《Bioengineering》：Multimuscle Surface-EMG Characterization of Upper-Limb Fatigue During Repetitive Haptic Interaction for Health 5.0 Applications
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健康5.0日益涉及医疗机器人与人机触觉系统，这些系统需与患者及临床医生维持物理交互。本概念验证研究在20名成人中考察了400秒重复触觉书写任务期间与疲劳相关的表面肌电(sEMG)频谱变化。以1000 Hz采样监测五块上肢肌肉，通过拟合起止频谱下降归纳平均频率(
健康5.0日益涉及医疗机器人与人机触觉系统，这些系统需与患者及临床医生维持物理交互。本概念验证研究在20名成人中考察了400秒重复触觉书写任务期间与疲劳相关的表面肌电(sEMG)频谱变化。以1000 Hz采样监测五块上肢肌肉，通过拟合起止频谱下降归纳平均频率(MNF)与中位频率(MDF)轨迹，并合并为手臂级指标。MDF与存档受试者级疲劳分析评分的关联更高（r=0.954对r=0.783；Δr=0.171；Holm校正p=0.0035）。小样本影响分析支持该样本内排序的稳定性：逐一剔除受试者后，Δr在20/20次分析中保持正值（范围0.125–0.218），尽管精确的配对标签交换敏感性检验仍无定论（p=0.082）。探索性留一受试者校准中MDF的held-out误差更低（MAE 4.38、RMSE 5.87百分点）优于MNF（MAE 9.24、RMSE 12.02百分点）。原始七类Q2应答与存档0–100分析评分作为独立数据产品报告，因二者经直接线性重标度并不数值等价。据此结果确定MDF为该任务中更具前瞻验证潜力的频谱摘要，而非确立普遍优越性或对主观疲劳的数值替代。实验为实验室触觉书写研究，未测试手术机器人、康复机器人、患者群体或临床控制器；故健康5.0仅作为转化动机而非已演示应用。
研究背景与问题提出：健康5.0与工业5.0强调人本体中心与可持续人机协作，医疗机器人、遥操作及康复外骨骼中重复力反馈交互会累积上肢神经肌肉负荷。现有触觉文献多关注作动器性能、网络与沉浸感，对动态多肌肉sEMG频谱与主观疲劳的对应关系刻画不足；单一肌肉或静态收缩指标难以代表整个手臂在重复书写中的演化状态。为给疲劳感知型人机接口提供客观生理输入，研究人员开展受控动态触觉任务下的多肌肉sEMG频谱研究。
主要技术方法：研究为单中心单时段观察性概念验证，队列为20名成人（12男8女，25–59岁），均完成400秒Geomagic Touch力反馈触控笔重复书写阿拉伯字符任务。五块上肢肌肉（桡侧腕屈肌、肱桡肌、肱三头肌、肱二头肌、三角肌）以无线Delsys sEMG（含三轴加速度）1000 Hz采集；采用存档管线（Bessel滤波、去工频、0.125秒窗、0.0625秒跳、Hann锥化、单边周期图）计算各窗MNF与插值MDF，对归一化任务时间拟合一阶二次轨迹，取拟合起止差值作为肌肉级频谱下降指数，五肌等权平均得手臂级MNF与MDF指数；以存档0–100受试者级疲劳分析评分为参照，用Pearson/Spearman相关、Steiger依赖相关z检验、Holm校正、留一受试者影响分析与LOOCV内部校准（MAE/RMSE）比较两指数，原始七类Q2手臂疲劳问卷单独报告。
研究结果：
4.1 受试者与任务完成：20人全部完成400秒暴露与问卷，无脱落。
4.2 运动与力反馈特征：三轴位移反复反向，合力呈间歇强偏态分布，证实为非静力动态任务。
4.3 代表生理与频域行为：肱二/三头肌sEMG与加速度同步显示通道差异与非平稳运动，支持多肌肉分析。
4.4 参与者级MNF/MDF指数：MDF手臂指数与存档疲劳评分Pearson r=0.954（95%CI 0.885–0.982），MNF r=0.783（0.521–0.910），Steiger检验Δr=0.171（Holm p=0.0035）。
4.5 内部校准：LOOCV下MDF预测存档评分MAE 4.38、RMSE 5.87百分点，MNF为9.24与12.02。
4.6 比较性能与推断敏感性：留一受试者影响分析中Δr恒正（0.125–0.218）；配对标签交换随机化p=0.082，未达显著但方向稳定。
4.7 问卷结果：原始Q2（1–7级）分布为5分2人、6分9人、7分9人（均值6.35），与存档评分（25–90，均值56.95）不可线性互推，作为独立产物。
讨论与结论翻译：讨论指出MDF因对极端谱值不敏感，在该动态多肌肉任务中比MNF更贴合受试者级疲劳评分，但结论限于实验室触觉书写范式，不推广至手术/康复机器人或临床人群；原始Q2与存档评分为分离数据产品。研究结论为：在400秒重复力反馈书写中，五肌sEMG频谱下降可归纳为手臂级指标，MDF较MNF与本范式存档疲劳评分关联更强、留一校准误差更低，可作为健康5.0疲劳感知接口的前瞻验证候选；主观问答与客观频谱摘要须分开处理，不可数值互代。论文发表于《Bioengineering》。
