基于多模态技术分析颈部肌肉疲劳代谢电生理耦合及预警的高敏感性指标

doi:10.12307/2026.499

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (25): 6506-6511.doi: 10.12307/2026.499

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基于多模态技术分析颈部肌肉疲劳代谢电生理耦合及预警的高敏感性指标

刘亚坤，路广琦，梁龙，李靖，孙馨悦，刘广伟，周帅琪，毛瀚泽，马明明，胡家铭，朱立国，庄明辉，于杰

中国中医科学院望京医院，北京市 100102

收稿日期:2025-09-22 修回日期:2026-01-28 出版日期:2026-09-08 发布日期:2026-04-21
通讯作者: 庄明辉，博士，主治医师，中国中医科学院望京医院，北京市 100102 通讯作者：于杰，博士，主任医师，中国中医科学院望京医院，北京市 100102
作者简介:第一作者：刘亚坤，男，2000年生，河南省焦作市人，汉族，中国中医科学院研究生院在读硕士，主要从事中西医结合治疗脊柱疾病的临床与基础研究。
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(82405438)，项目负责人：庄明辉；国家自然科学基金面上项目(82274560)，项目负责人：于杰；中国中医科学院望京医院高水平中医医院建设项目中医药临床循证研究专项(WJYY-XZKT-2023-01)，项目负责人：于杰；中国中医科学院望京医院自主选题专项课题(WJYY-ZZXT-2023-25)，项目负责人：庄明辉

Highly sensitive indicators of neck muscle fatigue derived from multimodal electrophysiological and metabolic coupling analysis

Liu Yakun, Lu Guangqi, Liang Long, Li Jing, Sun Xinyue, Liu Guangwei, Zhou Shuaiqi, Mao Hanze, Ma Mingming, Hu Jiaming, Zhu Liguo, Zhuang Minghui, Yu Jie

Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China

Received:2025-09-22 Revised:2026-01-28 Online:2026-09-08 Published:2026-04-21
Contact: Zhuang Minghui, PhD, Attending physician, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China Co-corresponding author: Yu Jie, PhD, Chief physician, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
About author:Liu Yakun, MS candidate, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (Youth Program), No. 82405438 (to ZMH); National Natural Science Foundation of China (General Program), No. 82274560 (to YJ); Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences High-Level Traditional Chinese Medicine Hospital Construction Project - Special Program for Evidence-Based Clinical Research in Traditional Chinese Medicine, No. WJYY-XZKT-2023-01 (to YJ); Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences Self-Selected Special Research Project, No. WJYY-ZZXT-2023-25 (to ZMH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
多模态技术：是指通过整合多种不同类型的数据源、传感器或分析方法，从不同“模态”(即信息形式或感知渠道)获取并融合信息的技术手段。其核心在于利用多种互补的观测维度，克服单一技术的局限性，实现对复杂现象的全方位解析。

背景：长时间低头姿势导致的颈部肌肉疲劳是颈椎病发生的重要诱因，但目前单一监测手段难以全面解析肌肉激活、代谢与运动控制的动态耦合关系。
目的：通过多模态监测技术系统评估颈部肌肉疲劳的时序特征，为颈椎疲劳的早期识别与干预提供理论依据。
方法：纳入20名健康受试者，采用表面肌电、近红外光谱及三维动作捕捉技术，同步采集颈部肌肉电生理信号、氧合血红蛋白浓度及颈椎运动轨迹。受试者保持45°静态前屈姿势至主观疲劳(Borg CR-10评分≥4分)，分析不同疲劳阶段(按时间10%间隔划分)的均方根振幅、平均功率频率、肌氧饱和度及标准化低头角度变化。
结果与结论：①受试者均方根振幅显著增加(P < 0.001)，平均功率频率显著下降(P < 0.001)，肌氧饱和度自40%阶段起持续降低(P < 0.001)；②平均功率频率与肌氧饱和度的线性回归分析显示更高解释度(上斜方肌R²=0.58，中斜方肌R²=0.61)，且代谢代偿早于电生理信号显著变化；③上斜方肌较中斜方肌更早进入疲劳状态(P < 0.05)。结果表明，平均功率频率与肌氧饱和度联合监测为颈部肌肉疲劳早期预警提供高敏感性指标。
https://orcid.org/0009-0005-7039-138X (刘亚坤)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 颈部肌肉疲劳, 多模态监测, 表面肌电, 近红外光谱, 颈椎生物力学, 平均功率频率

Abstract: BACKGROUND: Prolonged forward head posture induces neck muscle fatigue, a significant contributing factor to cervical spondylosis. Current unimodal monitoring approaches are inadequate to capture the dynamic coupling among muscle activation, metabolic activity, and motor control.
OBJECTIVE: To systematically evaluate the temporal characteristics of neck muscle fatigue using multimodal monitoring technology, thereby providing a theoretical foundation for early detection and intervention of cervical fatigue.
METHODS: Twenty healthy participants were recruited. Surface electromyography, near-infrared spectroscopy, and three-dimensional motion capture technology were synchronized to record electrophysiological signals, oxygenated hemoglobin concentration, and cervical kinematics during a sustained 45° static forward flexion task until subjective fatigue was reached (Borg CR-10 score ≥ 4). Temporal changes in root mean square amplitude, mean power frequency, muscle oxygen saturation, and normalized forward head angle were analyzed across fatigue stages segmented into 10% intervals of total endurance time.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The root mean square amplitude increased significantly (P < 0.001), while mean power frequency and muscle oxygen saturation decreased significantly (P < 0.001) throughout the task, with the reduction in muscle oxygen saturation commencing from the 40% fatigue stage. (2) Linear regression analyses revealed a stronger association between mean power frequency and muscle oxygen saturation (upper trapezius: R² = 0.58; middle trapezius: R² = 0.61), indicating that metabolic alterations preceded detectable electrophysiological changes. (3) The upper trapezius demonstrated earlier fatigue onset compared with the middle trapezius (P < 0.05). These findings suggest that multimodal integration of combined mean power frequency and muscle oxygen saturation monitoring serves as a highly sensitive strategy for early fatigue detection.

Key words: neck muscle fatigue, multimodal monitoring, surface electromyography, near-infrared spectroscopy, cervical spine biomechanics, mean power frequency

中图分类号:

刘亚坤, 路广琦, 梁龙, 李靖, 孙馨悦, 刘广伟, 周帅琪, 毛瀚泽, 马明明, 胡家铭, 朱立国, 庄明辉, 于杰. 基于多模态技术分析颈部肌肉疲劳代谢电生理耦合及预警的高敏感性指标[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(25): 6506-6511.

Liu Yakun, Lu Guangqi, Liang Long, Li Jing, Sun Xinyue, Liu Guangwei, Zhou Shuaiqi, Mao Hanze, Ma Mingming, Hu Jiaming, Zhu Liguo, Zhuang Minghui, Yu Jie. Highly sensitive indicators of neck muscle fatigue derived from multimodal electrophysiological and metabolic coupling analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(25): 6506-6511.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析及基线资料试验过程共纳入20名受试者，男、女各10名，因低头角度不足脱落1名男性，其余进入结果分析，基线资料见表1。

2.2 性别与疲劳时间相关性分析男性和女性受试者达到疲劳的时间差异无显著性意义(P > 0.05)，说明性别与疲劳时间无相关性，见表2。

2.3 表面肌电和近红外光谱弗里德曼检验-邦弗罗尼校正结果所有肌肉的均方根振幅随时间均表现出显著增加(P < 0.001)，以力竭时间的前10%阶段为基线对比：上斜方肌自50%阶段起显著增加；中斜方肌自60%阶段起显著增加；类似地，所有肌肉的平均功率频率随时间均显著下降(P < 0.001)，以力竭时间的前10%阶段为基线对比：上斜方肌自50%阶段起显著下降；中斜方肌在60%阶段显著下降。在近红外光谱方面，所有肌肉的肌氧饱和度随时间均显著下降(P < 0.001)，以力竭时间的前10%阶段为基线对比：上斜方肌自40%阶段起显著下降；中斜方肌在40%阶段显著下降，见表3，图2。
2.4 表面肌电与近红外光谱线性回归分析结果线性回归分析表明，在不同肌肉中平均功率频率对肌氧饱和度的预测能力显著优于均方根振幅：上斜方肌中平均功率频率(R2=0.58，15/19次

显著)的方差解释度高于均方根振幅(R2=0.47，14/19次显著)；中斜方肌中平均功率频率(R2=0.61，16/19次显著)与均方根振幅(R2=0.43，14/19次显著)的差异趋势一致，进一步支持平均功率频率对肌肉氧代谢动态的敏感性和解释力更高，见表4。

2.5 不良事件所有受试者在整个试验过程中，均未发生头晕、跌倒等不良事件。

参考文献

[1] 路广琦,庄明辉,常晓娟,等.在读医学硕博研究生颈椎失稳的相关表现及其生活习惯分析[J].颈腰痛杂志,2023,44(3):316-319.
[2] 李靖,路广琦,庄明辉,等.基于机器学习构建中青年人群颈椎失稳临床预测模型[J].中国组织工程研究,2025,29(33):7203-7210.
[3] 赵锦铎.揿针配合颈部肌群等长抗阻训练治疗青少年颈型颈椎病的临床研究[D].银川:宁夏医科大学,2024.
[4] ERNST MJ, SAX N, MEICHTRY A, et al. Cervical musculoskeletal impairments and pressure pain sensitivity in office workers with headache. Musculoskelet Sci Pract. 2023;66:102816.
[5] ZHANG W, CHEN Z. Functional Brain Changes in Younger Population of Cervical Spondylosis Patients with Chronic Neck Pain. J Pain Res. 2024;17: 4433-4445.
[6] SCANO A, GUANZIROLI E, BRAMBILLA C, et al. A narrative review on multi-domain instrumental approaches to evaluate neuromotor function in rehabilitation. Healthcare (Basel). 2023;11(16):2282.
[7] MING D, WANG X, XU R, et al. sEMG feature analysis on forearm muscle fatigue during isometric contractions. Trans Tianjin Univ. 2014;20(2): 139-143.
[8] SIMAR C, COLOT M, CEBOLLA AM, et al. Machine learning for hand pose classification from phasic and tonic EMG signals during bimanual activities in virtual reality. Front Neurosci. 2024;18:1329411.
[9] GERZ E, GERASKIN D, FRANKE J, et al.Tissue oxygenation during exercise measured with NIRS: reproducibility and influence of wavelengths[C]//Oxygen Transport to Tissue XXXV. Springer New York. 2013:171-177.
[10] 毕学翠,郑晓鸿,张英平.近红外光谱技术监控不同水平运动员递增负荷肌群肌氧变化特征[J].科学技术与工程,2024,24(35):14947-14957.
[11] FENG M, LIANG L, SUN W, et al. Measurements of cervical range of motion using an optical motion capture system: Repeatability and validity. Exp Ther Med. 2019;18(6):4193-4202.
[12] PAREDES-ACUNA N, UTPADEL-FISCHLER D, DING K, et al. Upper limb intention tremor assessment: opportunities and challenges in wearable technology. J Neuroeng Rehabil. 2024;21(1):8.
[13] GUNNAR B. The Borg CR Scales® Folder. Methods for measuring intensity of experience. Borg Perception. 2010:4.
[14] LI F, WU Y, SONG Z, et al. Characteristics of surface electromyogram signals after Pemberton pelvic osteotomy combined with femoral osteotomy in children with unilateral developmental dysplasia of the hip. Medicine (Baltimore). 2022;101(28):e29794.
[15] ZHONG S, JIA N, QU Y, et al. Analysis and study on biomarkers of local muscle fatigue caused by repetitive lifting task. BMC Musculoskelet Disord. 2024;25(1):660.
[16] CRUZ-MONTECINOS C, BUSTAMANTE A, CANDIA-GONZÁLEZ M, et al. Perceived physical exertion is a good indicator of neuromuscular fatigue for the core muscles. J Electromyogr Kinesiol. 2019;49:102360.
[17] PAUTZ N, OLIVIER B, STEYN F. The use of parametric effect sizes in single study musculoskeletal physiotherapy research: A practical primer. Phys Ther Sport. 2018;32:87-97.
[18] LI G, LIU D, YANG D, et al. The Impact of Different Muscle Relaxation Techniques on the Upper Trapezius and Its Relationship with the Middle Trapezius. J Physiol Invest. 2024;67(4):225-232.
[19] FU Y, MA S, MA B, et al. Innovative diagnostic framework for shoulder instability: a narrative review on machine learning-enhanced scapular dyskinesis assessment in sports injuries. Eur J Med Res. 2025;30(1):257.
[20] MIŠIĆ NŽ, OSTOJIĆ M, CVETKOVIĆ S, et al. Wavelet analysis of respiratory muscle sEMG signals during the physiological breakpoint of static dry end-expiratory breath-holding in Naive apneists: A pilot study. Sensors (Basel). 2023;23(16):7200.
[21] GARCIA-RETORTILLO S, IVANOV PC. Inter-muscular networks of synchronous muscle fiber activation. Front Netw Physiol. 2022;2:1059793.
[22] DE MEULEMEESTER K, CALDERS P, VAN DORPE J, et al. Morphological differences in the upper trapezius muscle between female office workers with and without trapezius myalgia: Facts or fiction?: A cross-sectional study. Am J Phys Med Rehabil. 2019;98(2):117-124.
[23] GILMORE CA, KAPURAL L, MCGEE MJ, et al. Percutaneous peripheral nerve stimulation for chronic low back pain: prospective case series with 1 year of sustained relief following short‐term implant. Pain Pract. 2020;20(3): 310-320.
[24] HUANG S, CAI S, LI G, et al. sEMG-based detection of compensation caused by fatigue during rehabilitation therapy: a pilot study. IEEE Access. 2019;7: 127055-127065.
[25] GOULDING RP, MARWOOD S. Interaction of factors determining critical power. Sports Med. 2023;53(3):595-613.
[26] MENEZES TCF, LEE MH, FONSECA BALLADARES DC, et al. Skeletal muscle pathology in pulmonary arterial hypertension and its contribution to exercise intolerance. J Am Heart Assoc. 2025;14(4):e036952.
[27] DE GASPERI R, MO C, AZULAI D, et al. Numb is required for optimal contraction of skeletal muscle. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2022;13(1): 454-466.
[28] 徐明伟,金龙哲,于露,等.长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响[J].工程科学学报,2019,41(11):1493-1500.
[29] MORENO AJ, UTRILLA G, MARIN J, et al. Cervical spine assessment using passive and active mobilization recorded through an optical motion capture.J Chiropr Med. 2018;17(3):167-181.
[30] NIMBARTE AD, ZREIQAT MM, CHOWDHURY SK. Cervical flexion–relaxation response to neck muscle fatigue in males and females. J Electromyogr Kinesiol. 2014;24(6):965-971.
[31] GUO W, FANG Y, SHENG X, et al. Measuring motor unit discharge, myofiber vibration, and haemodynamics for enhanced myoelectric gesture recognition. IEEE Trans Instrum Meas. 2023;72:1-10.
[32] COMBALIA A, SÁNCHEZ-VIVES MV, DONEGAN T. Immersive virtual reality in orthopaedics—a narrative review. Int Orthop. 2024;48(1):21-30.
[33] LONG M, WU G, TAO F, et al. Nanofibrous textured silk aerogel with 3D channel arrays and adjustable mechanical properties for bone tissue regeneration. Int J Biol Macromol. 2024;278:134372.
[34] KOPYL S, SURMENEV R, SURMENEVA M, et al. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine–a review. Mater Today Bio. 2021;12:100149.
[35] DIAO H, XIN H, JIN Z. Prediction of in vivo lower cervical spinal loading using musculoskeletal multi-body dynamics model during the head flexion/extension, lateral bending and axial rotation. Proc Inst Mech Eng H. 2018; 232(11):1071-1082.

引言

持续性低头体位可导致颈部肌群过度劳损，进而诱发颈椎生物力学失衡及加速颈椎退行性改变[1-3]。更令人担忧的是，绝大部分的伏案工作者对颈部疲劳的感知滞后，常在出现头痛、肩颈僵硬甚至手臂麻木后才寻求医疗干预，而此时颈椎结构可能已发生不可逆退变[4-5]。因此，如何通过技术手段早期识别颈部肌肉疲劳，阻断“低头行为→颈肌慢性劳损→颈椎病”的疾病发生模式，已成为颈椎健康领域的紧迫问题。
当前颈部肌肉疲劳评估面临多维技术瓶颈，主要体现在单一监测手段难以全面解析肌肉激活、代谢代偿与运动控制间的动态耦合关系[6]。为解决这一研究难点，此项研究创新性融合表面肌电(Surface electromyography，sEMG)、近红外光谱(Near-infrared spectroscopy，NIRS)与三维动作捕捉技术，构建多模态监测体系：表面肌电通过非侵入性记录皮肤表面电信号，定量分析运动单元动员策略与肌肉电生理疲劳特征[7-8]；近红外光谱基于生物组织光学特性，无创、实时监测肌氧饱和度(Muscle oxygen saturation，SMO₂)动态变化，客观反映局部微循环与有氧代谢状态[9-10]；三维动作捕捉系统借助高帧频红外光学镜头捕捉反光标记点轨迹，精确量化颈椎活动范围、运动协调性与姿态稳定性[11-12]。通过三者在时间-空间维度的数据耦合，系统解析长时间前屈姿势下颈部肌肉的激活模式、代谢代偿与运动控制衰退的协同演变规律，旨在探究颈椎疲劳的生物力学数据特征，为临床上从颈肌疲劳角度制定颈椎健康干预策略提供理论依据，并为颈椎整体组织工程研究提供肌肉激活、代谢代偿与运动控制间动态耦合的活体监测能力，突破了离体组织学或静态影像学检查的局限。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计单一样本观察。
1.2 时间及地点试验于 2024年10-11月在中医正骨技术北京市重点试验室完成。
1.3 对象自2024年10-11月课题组通过广告招募纳入20名受试者，男女各半。
纳入标准：①年龄在18-40岁之间；②受试者身体健康状况良好，无颈椎肌肉损伤；③试验前72 h内未从事剧烈运动，受试者肌肉状态良好；④测试前72 h内禁酒及含咖啡因饮品；⑤测试前一晚保证至少8 h 睡眠；⑥视力正常或者已得到矫正。
脱落标准：受试者在试验过程中低头角度超出(45±10)°的范围。
所有受试者均同意并自愿参加此项试验，并签署知情同意书。此研究已通过中国中医科学院望京医院伦理委员会审批(批准号：WJEC-KT-2024-069-P002)。
1.4 试验仪器
1.4.1 OptiTrack运动捕捉系统(NaturalPoint，美国) ①14个像素130万的固定Optitrack运动捕捉镜头Prime 13；②6个像素410万的可移动Optitrack运动捕捉镜头Prime 41；③运动捕捉紧身衣；④Optitrack Motive_2.0.2 Final_x64软件；⑤Visual3D V5软件。
1.4.2 其他 Trigno表面肌电测试系统(DELSYS，美国)；PortaLite实时无线血氧监测系统(维拓启创信息技术有限公司，中国)；Borg CR-10量表[13]：是一种用于评估个体主观疲劳感知强度的工具，采用0 (无感)至10 (极度不适)的评分范围，让受试者直观表达感受程度，广泛应用于运动科学、康复医学等领域；可调节手机支架及6.7寸全屏手机。
1.5 方法
1.5.1 试验准备试验准备阶段，受试者取标准正坐位，躯干直立，双足平放地面，双手自然置于大腿，充分放松颈肩部肌肉并暴露待测区域。表面肌电传感器贴附于右侧斜方肌：上斜方肌定位于C5棘突水平线旁开中线1 cm处(避开胸锁乳突肌)，中斜方肌贴附于T3棘突水平线与肩胛骨脊柱缘连线的中点，二者均平行于肌纤维走向固定于肌腹；近红外光谱传感器以镜像对称方式贴附于左侧斜方肌对应位点(图1A)。贴附前，使用体积分数75%医用乙醇对皮肤去脂处理，同时校准近红外光谱传感器避免光源泄漏[14]。随后，受试者穿戴定制运动捕捉紧身衣以固定传感器、减少运动伪影，并建立颈部生物力学坐标系，为后续低头角度标准化测量提供空间参照(图1B)。最后，研究者系统指导受试者使用Borg CR-10量表，明确要求其根据颈部肌肉负荷过程中的主观感知强度进行0 (无感)至10 (极度不适)的反馈，并向受试者举例说明不同评分所对应的主观感受程度，通过现场演示，让受试者更直观地理解如何结合自身在颈部肌肉负荷过程中的感受进行准确评分。

1.5.2 试验过程受试者取标准坐姿(躯干直立，髋-膝-踝均呈90°，双足平放地面)，通过医用量角器引导其保持矢状面颈部前屈45°的静态姿势(图1C)，模拟自然低头观看手机行为，避免主动仰头动作，躯干与四肢可自主微调以缓解局部压力。

试验前会通过预试验确保受试者能规范使用Borg CR-10量表。研究者通过情境问题让其评分，并与预期比对，对有偏差者进行再指导。正式试验中若反馈与生理表现不符，将及时沟通纠正。研究者实时监测Borg CR-10量表反馈，要求受试者在开始后每1 min进行一次反馈，直至受试者自我感受颈部肌群出现持续性轻度至中度不适感(量表评分≥4分，对应“明显不适但可耐受”)，立即判定受试者进入颈部肌群疲劳状态并结束试验[15]。
表面肌电、近红外光谱(肌氧)及三维动作捕捉数据通过动作捕捉系统时钟同步采集，为了保证时间统一以及防止延迟造成数据混乱，于受试者开始试验前10 s统一开启肌电、肌氧和动作捕捉设备并用动作捕捉软件自带的秒表记录数据，受试者开始运动时记录运动开始时间和最后的结束时间。
1.5.3 数据处理表面肌电经四阶巴特沃斯带通滤波器(20-
500 Hz)与50 Hz陷波滤波器预处理，消除肌电信号中的直流漂移、高频噪声及工频干扰。使用NirSpark软件对采集到的近红外光谱信号进行预处理。使用样条插值法对得到的信号进行通道修正，并自动去除运动伪迹干扰，对原始数据使用带通滤波器进行处理去除噪声的影响。最后，修正的比尔-朗伯定律，将测得的光信号定量转化为肌氧饱和度的变化值。将肌电、肌氧数据分别根据时长平均分为10段，计算每一时间段的均值。
使用Optitrack Motive_2.0.2 Final_x64软件对原始动作捕捉试验数据进行修点，后截取所需部分的数据导入 Visual3D V5软件进行分析。
1.6 主要观察指标 ①表面肌电均方根振幅(以最大自主等长收缩峰值为基准标准化：Percentage of Maximal Voluntary Isometric Contraction，%MVIC)及平均功率频率(以任务初始10%时段的平均值为基线进行标准化处理)；②肌氧饱和度(%)；③标准化低头角度(°)。
1.7 统计学分析采用SPSS 26.0进行统计学分析，结果若满足正态分布，以x±s对各变量进行描述，如不满足正态分布，则采用中位数(四分位数)[M(P25，P75)]表示。使用Shapiro-Wilk正态性检验对所有数据进行正态检验后，对各时间节点(按力竭时间10%间隔划分)的变量数据采用弗里德曼检验(Friedman Test)。若发现随时间变化的显著性结果，则采用邦弗罗尼校正(Bonferroni Correction)进行多重比较的事后检验[16]。
通过回归系数将肌肉的表面肌电信号的均方根振幅和平均功率频率与近红外光谱的肌氧饱和度关联；P值< 0.05被视为统计显著。非参数效应量通过将威尔科克森符号秩检验(Wilcoxon Signed-Rank Test)的z值(取绝对值)转换为r值计算。效应量r的强度可解释为：0.1(小效应)、0.3(中等效应)、0.5(大效应)[17]。
所有统计学方法已通过中国中医科学院望京医院生物统计学专家审核。

讨论

此项研究的表面肌电分析结果显示，上、中斜方肌的均方根振幅随时间显著增加(均P < 0.001)，且上斜方肌的均方根振幅自任务中期(50%阶段)即表现出显著变化，而中斜方肌的显著性变化滞后至60%阶段(表2)；平均功率频率的变化也出现同样趋势，即上斜方肌的平均功率频率自任务中期(50%阶段)即表现出显著变化，而中斜方肌的显著性变化滞后至60%阶段(表2)。这一现象可能反映了不同肌群在维持颈部前屈姿势时的分工差异：上斜方肌作为颈肩复合体的主要抗重力肌，需持续对抗头部重力矩，导致其运动单位募集增多及放电频率升高，使其较早进入高激活状态；而中斜方肌主要负责肩胛骨稳定，其疲劳进程可能受肩胛带协同肌群代偿的影响而延迟显现，该发现与既往研究具有一致性[18-19]。平均功率频率的显著下降提示肌肉纤维传导速度降低，可能与快肌纤维(Ⅱ型)因代谢产物(如乳酸、H+)堆积导致动作电位传导速率下降有关[20]。值得注意的是，平均功率频率与肌氧饱和度的线性回归分析显示更强的相关性，且中斜方肌方差解释度高于上斜方肌，提示平均功率频率对神经肌肉疲劳的预测效力显著优于均方根振幅。这一差异可能与平均功率频率对快肌纤维代谢状态的敏感性更高有关：快肌纤维(Ⅱ型)因无氧代谢主导乳酸堆积导致动作电位传导速度下降，直接表现为平均功率频率频谱左移；而均方根振幅主要反映运动单位募集总量，与代谢失衡的间接关联较弱。此外不同肌肉间Ⅰ(慢)，Ⅱ(快)型肌肉纤维的含量不同，上斜方肌以Ⅰ型纤维为主，适应持续性姿势维持；中斜方肌Ⅱ型纤维比例略高，支持力量导向动作[21]，两者均以慢肌为主导，体现斜方肌整体对稳定性和耐力的生理需求[22]。因此中斜方肌(Ⅱ型纤维略多)的平均功率频率与肌氧饱和度相关性更强，进一步支持快肌纤维的代谢特征对平均功率频率的显著影响。
此次试验近红外光谱数据显示，上、中斜方肌的肌氧饱和度自任务早期(40%阶段)即显著下降，提示肌肉氧供需失衡在疲劳进程中起关键作用。其机制可能为：长时间静态负荷导致局部血管受压(如斜方肌筋膜间隙压力升高)，血流灌注受限，氧输送效率降低；同时，肌肉持续收缩需消耗大量ATP，氧需求增加，迫使肌细胞依赖无氧代谢供能，进一步加剧乳酸堆积与细胞内pH值下降，这一正反馈循环不仅抑制线粒体氧化磷酸化效率，还可能通过激活痛觉神经末梢引发主观不适[23]。值得注意的是，肌氧饱和度的下降趋势早于表面肌电参数的显著性变化(表3)，表明代谢代偿机制的启动可能先于电生理信号的显著改变，这与HUANG等[24]在肢体康复研究中观察到的“代谢补偿先于肌电显著变化”的现象一致，但在颈部静态负荷中首次被精确量化。其深层生理机制可能是一个由氧供需失衡触发的正反馈循环：持续收缩导致肌筋膜室内压力增高，压迫毛细血管，限制血流灌注[25]；同时，ATP持续水解以维持肌张力，增加氧气需求。这种失衡迫使肌细胞尤其是快肌纤维(Ⅱ型)更多地依赖无氧糖酵解供能，从而导致乳酸、H+等代谢产物加速堆积[26]。细胞内pH值的下降不仅会直接抑制肌浆网钙离子释放和肌纤维收缩功能[27]，还会降低动作电位的传导速率，这为后续观测到的平均功率频率下降(频谱左移)提供了直接的代谢环境解释。因此，肌氧饱和度的早期下降可视为肌肉从有氧代谢向无氧代谢转换的“临界点”信号，为干预提供了一个宝贵的提前窗口。这为开发基于多模态信号的动态疲劳评估模型提供了重要依据。
既往研究多依赖单一技术(如表面肌电或关节角度)评估颈部疲劳，难以全面解析神经肌肉激活、代谢状态与运动控制的交互作用。徐明伟等[28]使用表面肌电探究长时间低头对颈椎疲劳造成的影响。MORENO等[29]基于光学运动捕捉技术量化颈椎活动度，通过监测起始角与终止角的动态偏移特征，系统评估了颈部肌肉疲劳状态下的生物力学响应模式。NIMBARTE等[30]使用Borg CR-10量表结合表面肌电、光学运动捕捉系统量化颈部肌肉疲劳对颈椎屈曲-松弛现象的影响，以揭示颈部疲劳与稳定性变化的生物力学机制。此次研究通过表面肌电-近红外光谱-运动捕捉的同步采集，揭示了在时间维度上肌电活动增强(均方根振幅↑、平均功率频率↓)与代谢效率下降(肌氧饱和度↓)的时序关联，明确代谢失衡早于电生理显著变化的规律。这一多模态框架为揭示颈椎疲劳的“代谢-电生理”反馈提供了全新视角。相较于依赖复杂运动学分析的传统方法，表面肌电与近红外光谱的组合具有便携、低成本的潜力[31]。从机制研究到应用转化，此次研究发现平均功率频率与肌氧饱和度的联合变化对疲劳进程具有高敏感性。这提示临床可开发便携式多模态监测设备，通过实时追踪平均功率频率与肌氧饱和度的动态变化为长时间伏案工作者提供早期疲劳预警，降低颈椎病发病风险。研究显示，上斜方肌较中斜方肌更早进入疲劳状态[18]，提示颈部训练日常应加重上斜方肌功能锻炼，未来康复方案需结合代谢监测优化训练-休息周期，以提升疲劳恢复效率。最后，此次研究通过多模态技术揭示了颈部疲劳的阶段性特征：早期代谢失衡触发神经肌肉代偿，晚期代偿失效导致运动控制退化[32](可在试验晚期明显看到低头角度减小)。平均功率频率与肌氧饱和度的联合监测可为颈椎疲劳的早期识别提供高敏感性指标，而上斜方肌的提前显著变化提示需优化康复训练靶点。未来研究需在更大样本、更真实场景下验证结论，并深入探索中枢-外周调控机制，为颈椎病防治提供新思路。
颈椎稳态依赖“肌肉-骨骼”功能单元。此次研究虽聚焦肌肉，但对骨组织工程有重要启示。研究发现的前屈姿势下肌肉异常负荷，表明颈椎骨骼承受的机械应力分布异常，此环境不利于骨维持而加速退变。研究监测的肌肉早期代谢与电生理指标(肌氧饱和度↓、平均功率频率↓)，是该功能单元失调的早期标志物。因此，骨组织工程中重建健康的肌肉力学环境与静态结构修复同等重要[33-34]。此多模态技术可为颈椎术后康复和再生治疗效果，提供动态的功能性评价体系，弥补静态影像的不足。
此次研究还存在以下不足：首先，试验采用45°标准化静态前屈姿势，但实际生活中颈部负荷多为动态且伴随多方向复合运动(如旋转、侧屈)[35]，后续研究可结合虚拟现实技术模拟真实办公场景，提升生态效度；其次，研究尽管发现平均功率频率与肌氧饱和度的显著关联，但其背后机制(如代谢产物对肌电信号的影响)仍需通过侵入式手段进一步验证；最后，研究纳入样本量较小，且未涵盖颈椎病高危人群(如长期伏案工作者)，未来需扩大样本量并纳入亚健康群体，验证结果的普适性。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

基于多模态技术分析颈部肌肉疲劳代谢电生理耦合及预警的高敏感性指标

Highly sensitive indicators of neck muscle fatigue derived from multimodal electrophysiological and metabolic coupling analysis

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[1]	邵云博, 郭珈宜, 李峰. 单侧膝骨关节炎患者下肢肌肉运动激活的特征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(24): 6174-6181.
[2]	王乐军, 池雯欣, 宋筱倩, 李倩, 乔敏洁, 陶海峰. 经颅直流电刺激干预后非稳定杠铃卧推运动表现及肌电活动变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(23): 6099-6109.
[3]	陈园月, 沈俊帆, 于翠, 陆建霞, 胡文萱, 朱军, 郭川. 表面肌电图在肌肉骨骼疼痛康复领域应用的知识结构与演化趋势[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(18): 4791-4801.
[4]	王雪鹏, 何勇. 肩袖撕裂患者肩胛骨运动障碍的表面肌电图评价[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(17): 4318-4324.
[5]	高原, 熊哲宇, 郑尉, 陈昊楠, 陈方雨晴. 髌股关节疼痛患者下台阶动作的下肢生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(32): 6913-6919.
[6]	李永杰, 刘梦玲, 张达宽, 付申宇, 刘洪举. 单侧膝骨关节炎对老年女性步态动力学和肌肉激活不对称性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(27): 5750-5756.
[7]	翟艺凡 , 李红霞, 田水承 , 程启威 , 甄欣悦. 功能性近红外光谱技术研究的可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(22): 4832-4840.
[8]	董友清, 魏子轩, 吴海鸥, 陈瑞兄, 段鹏, 陈楠, 林熙凯. 不同类型女性髌股关节疼痛综合征患者的下肢生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(21): 4458-4468.
[9]	李珍珍, 甄巧霞, 陈可可, 方伯言. 不同方式shaker训练过程中健康成人舌骨肌群激活程度的差异[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(18): 3791-3797.
[10]	董志文, 于聪, 陈岩, 丁建军. 认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制：功能性近红外脑成像系统分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(17): 3579-3587.
[11]	董洪铭, 李建萍, 刘超, 张洪浩, 李古强. 老年人上下楼梯肌肉激活特征与跌倒风险的关系[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(34): 5419-5424.
[12]	李珍珍, 周志鹏. 空吞咽与不同容积和稠度吞咽任务对健康人舌骨肌群的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(20): 3117-3122.
[13]	彭昕珂, 贾飞阳, 刘静, 刘红雅, 周桂娟, 刘丹妮, 郁静, 周君. 健康成年人反复唾液吞咽测试期间的近红外脑功能成像[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(32): 5103-5109.
[14]	安义帅, 张峻霞, 李慧, 张雨虓, 徐国良, 高昆, 于淑晗, 刘泽龙. 单侧膝关节屈曲受限下肢肌肉的协同特征[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(29): 4704-4711.
[15]	王帅, 王连成, 张书豪, 李富丽, 董佳兴, 张亚杰. 青少年特发性脊柱侧凸患者凸凹侧椎旁肌肌电比值与Cobb角、顶椎偏距、冠状面平衡距离的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1402-1406.