本文研究了快速制動條件下頸部肌肉的主動力特性，可為減少艦載機攔阻著艦時飛行員頸部損傷提供理論支撐。通過開展模擬快速制動條件下的靜態加載和實車制動實驗，采集受試者頭頸部運動狀態和頸部肌肉肌電信號，分析頸部肌肉主動力響應特點。結果發現頸部肌肉預緊時頭頸部前屈時間推遲、幅度減小；頸部在極限位置持續時間減少，向座椅方向恢復更快；斜方肌比胸鎖乳突肌肌電信號更高，可能發揮了更大作用。上述結果提示飛行員在實際制動飛行中可通過預緊頸部肌肉以降低頸部損傷，可以考慮設計頸部肌肉預緊相關裝具。
引用本文： 袁曉霞, 李凡, 雷康, 劉秋紅. 快速制動條件下頸部肌肉主動力特性研究. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(4): 676-682. doi: 10.7507/1001-5515.202301020 復制
0 引言
快速制動工況是指交通工具以極高的制動加速度進行減速的特殊行駛工況。快速制動工況常見于以航天器、飛行器、F1方程式賽車等為代表的高速交通工具制動過程以及道路機動車的緊急制動場景之中。在快速制動工況下，特別是在軀干受到防護裝置（如安全帶、彈性繩索、安全壓桿等）的束縛而頭頸部不受限時，在慣性作用下頭頸部會發生甩鞭效應，從而可能對乘員的頸部組織造成損傷。特殊作業人群佩戴頭盔時，頸部受損傷的風險顯著增大。典型的就是航母艦載機的攔阻著艦，是在高速進近狀態下通過阻攔索，在2 s左右將速度從230 km/h降至0，X軸向的加速度可達2～3 g。在此過程中，飛行員的軀體由于安全帶的束縛被固定在座椅上，而頭頸部未受防護裝置約束隨慣性力向前彎曲，加之頭盔重量的影響，易造成頸椎過度前屈[1-4]。反復的水平加速度暴露會造成椎間盤退變和椎間盤突出等癥狀。據美軍資料，艦載機飛行員頸痛傷發生率極高，如美太平洋艦隊F/A-18艦載戰斗機飛行人員中74％報告有以頸部疼痛為首發癥狀的頭頸部損傷發生，并且因此導致的臨時停飛時間平均為3個飛行日，嚴重影響了正常的飛行訓練[5]。
快速制動工況易造成乘員頭頸部損傷，因此相關機制和防護措施研究一直是熱點。過去，利用尸體進行這方面的生物力學研究是比較普遍的手段，但尸體實驗由于普遍存在的缺失身體機能以及缺少肌肉主動收縮力及肺部和血液壓力，并不適用于人主動力相關的生物力學和生理學響應研究[6-8]。動物實驗由于實驗對象配合性差，進行有創或外力干預實驗時需進行麻醉，同樣不適用于主動力相關的生物力學和生理學試驗[9-11]。近年來，利用模擬仿真技術研究生物力學響應成為應用較多的方法。比如，利用人的頭頸部座椅和背帶系統混合結構模型有限元來研究艦載機攔阻著艦中的頸部生物力學效應，并開展損傷風險預測和評估[12-14]。
但是，不管是尸體實驗、動物實驗，還是仿真實驗，都不能準確反映快速制動過程中頸部肌肉的主動力特性。因此，采用真人試驗仍然是進行相關研究的必要手段。考慮到安全性和倫理限制，真人受試者不能進行大載荷的暴露，必須在保證安全的前提下開展類似研究。因此，本文采用實車制動模擬快速制動條件，通過采集受試者頭頸部運動狀態和頸部肌肉肌電信號（electromyography，EMG），分析頸部肌肉主動力響應特點，從效應上探討艦載機攔阻著艦等類似快速制動工況下頸部肌肉的主動力特性。
1 研究對象與方法
1.1 設備與人員
EMG采集設備為美國BIOPAC公司生產的MP150型生理記錄儀，EMG測試使用EMG 100C型放大器。靜態加載實驗使用的測力設備為美國雙杰公司生產的管型彈簧測力計。實車制動實驗使用的測試車輛為凱迪拉克CT6，使用大疆Pocket 2云臺相機跟蹤拍攝制動過程中受試者的動態響應。招募3名健康男性受試者，平均身高169.3 cm，平均體重63 kg，平均年齡23周歲；過去一年內均無頸部損傷經歷及任何慢性頸部骨骼疾病。
測試時，在專業外科醫生的指導下采集頸部體表左右胸鎖乳突肌及斜方肌的EMG（見圖1）。電極布置方法參考鄭則廣等[15]的表面電極記錄法。通過采集的EMG分析肌肉激活特性、程度，研究不同運動狀態下肌肉的參與情況。所有受試者均知情同意，且本研究通過倫理審查。
圖1
胸鎖乳突肌與斜方肌電極貼片示意
Figure1.
Electrode patch for sternocleidomastoid muscle and trapezius muscle
1.2 靜態加載實驗
通過靜態加載實驗可以確定受試者頸部肌肉主動收縮力（Fm）和EMG之間的關系。在測試開始前，指導受試者進行5 min頸部熱身，包括頸椎的前后縱向轉動及左右橫向轉動，確定無異樣后開始測試。
受試者佩戴EMG采集設備，端坐于座椅上，并佩戴約束裝置以固定其軀干部分，只保留頭頸部的運動自由度。受試者通過編織頭帶對一個高精度彈簧測力計施加力來測量頸部肌肉的力量。準備階段，受試者以放松姿態坐立，調整與測力計相連的頭帶位置，使之位于受試者眉毛上方。聽到指令后，受試者盡可能向前方用力拉伸頭帶，并在極限位置保持，讀出此時的彈簧測力計讀數，記為頸部最大主動收縮力（FMVC），記錄此時輸出的EMG峰值及峰值持續時間，以便分析快速制動條件下肌肉激活度過平臺期的時間。接著，受試者放松，休息恢復后，再度拉伸彈簧，輸出較上一組少FMVC/10的力并盡可能維持，繼續記錄每組測試輸出的EMG峰值及持續時間。上述過程共重復10次，每次測試間隔1～2 min，以防止肌肉疲勞。
結束前屈實驗后，調節座椅方向，繼續重復上述步驟以測試頸部后伸時的FMVC。每個受試者分別在相隔2天的2個工作日進行獨立實驗。
1.3 實車制動實驗
實車制動實驗是研究快速制動條件下頸部肌肉主動力特性的有效方法。受試者佩戴EMG采集設備坐在實車副駕駛位置，要求其背部緊靠座椅后背，并調節座椅傾角為22°，臀部向座椅內部坐實，大臂自然下垂，并將雙手放置在大腿上部，直視前方并使法蘭克福平面保持水平。測試前，受試者保持坐立靜止狀態。接著，按是否佩戴頭盔和是否預緊頸部肌肉進行4次實車制動實驗（見表1）。
表1
實車制動實驗類別
Table1.
Category of real vehicle braking test
確認受試者準備就緒后，駕駛員將車輛啟動并加速至60 km/h，并在道路指定位置踩下制動踏板至全行程進行全制動減速，直至車速為0。在踩下制動踏板的同時采集EMG，記錄整個制動過程中左右胸鎖乳突肌及斜方肌的EMG。每次實驗間隔10 min，供測試車輛剎車盤散熱及受試者休息恢復。
使用AcqKnowledge軟件對測得的原始EMG信號進行預處理，處理過程參考王敬章等[16]總結的表面EMG時域處理辦法。預處理后進行MATLAB分析。
2 研究結果
2.1 靜態加載實驗中頸部肌肉主動力特性
靜態加載實驗共得到3名受試者的4塊肌肉（左右胸鎖乳突肌和斜方肌）分別在頭頸部前屈運動、后伸運動時不同Fm水平下的EMG峰值數據，分析得到頸部肌肉Fm與EMG之間的關系。
2.1.1 Fm與EMG相關性分析
取受試者2個工作日內各項EMG數據的平均值（以EMG表示），對應不同的頸部肌肉Fm，用MATLAB軟件進行多項式擬合，分別得到3名受試者在頸部前屈與后伸時的頸部肌肉Fm-EMG關系（見圖2）。
圖2
不同頸部運動下受試者Fm-EMG圖
左、中、右分別代表3名受試者的測試結果。其中，紅色代表胸鎖乳突肌（SCM）；黑色代表斜方肌（TRAP）。L：左側；R：右側；Mean：雙側肌肉均值
Figure2. Fm-EMG curves under different neck movementsleft, middle and right represent the test results of three subjects respectively. Red: sternocleidomastoid muscle (SCM); Black: trapezius muscle (TRAP). L: left side; R: right side; Mean: the average of left and right sides
頸部前屈運動時胸鎖乳突肌輸出的EMG較高，且其與Fm表現出較明顯的線性關系；斜方肌則表現出一定的“平臺”現象，即在Fm增長的前半段和后半段內，EMG與Fm近乎呈現線性關系，而在中間段，隨著Fm增加，EMG并不發生顯著變化。而后伸運動時，斜方肌和胸鎖乳突肌都出現了“平臺”現象，兩種運動狀態時EMG輸出差異在胸鎖乳突肌上表現得更為明顯。
2.1.2 標準化后的Fm與EMG相關性分析
生理條件、發力習慣等的差異使得不同個體輸出EMG和Fm存在較大不同。為了方便分析特定運動下個體的肌肉激活程度，需要對檢測到的肌肉EMG和Fm進行標準化處理。
由于胸鎖乳突肌和斜方肌分別在前屈和后伸狀態下輸出了最大的EMG，故選擇對應的EMG值作為各自EMG的100%參考值（EMG100%）；對于每個方向的Fm，選擇該方向檢測到的最大主動收縮力作為其收縮力的100%參考值（FMVC）。求得每次測試得到的Fm、EMG與對應FMVC、EMG100%的比值，即可得到標準化處理后的Fm/FMVC、norm EMG（EMG/EMG100%），進一步分析得到標準化后的Fm/FMVC-norm EMG關系（見圖3）。
圖3
不同頸部運動下受試者標準化后肌肉Fm/FMVC-norm EMG圖
Figure3.
Fm/FMVC- norm EMG curves under different neck movements
對比未進行標準化處理的數據可以更明顯地看到，前屈運動中胸鎖乳突肌在輸出FMVC時可認為已經完全激活，且標準化后的數據表現出更強的線性關系。前屈運動中的斜方肌和后伸運動中的胸鎖乳突肌及斜方肌出現明顯“平臺”現象，這可能是由于在Fm/FMVC增長的前半段，需要迅速將EMG抬升至某一水平以“啟動”肌肉；在Fm/FMVC增長的中段，已經處于激活狀態的肌肉對于電信號的需求下降，即維持在一個穩定水平；而在Fm/FMVC增長的后半段，當前肌電水平能輸出的收縮力已到達瓶頸，需要更高水平的電信號繼續刺激肌肉主動收縮。頸部在做后伸運動時，斜方肌的平均激活水平高于胸鎖乳突肌。
2.2 實車制動實驗中頸部肌肉主動力特性
2.2.1 受試者動力學響應
圖4展示了受試者在4類實車制動實驗中頭頸部的運動響應，其中0 ms為駕駛員踩下制動踏板的時刻。可以看到，不管是否佩戴頭盔，當受試者在制動前放松頸部肌肉時，頭頸部運動到極限位置后都會出現過伸現象，且佩戴頭盔狀態下過伸程度更大，這可能是由于佩戴頭盔加重了頭頸部的重量，產生的慣性牽引力更大，進而使得過伸現象更為明顯。預先緊張頸部肌肉時，頭部向前運動幅度大幅減少，避免了頸部過伸現象，而且是否佩戴頭盔對運動幅度沒有明顯影響。
圖4
不同狀態下實車制動實驗錄像
Figure4.
Real vehicle braking test video in different states
同時，制動前預先緊張頸部肌肉可以推遲頭頸部向前運動的時間，減少頸部在極限位置持續的時間，并能使頸部更快地向座椅方向恢復（見表2）。這表明預先緊張頸部肌肉可以較好地保護頭頸部組織，對需要佩戴頭盔作業的特種交通工具駕駛員具有重要意義。
表2
實車制動實驗不同階段時間（ms）
Table2.
Time at different stages of real vehicle braking test (ms)
2.2.2 實車制動實驗過程中頸部肌肉EMG分布
以踩下制動踏板的時刻為初始時刻，統計兩側胸鎖乳突肌及斜方肌在各種工況下EMG變化時刻t0、信號達到峰值時刻t1以及肌電上升時間t1 ? t0。由于人體各肌肉在同一工況下肌電上升時間大體相同，所以本文只統計斜方肌的t1與t0。結果發現，無頭盔時的EMG激活時刻要提前于佩戴頭盔；對于肌電上升時間，各組別的激活時間差異較小，范圍為1 095～1 171 ms，可以認為肌電上升時間對于頭部質量以及肌肉是否預先緊張敏感性均較低（見表3）。
表3
實車制動實驗受試者頸部肌肉EMG相關時刻（ms）
Table3.
Relevant time of neck muscles EMG of subjects in real vehicle braking test (ms)
實車制動前，受試者全身放松，相對于車身靜止，胸鎖乳突肌和斜方肌的EMG變化較小，是否佩戴頭盔對其影響也較小，因而在各組實驗中數值接近；制動后，在預緊條件下，無論佩戴頭盔與否，EMG變化幅度均比放松條件下要小。另外可以看到，在制動過程中，不管處于何種條件下，斜方肌的EMG始終顯著高于胸鎖乳突肌（見表4）。
表4
實車制動實驗受試者頸部肌肉EMG（mV）
Table4.
EMG of neck muscles of subjects in real vehicle braking test (mV)
3 討論與結論
頸部肌肉是維護頭部運動、保持頭頸部穩定性，以及保護頸椎、椎間盤等不受損傷的重要組織。對于艦載機飛行員等長期暴露于快速制動工況下，頭頸部易受“揮鞭樣損傷”的特殊人群來說，有效提高頸部肌肉的保護作用至關重要。早期研究發現，在快速制動工況下，駕駛員頭頸部受到水平加速度作用時，頸部肌肉主動力對頸部防護具有顯著影響。Mertz等[17]進行了基于真實事故加速度脈沖的車對車碰撞實驗，發現志愿者主動提前緊張頸部肌肉可有效降低其頸部損傷的可能性。Ono等[18]發現預緊頸部肌肉可使制動過程中頭部的后仰角減小，并使頭頸部的運動響應提前。Wismans等[19]也證實肌肉張力可減少快速制動時頭部最大彎曲角度。Verriest等[20]指出，在正面沖擊中頸部肌肉張力可以使頭部的最大角加速度降低約4%。Foust等[21]通過測試志愿者的頭頸部運動范圍、頸部肌肉反應時間和最大等距主動收縮力，結合以往事故調查發現，在高速無預先警示制動工況下，頸部肌肉的主動收縮無法對頭頸部損傷產生顯著保護作用。本文實車制動實驗發現，制動前預先緊張頸部肌肉可以推遲頭頸部向前運動的時間，減少頸部在極限位置的持續時間，并能使頸部更快地向座椅方向恢復。這表明預先緊張頸部肌肉不僅可以減小頸部組織的前屈角加速度和最大彎曲角度，還能減少頸部在最大前屈狀態下的暴露時間，從而避免長時間的拉伸對頸部組織造成損傷。
肌肉的收縮狀態可通過肌電來觀察，諸多研究人員從頸部肌肉EMG入手研究特定作業條件下頸部肌肉的激活情況與頭頸部動力學響應的關聯。Magnusson等[22]通過開展臺車模擬實驗，測量受試者頸部深層和淺層肌肉的EMG來探究后碰撞工況下頸部肌肉主動力對頸椎損傷的影響。他們發現各被測肌肉對于臺車加速度的反應時間有著較大差異，同時，是否提前告知受試者臺車啟動時刻也會對肌肉反應時間造成影響。Moroney等[23]通過建立頸部模型，設計頸部運動實驗，進行頸部前后彎曲、側向彎曲和軸向旋轉測試，并測量頸部肌肉在運動過程中的表面EMG；對測得的每項EMG和平均預計收縮力數據進行相關性分析，發現在某些肌肉中，計算出的肌肉力與測得的EMG之間的相關系數高達0.85。本研究發現，在頸部靜態前屈運動中，胸鎖乳突肌的EMG更高，激活程度更高，表明胸鎖乳突肌更多地參與了頭頸部的前屈運動。而在靜態后伸運動與實車制動實驗中，斜方肌的EMG更高，激活程度更高，表明斜方肌更多地參與了頸部后伸運動。快速制動時頸部肌肉預緊可能本質上也是一種后伸運動，對抗了頭頸部的慣性前屈。本文還發現，無論佩戴頭盔與否，放松狀態的峰值EMG均大于預緊狀態，與頸部前屈和后伸時肌肉收縮EMG增大不同，這可能是由于放松狀態下頭部會出現過伸現象，導致頭部質心前移，進而使得頭部對于頸椎的力矩增加，因此頸部需要提供更多的拉力使之保持穩定狀態。而無頭盔時的EMG激活時刻要提前于佩戴頭盔，這可能是由于更輕的頭部質量對于加速度更加敏感。
本研究結果表明，在艦載機攔阻著艦等快速制動特定工況下，飛行員可通過預緊頸部肌肉降低頸部損傷，預緊過程中斜方肌比胸鎖乳突肌發揮了更大作用。這提示艦載機飛行員可以針對性地加強頸部肌肉特別是斜方肌的訓練，以提高其對抗水平過載的能力。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：劉秋紅和李凡主要負責實驗設計，雷康主要負責現場實驗，袁曉霞主要負責數據收集、整理分析和論文寫作。
倫理聲明：本文涉及人體數據采集均有受試者知情同意書，且已通過海軍特色醫學中心倫理審查。
0 引言
快速制動工況是指交通工具以極高的制動加速度進行減速的特殊行駛工況。快速制動工況常見于以航天器、飛行器、F1方程式賽車等為代表的高速交通工具制動過程以及道路機動車的緊急制動場景之中。在快速制動工況下，特別是在軀干受到防護裝置（如安全帶、彈性繩索、安全壓桿等）的束縛而頭頸部不受限時，在慣性作用下頭頸部會發生甩鞭效應，從而可能對乘員的頸部組織造成損傷。特殊作業人群佩戴頭盔時，頸部受損傷的風險顯著增大。典型的就是航母艦載機的攔阻著艦，是在高速進近狀態下通過阻攔索，在2 s左右將速度從230 km/h降至0，X軸向的加速度可達2～3 g。在此過程中，飛行員的軀體由于安全帶的束縛被固定在座椅上，而頭頸部未受防護裝置約束隨慣性力向前彎曲，加之頭盔重量的影響，易造成頸椎過度前屈[1-4]。反復的水平加速度暴露會造成椎間盤退變和椎間盤突出等癥狀。據美軍資料，艦載機飛行員頸痛傷發生率極高，如美太平洋艦隊F/A-18艦載戰斗機飛行人員中74％報告有以頸部疼痛為首發癥狀的頭頸部損傷發生，并且因此導致的臨時停飛時間平均為3個飛行日，嚴重影響了正常的飛行訓練[5]。
快速制動工況易造成乘員頭頸部損傷，因此相關機制和防護措施研究一直是熱點。過去，利用尸體進行這方面的生物力學研究是比較普遍的手段，但尸體實驗由于普遍存在的缺失身體機能以及缺少肌肉主動收縮力及肺部和血液壓力，并不適用于人主動力相關的生物力學和生理學響應研究[6-8]。動物實驗由于實驗對象配合性差，進行有創或外力干預實驗時需進行麻醉，同樣不適用于主動力相關的生物力學和生理學試驗[9-11]。近年來，利用模擬仿真技術研究生物力學響應成為應用較多的方法。比如，利用人的頭頸部座椅和背帶系統混合結構模型有限元來研究艦載機攔阻著艦中的頸部生物力學效應，并開展損傷風險預測和評估[12-14]。
但是，不管是尸體實驗、動物實驗，還是仿真實驗，都不能準確反映快速制動過程中頸部肌肉的主動力特性。因此，采用真人試驗仍然是進行相關研究的必要手段。考慮到安全性和倫理限制，真人受試者不能進行大載荷的暴露，必須在保證安全的前提下開展類似研究。因此，本文采用實車制動模擬快速制動條件，通過采集受試者頭頸部運動狀態和頸部肌肉肌電信號（electromyography，EMG），分析頸部肌肉主動力響應特點，從效應上探討艦載機攔阻著艦等類似快速制動工況下頸部肌肉的主動力特性。
1 研究對象與方法
1.1 設備與人員
EMG采集設備為美國BIOPAC公司生產的MP150型生理記錄儀，EMG測試使用EMG 100C型放大器。靜態加載實驗使用的測力設備為美國雙杰公司生產的管型彈簧測力計。實車制動實驗使用的測試車輛為凱迪拉克CT6，使用大疆Pocket 2云臺相機跟蹤拍攝制動過程中受試者的動態響應。招募3名健康男性受試者，平均身高169.3 cm，平均體重63 kg，平均年齡23周歲；過去一年內均無頸部損傷經歷及任何慢性頸部骨骼疾病。
測試時，在專業外科醫生的指導下采集頸部體表左右胸鎖乳突肌及斜方肌的EMG（見圖1）。電極布置方法參考鄭則廣等[15]的表面電極記錄法。通過采集的EMG分析肌肉激活特性、程度，研究不同運動狀態下肌肉的參與情況。所有受試者均知情同意，且本研究通過倫理審查。
圖1
胸鎖乳突肌與斜方肌電極貼片示意
Figure1.
Electrode patch for sternocleidomastoid muscle and trapezius muscle
1.2 靜態加載實驗
通過靜態加載實驗可以確定受試者頸部肌肉主動收縮力（Fm）和EMG之間的關系。在測試開始前，指導受試者進行5 min頸部熱身，包括頸椎的前后縱向轉動及左右橫向轉動，確定無異樣后開始測試。
受試者佩戴EMG采集設備，端坐于座椅上，并佩戴約束裝置以固定其軀干部分，只保留頭頸部的運動自由度。受試者通過編織頭帶對一個高精度彈簧測力計施加力來測量頸部肌肉的力量。準備階段，受試者以放松姿態坐立，調整與測力計相連的頭帶位置，使之位于受試者眉毛上方。聽到指令后，受試者盡可能向前方用力拉伸頭帶，并在極限位置保持，讀出此時的彈簧測力計讀數，記為頸部最大主動收縮力（FMVC），記錄此時輸出的EMG峰值及峰值持續時間，以便分析快速制動條件下肌肉激活度過平臺期的時間。接著，受試者放松，休息恢復后，再度拉伸彈簧，輸出較上一組少FMVC/10的力并盡可能維持，繼續記錄每組測試輸出的EMG峰值及持續時間。上述過程共重復10次，每次測試間隔1～2 min，以防止肌肉疲勞。
結束前屈實驗后，調節座椅方向，繼續重復上述步驟以測試頸部后伸時的FMVC。每個受試者分別在相隔2天的2個工作日進行獨立實驗。
1.3 實車制動實驗
實車制動實驗是研究快速制動條件下頸部肌肉主動力特性的有效方法。受試者佩戴EMG采集設備坐在實車副駕駛位置，要求其背部緊靠座椅后背，并調節座椅傾角為22°，臀部向座椅內部坐實，大臂自然下垂，并將雙手放置在大腿上部，直視前方并使法蘭克福平面保持水平。測試前，受試者保持坐立靜止狀態。接著，按是否佩戴頭盔和是否預緊頸部肌肉進行4次實車制動實驗（見表1）。
表1
實車制動實驗類別
Table1.
Category of real vehicle braking test
確認受試者準備就緒后，駕駛員將車輛啟動并加速至60 km/h，并在道路指定位置踩下制動踏板至全行程進行全制動減速，直至車速為0。在踩下制動踏板的同時采集EMG，記錄整個制動過程中左右胸鎖乳突肌及斜方肌的EMG。每次實驗間隔10 min，供測試車輛剎車盤散熱及受試者休息恢復。
使用AcqKnowledge軟件對測得的原始EMG信號進行預處理，處理過程參考王敬章等[16]總結的表面EMG時域處理辦法。預處理后進行MATLAB分析。
2 研究結果
2.1 靜態加載實驗中頸部肌肉主動力特性
靜態加載實驗共得到3名受試者的4塊肌肉（左右胸鎖乳突肌和斜方肌）分別在頭頸部前屈運動、后伸運動時不同Fm水平下的EMG峰值數據，分析得到頸部肌肉Fm與EMG之間的關系。
2.1.1 Fm與EMG相關性分析
取受試者2個工作日內各項EMG數據的平均值（以EMG表示），對應不同的頸部肌肉Fm，用MATLAB軟件進行多項式擬合，分別得到3名受試者在頸部前屈與后伸時的頸部肌肉Fm-EMG關系（見圖2）。
圖2
不同頸部運動下受試者Fm-EMG圖
左、中、右分別代表3名受試者的測試結果。其中，紅色代表胸鎖乳突肌（SCM）；黑色代表斜方肌（TRAP）。L：左側；R：右側；Mean：雙側肌肉均值
Figure2. Fm-EMG curves under different neck movementsleft, middle and right represent the test results of three subjects respectively. Red: sternocleidomastoid muscle (SCM); Black: trapezius muscle (TRAP). L: left side; R: right side; Mean: the average of left and right sides
頸部前屈運動時胸鎖乳突肌輸出的EMG較高，且其與Fm表現出較明顯的線性關系；斜方肌則表現出一定的“平臺”現象，即在Fm增長的前半段和后半段內，EMG與Fm近乎呈現線性關系，而在中間段，隨著Fm增加，EMG并不發生顯著變化。而后伸運動時，斜方肌和胸鎖乳突肌都出現了“平臺”現象，兩種運動狀態時EMG輸出差異在胸鎖乳突肌上表現得更為明顯。
2.1.2 標準化后的Fm與EMG相關性分析
生理條件、發力習慣等的差異使得不同個體輸出EMG和Fm存在較大不同。為了方便分析特定運動下個體的肌肉激活程度，需要對檢測到的肌肉EMG和Fm進行標準化處理。
由于胸鎖乳突肌和斜方肌分別在前屈和后伸狀態下輸出了最大的EMG，故選擇對應的EMG值作為各自EMG的100%參考值（EMG100%）；對于每個方向的Fm，選擇該方向檢測到的最大主動收縮力作為其收縮力的100%參考值（FMVC）。求得每次測試得到的Fm、EMG與對應FMVC、EMG100%的比值，即可得到標準化處理后的Fm/FMVC、norm EMG（EMG/EMG100%），進一步分析得到標準化后的Fm/FMVC-norm EMG關系（見圖3）。
圖3
不同頸部運動下受試者標準化后肌肉Fm/FMVC-norm EMG圖
Figure3.
Fm/FMVC- norm EMG curves under different neck movements
對比未進行標準化處理的數據可以更明顯地看到，前屈運動中胸鎖乳突肌在輸出FMVC時可認為已經完全激活，且標準化后的數據表現出更強的線性關系。前屈運動中的斜方肌和后伸運動中的胸鎖乳突肌及斜方肌出現明顯“平臺”現象，這可能是由于在Fm/FMVC增長的前半段，需要迅速將EMG抬升至某一水平以“啟動”肌肉；在Fm/FMVC增長的中段，已經處于激活狀態的肌肉對于電信號的需求下降，即維持在一個穩定水平；而在Fm/FMVC增長的后半段，當前肌電水平能輸出的收縮力已到達瓶頸，需要更高水平的電信號繼續刺激肌肉主動收縮。頸部在做后伸運動時，斜方肌的平均激活水平高于胸鎖乳突肌。
2.2 實車制動實驗中頸部肌肉主動力特性
2.2.1 受試者動力學響應
圖4展示了受試者在4類實車制動實驗中頭頸部的運動響應，其中0 ms為駕駛員踩下制動踏板的時刻。可以看到，不管是否佩戴頭盔，當受試者在制動前放松頸部肌肉時，頭頸部運動到極限位置后都會出現過伸現象，且佩戴頭盔狀態下過伸程度更大，這可能是由于佩戴頭盔加重了頭頸部的重量，產生的慣性牽引力更大，進而使得過伸現象更為明顯。預先緊張頸部肌肉時，頭部向前運動幅度大幅減少，避免了頸部過伸現象，而且是否佩戴頭盔對運動幅度沒有明顯影響。
圖4
不同狀態下實車制動實驗錄像
Figure4.
Real vehicle braking test video in different states
同時，制動前預先緊張頸部肌肉可以推遲頭頸部向前運動的時間，減少頸部在極限位置持續的時間，并能使頸部更快地向座椅方向恢復（見表2）。這表明預先緊張頸部肌肉可以較好地保護頭頸部組織，對需要佩戴頭盔作業的特種交通工具駕駛員具有重要意義。
表2
實車制動實驗不同階段時間（ms）
Table2.
Time at different stages of real vehicle braking test (ms)
2.2.2 實車制動實驗過程中頸部肌肉EMG分布
以踩下制動踏板的時刻為初始時刻，統計兩側胸鎖乳突肌及斜方肌在各種工況下EMG變化時刻t0、信號達到峰值時刻t1以及肌電上升時間t1 ? t0。由于人體各肌肉在同一工況下肌電上升時間大體相同，所以本文只統計斜方肌的t1與t0。結果發現，無頭盔時的EMG激活時刻要提前于佩戴頭盔；對于肌電上升時間，各組別的激活時間差異較小，范圍為1 095～1 171 ms，可以認為肌電上升時間對于頭部質量以及肌肉是否預先緊張敏感性均較低（見表3）。
表3
實車制動實驗受試者頸部肌肉EMG相關時刻（ms）
Table3.
Relevant time of neck muscles EMG of subjects in real vehicle braking test (ms)
實車制動前，受試者全身放松，相對于車身靜止，胸鎖乳突肌和斜方肌的EMG變化較小，是否佩戴頭盔對其影響也較小，因而在各組實驗中數值接近；制動后，在預緊條件下，無論佩戴頭盔與否，EMG變化幅度均比放松條件下要小。另外可以看到，在制動過程中，不管處于何種條件下，斜方肌的EMG始終顯著高于胸鎖乳突肌（見表4）。
表4
實車制動實驗受試者頸部肌肉EMG（mV）
Table4.
EMG of neck muscles of subjects in real vehicle braking test (mV)
3 討論與結論
頸部肌肉是維護頭部運動、保持頭頸部穩定性，以及保護頸椎、椎間盤等不受損傷的重要組織。對于艦載機飛行員等長期暴露于快速制動工況下，頭頸部易受“揮鞭樣損傷”的特殊人群來說，有效提高頸部肌肉的保護作用至關重要。早期研究發現，在快速制動工況下，駕駛員頭頸部受到水平加速度作用時，頸部肌肉主動力對頸部防護具有顯著影響。Mertz等[17]進行了基于真實事故加速度脈沖的車對車碰撞實驗，發現志愿者主動提前緊張頸部肌肉可有效降低其頸部損傷的可能性。Ono等[18]發現預緊頸部肌肉可使制動過程中頭部的后仰角減小，并使頭頸部的運動響應提前。Wismans等[19]也證實肌肉張力可減少快速制動時頭部最大彎曲角度。Verriest等[20]指出，在正面沖擊中頸部肌肉張力可以使頭部的最大角加速度降低約4%。Foust等[21]通過測試志愿者的頭頸部運動范圍、頸部肌肉反應時間和最大等距主動收縮力，結合以往事故調查發現，在高速無預先警示制動工況下，頸部肌肉的主動收縮無法對頭頸部損傷產生顯著保護作用。本文實車制動實驗發現，制動前預先緊張頸部肌肉可以推遲頭頸部向前運動的時間，減少頸部在極限位置的持續時間，并能使頸部更快地向座椅方向恢復。這表明預先緊張頸部肌肉不僅可以減小頸部組織的前屈角加速度和最大彎曲角度，還能減少頸部在最大前屈狀態下的暴露時間，從而避免長時間的拉伸對頸部組織造成損傷。
肌肉的收縮狀態可通過肌電來觀察，諸多研究人員從頸部肌肉EMG入手研究特定作業條件下頸部肌肉的激活情況與頭頸部動力學響應的關聯。Magnusson等[22]通過開展臺車模擬實驗，測量受試者頸部深層和淺層肌肉的EMG來探究后碰撞工況下頸部肌肉主動力對頸椎損傷的影響。他們發現各被測肌肉對于臺車加速度的反應時間有著較大差異，同時，是否提前告知受試者臺車啟動時刻也會對肌肉反應時間造成影響。Moroney等[23]通過建立頸部模型，設計頸部運動實驗，進行頸部前后彎曲、側向彎曲和軸向旋轉測試，并測量頸部肌肉在運動過程中的表面EMG；對測得的每項EMG和平均預計收縮力數據進行相關性分析，發現在某些肌肉中，計算出的肌肉力與測得的EMG之間的相關系數高達0.85。本研究發現，在頸部靜態前屈運動中，胸鎖乳突肌的EMG更高，激活程度更高，表明胸鎖乳突肌更多地參與了頭頸部的前屈運動。而在靜態后伸運動與實車制動實驗中，斜方肌的EMG更高，激活程度更高，表明斜方肌更多地參與了頸部后伸運動。快速制動時頸部肌肉預緊可能本質上也是一種后伸運動，對抗了頭頸部的慣性前屈。本文還發現，無論佩戴頭盔與否，放松狀態的峰值EMG均大于預緊狀態，與頸部前屈和后伸時肌肉收縮EMG增大不同，這可能是由于放松狀態下頭部會出現過伸現象，導致頭部質心前移，進而使得頭部對于頸椎的力矩增加，因此頸部需要提供更多的拉力使之保持穩定狀態。而無頭盔時的EMG激活時刻要提前于佩戴頭盔，這可能是由于更輕的頭部質量對于加速度更加敏感。
本研究結果表明，在艦載機攔阻著艦等快速制動特定工況下，飛行員可通過預緊頸部肌肉降低頸部損傷，預緊過程中斜方肌比胸鎖乳突肌發揮了更大作用。這提示艦載機飛行員可以針對性地加強頸部肌肉特別是斜方肌的訓練，以提高其對抗水平過載的能力。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：劉秋紅和李凡主要負責實驗設計，雷康主要負責現場實驗，袁曉霞主要負責數據收集、整理分析和論文寫作。
倫理聲明：本文涉及人體數據采集均有受試者知情同意書，且已通過海軍特色醫學中心倫理審查。
