根(RMS)及平均肌电(MAV)特征值,不同动作模式的主导肌电通道辨识如下。

(1)握拳动作:双侧尺侧腕屈肌(通道3)激活显著,右侧RMS峰值达8(左侧8),MAV峰值达6(左侧5.4),显著高于其他通道,符合其作为握拳原动肌的生理功能。

(2)屈腕动作:双侧桡侧腕屈肌(通道2)表现突出,右侧MAV峰值达5(左侧4.4),RMS峰值达6.6(左侧6.6),与其驱动腕屈曲及协同握拳的功能一致。

(3)抬腕动作:双侧肱桡肌(通道1)主导,右侧MAV值(5.3)与左侧RMS值(10)显著高于其他通道,符合肱桡肌克服手部重力的功能。

(4)屈肘动作:双侧肱二头肌(通道4)激活显著,右侧RMS峰值达8(左侧6.4),MAV值达到6.1(左侧4.8),符合其作为屈肘原动肌的生理功能。

双侧四动作主导肌肉通道EMG主频三阶段演化图如图7所示。

如图7所示,基于双侧主导肌肉通道的时频特征分析发现,双侧四动作的运动执行(ME)与运动想象(MI)任务在阶段演变中呈现出较大的主频波动。在左右侧肢体共同参与的四种动作类型中,有相当一部分的运动执行任务表现出阶段3的肌电信号主频显著高于阶段1的现象,这可能反映了中枢神经系统在持续运动任务中通过高频运动单元募集补偿性激活的疲劳对抗机制[20]。该结果表明,不同任务模式下的肌肉疲劳既存在特异性代偿策略,又具有通过高频神经驱动增强维持运动功能的共性特征,为运动疲劳的客观评估提供了基于时频特征的量化依据。

2.3 FS-14主观量表量化评估

如图8所示,基于FS-14躯体疲劳(1~8题)与脑力疲劳(9~14题)两个维度的FS-14量表系统性分析表明,随着实验阶段的增加,主观疲劳程度均有显著提升。其中R-MI和L-MI组的疲劳评分较高,结合实验流程表明在实验后期的疲劳程度有显著提升。

2.4 双侧运动执行与想象任务的准确率波动的疲劳分析

如图9所示为四项认知任务(R-ME、 R-MI、L-ME、L-MI)的准确率动态特征,基于三个阶段(阶段1~3)的纵向比较,所有任务在阶段3的准确率较阶段1均呈现显著下降趋势。值得注意的是,左右侧MI任务展现出较高的准确率稳定性(阶段间波动<±0.05),而ME类任务(L-ME/R-ME)则表现出较大的波动幅度(最大波动达0.13)。

2.5 FS-14-sEMG-ACC模型疲劳评估与分析

通过熵值法计算出的主观疲劳(FS-14)、系统性能(ACC)和外周生理(EMG)的权重分别为37.7%、36.6%、25.6%,如图10(a)所示,该权重分配体现了主观感知与系统性能的强关联性,同时兼顾外周生理信号的生物学意义。通过该模型计算得到的综合疲劳指数在三个阶段呈现显著递增趋势(p<0.01),且与运动执行任务的ACC波动幅度呈强正相关(r=0.78),证实了模型对多模态疲劳信号的整合能力。如图10(b)所示为多维分析结果,揭示了主观疲劳、系统性能与外周生理信号在疲劳进程中的动态耦合关系。

3 讨论

提出的“sEMG-ACC-FS-14”三维度评估模型,突破了传统疲劳评估中单一信号或主观量表的局限性。相较于Favretto等[13]基于时域特征的单维度分析方法,本研究突破传统单一信号分析的局限性,实现主观感知、外周生理与中枢性能的协同评估,揭示了主观疲劳、系统性能与外周生理信号在疲劳进程中的动态耦合关系。

传统频域理论认为乳酸堆积导致主频率下降[28],而本文研究发现相当一部分的动作在第三阶段(阶段3)呈现主频升高的代偿现象,提示现有模型可能低估了中枢神经系统通过高频运动单元募集对抗疲劳的调控能力。

时域特征(RMS/MAV)的三阶段递减规律与外周运动单位募集能力衰减直接相关,符合骨骼肌力-疲劳曲线的经典特征。而阶段3部分通道信号强度的代偿性增强,可能源于脊髓α运动神经元的适应性调控,即通过激活备用运动单元维持动作输出[29-30]。表明疲劳不仅是外周代谢产物的累积结果,更是中枢神经资源动态再分配的过程。此外,时频分析中高频成分的补偿性升高,可能与IIb型快肌纤维的优先募集相关,这种策略虽可短暂提升输出功率,但可能加速能量耗竭并增加损伤风险。

运动执行(ME)任务较运动想象(MI)任务表现出更高的分类准确率波动性,这一现象可从生物力学与神经调控双重视角解释:一方面,ME涉及实际肌肉收缩与关节运动,其信号变异受肌梭反馈与生物力学负荷的实时影响[31-32];另一方面,MI主要依赖中枢运动皮层的激活模式[33-34],信号源相对稳定。运动想象(MI)任务较运动执行(ME)任务表现出更高的分类准确率波动性,可能因为CSP方法更多的是时空特征,更适用于运动想象任务。这种差异提示,在BCI系统设计中需针对任务类型制定差异化的疲劳干预策略,对于ME任务应重点监测外周肌肉协同效率,而MI任务需关注中枢神经资源的可持续性。

虽然本文研究提出的多模态评估体系已取得初步成效,但在实际应用中仍存在三方面不足:首先,所纳入的标准上肢动作仅覆盖基础功能场景,后续研究需构建包含多关节协同运动的复杂任务范式;其次,现有检测手段在信号采集维度存在局限性,表面肌电监测难以穿透皮下脂肪层完整捕捉深层肌肉的协同激活特征;再者,传统评估工具存在反馈延迟现象,量表评分无法实时匹配生理指标的动态变化。针对这些问题,建议在后续研究中构建多模态生理信号融合平台,重点探索高密度sEMG与功能性近红外光谱技术的集成应用,通过多尺度数据采集实现肌肉活动与脑区氧代谢的实时交互机制。同时可引入自适应机器学习模型,构建基于闭环反馈的疲劳状态动态追踪系统,从而提升评估体系的时效性与准确性。

本文研究为BCI训练提供了可量化的疲劳干预依据:时域特征的三阶段衰减规律可用于设定外周疲劳预警阈值,而高频代偿现象可指导中枢神经资源的阶段性调控。在康复医学领域,该模型有望优化卒中患者的运动再学习方案,通过监测代偿性肌肉激活模式,可及时纠正异常运动模式,避免继发性损伤。此外,分类准确率与主观疲劳的关联分析,为开发“人机协同”的抗疲劳BCI系统奠定了理论基础。

4 结论

通过构建“脑机接口-表面肌电-FS-14量表”三维评估模型,系统揭示了上肢多部位肌电疲劳的动态演变规律。实验数据表明:

(1)时域特征(RMS/MAV)在疲劳进程中呈现阶段性递减趋势,与外周运动单位募集能力衰减直接相关。

(2)时频分析发现高频成分代偿性升高现象,提示中枢神经系统可通过高频运动单元募集对抗疲劳。

(3)主观疲劳感知与系统性能衰减存在强关联性,综合疲劳指数与运动执行任务准确率波动呈显著正相关(r=0.78)。

将生物力学特征与认知行为指标深度融合,为神经肌肉疲劳的动态监测提供了多模态评估框架。该模型在康复医学领域具有潜在应用价值,可为脑机接口系统抗疲劳优化及卒中患者运动再学习方案制定提供科学依据。未来研究需拓展多关节协同运动场景,并探索实时生理-心理耦合评估算法。

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基金资助

中央引导地方科技发展资金(236Z1814G)

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