背物行走時(shí)背部肌力及疲勞感知之分析與建模

彭露 李開偉 趙彩俊

摘 要：雙肩負(fù)重是常見(jiàn)的攜物行走方式之一，針對(duì)人體負(fù)重行走時(shí)肌肉疲勞情況的研究十分重要。本研究分析背負(fù)背包行走對(duì)背部肌力下降程度及自覺(jué)肌肉疲勞的影響。實(shí)驗(yàn)是以兩種不同的背負(fù)背包方式、3種不同的負(fù)荷重量比率以兩種不同的速度行走于跑步機(jī)上，持續(xù)時(shí)間為10 min，記錄實(shí)驗(yàn)前后的背部肌力及實(shí)驗(yàn)后的主觀疲勞評(píng)分。研究發(fā)現(xiàn)，背負(fù)背包方式、行走速度和負(fù)荷重量比率均會(huì)顯著影響背部肌力下降幅度及主觀疲勞評(píng)分。本研究還建立了主觀疲勞評(píng)分（RPE）預(yù)測(cè)模型及男女背部肌力預(yù)測(cè)模型，以量化背物行走時(shí)背部肌力與主觀疲勞的變化。

關(guān)鍵詞：負(fù)重行走；肌肉疲勞；背部肌力；主觀評(píng)分

中圖分類號(hào)：TB 18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7312（2016）06-0619-06

0 引 言

在日常生活中，背物行走是最方便的一種運(yùn)輸物件方式。如學(xué)生背雙肩包上學(xué)、旅客背包遠(yuǎn)足觀光、上班族單肩背包上班，搬運(yùn)工從事背物勞動(dòng)等。其中，雙肩背使負(fù)重均勻的分擔(dān)在左右兩側(cè)的肩膀上，對(duì)長(zhǎng)期單肩背和單手拎所帶來(lái)的斜肩等不良身體姿態(tài)起到緩解和改善作用，因此雙肩背部負(fù)重是最常見(jiàn)的負(fù)重行走方式。有報(bào)告指出，美國(guó)有超過(guò)4千萬(wàn)的學(xué)生在日常中使用雙肩背包[1]。但是，不恰當(dāng)?shù)谋嘲褂?，如長(zhǎng)期過(guò)度負(fù)重行走，會(huì)使肌肉處于疲勞狀態(tài)，從而導(dǎo)致一系列肌肉損傷問(wèn)題[2-3]。測(cè)量肌肉疲勞對(duì)工作設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)具有重要意義，通過(guò)找出肌肉疲勞模式，能夠使工作強(qiáng)度和工作/休息時(shí)間的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，從而減少肌肉骨骼系統(tǒng)傷害（musculoskeletal disorders，MSDs）的風(fēng)險(xiǎn)。

不少學(xué)者從生理學(xué)[4-6]和生物力學(xué)[7-9]方面研究負(fù)重行走對(duì)能量消耗、心肺反應(yīng)、肺活量與呼吸、步態(tài)、軀干姿勢(shì)、重量分布等方面的影響。許多有關(guān)負(fù)重的參數(shù)被量化研究，包括負(fù)重的位置[10]、負(fù)荷的重量[11-12]、背背包的方式[13]、行走速度[14]、年齡差異[15]、行走高度[16]和階梯行走等。已有研究證實(shí)[17-19]：背負(fù)超過(guò)自身重量15%的負(fù)荷會(huì)引發(fā)明顯的軀干傾斜、步態(tài)改變、較長(zhǎng)的血壓復(fù)原時(shí)間、較多的能量消耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致呼吸加快、臀部、膝蓋和關(guān)節(jié)部位的負(fù)荷增加。

前述的研究對(duì)肌肉疲勞的測(cè)量均是以間接測(cè)量方式進(jìn)行。直接的肌肉疲勞測(cè)量可以藉由衡量持續(xù)施力一段時(shí)間后最大隨意肌收縮（MVC）或力量的輸出衰減程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究證實(shí)當(dāng)體能需求不符合身體能力時(shí)，將會(huì)增加肌肉骨骼傷病的發(fā)生率[20]。負(fù)重行走對(duì)體能的需求如何、對(duì)肌力會(huì)造成何種影響不應(yīng)該被忽視。

在人因工程領(lǐng)域中，識(shí)別并量化身體能力 （Physical capability）一直是一個(gè)關(guān)鍵性的議題。體能 （Physical capability）能夠藉由特定部位或者由一組包含數(shù)個(gè)身體部位組合的肌肉強(qiáng)度來(lái)衡量。肌肉強(qiáng)度是特定肌肉群或者身體區(qū)塊在特定姿勢(shì)與施力條件下力量產(chǎn)出的最大值。當(dāng)施力持續(xù)一段時(shí)間，肌肉強(qiáng)度將因?yàn)榧∪馄诙陆?。肌肉疲勞可能與過(guò)度施力有關(guān)，且可能直接或間接地造成肌肉骨骼系統(tǒng)傷害[21]。此外，人類的主觀疲勞感知也是測(cè)量肌肉疲勞的重要方式，且主觀疲勞感知會(huì)對(duì)體能產(chǎn)生一定的影響。

要觀測(cè)肌力的下降程度必須持續(xù)施力一段時(shí)間，而肌力的降低可以通過(guò)測(cè)力儀來(lái)測(cè)量。

文章安排受測(cè)者以不同的背背包方式、不同的負(fù)荷重量比率以不同的速度在跑步機(jī)上行走10 min，測(cè)量受測(cè)者的肌力值及主觀疲勞評(píng)分。主要目的是：

1）探討背背包行走時(shí)，走路速度于背部肌力下降及自覺(jué)疲勞感知之影響；

2）探討背背包行走時(shí)，負(fù)荷重量比率于背部肌力下降及自覺(jué)疲勞感知之影響；

3）探討背背包方式對(duì)背部肌力下降及自覺(jué)疲勞感知之影響；

4）建立疲勞感知和背部肌力預(yù)測(cè)模型。

1 研究方法

1.1 受測(cè)者

研究招募6位大學(xué)生志愿者擔(dān)任受測(cè)者，其中男性3名，女性3名。受測(cè)者均身體健康且無(wú)肌肉骨骼傷害病史。受測(cè)者在參加實(shí)驗(yàn)前充分理解實(shí)驗(yàn)的目的與過(guò)程，并且簽署書面同意。受測(cè)者的基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括跑步機(jī)（treadmill）一臺(tái)、肌力量測(cè)器一組、啞鈴一組、雙肩背包一個(gè)及Borg RPE量表一具。肌力量測(cè)器用來(lái)量受測(cè)者的背部肌力，量測(cè)時(shí)受測(cè)者站在量測(cè)器的平板上，此平板上有一個(gè)數(shù)字顯示屏傳感器，傳感器頂端與一條鐵鏈相連，鏈條上端連結(jié)一握桿。當(dāng)受測(cè)者拉此握桿時(shí)，傳感器承受拉力的最大值顯示在顯示屏上。背包的負(fù)荷重量通過(guò)改變啞鈴的組合方式進(jìn)行調(diào)整。

1.3 實(shí)驗(yàn)狀況

實(shí)驗(yàn)之控制變項(xiàng)包括負(fù)荷重量、背背包方式及走路速度。負(fù)荷重量控制為被試身體重量的5%，10%，15%；走路速度包括3.2 km/hr及6.4 km/hr；背背包方式則包括前背（Front-packing）與后背（Backpacking）。總計(jì)實(shí)驗(yàn)狀況有12種 （3×2×2），總計(jì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)包括72次 （6×12）。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)受測(cè)者未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，以保持肌力的良好狀態(tài)。受測(cè)者第一次抵達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，先記錄其基本數(shù)據(jù)，隨后量測(cè)其最大背部肌力。量測(cè)時(shí)受測(cè)者站立于量測(cè)器平板上，調(diào)整肌力量測(cè)器上端的握柄至中指指節(jié)高度，此高度為受測(cè)者站立時(shí)手臂自然下垂時(shí)手部能夠握持的高度。量測(cè)最大背部肌力時(shí)，受測(cè)者握持握柄并以最大意志施力向上提舉，施力時(shí)間約四至六秒鐘，此值為受測(cè)者在該姿勢(shì)與條件下之最大肌力。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，受測(cè)者需參加十二次實(shí)驗(yàn)，每次進(jìn)行一種背包方式、負(fù)荷重量及走路速度狀況的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)受測(cè)者依實(shí)驗(yàn)狀況背背包行走于跑步機(jī)（treadmill）上（圖1），受測(cè)者前方有一幅Borg RPE量表[26]，行走持續(xù)時(shí)間為10 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受測(cè)者告知研究人員其感知的身體負(fù)荷在Borg RPE量表中的分值，同時(shí)立即再進(jìn)行一次背部肌力測(cè)量。研究人員記錄下受測(cè)者的RPE分值及實(shí)驗(yàn)后的背部肌力值。考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)間和志愿者疲勞對(duì)結(jié)果的影響，每名被試一天只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。

2 研究結(jié)果

2.1 背部肌力

每名被試在每次實(shí)驗(yàn)前均被測(cè)量一次最大背部肌力（Maximum voluntary constraction，MVC），實(shí)驗(yàn)前女性的MVC為64.89（±7.45） kgf，男性為116.32（±9.26） kgf.實(shí)驗(yàn)后女性的背部肌力（MVCafter）為52.38（±12.17） kgf，男性則為96.06（±12.82） kgf（如圖2）。

背部肌力因背包行走而下降的百分比可采用以下公式計(jì)算：

D（%） = （MVC-MVCafter）×100%/MVC.（1）

其中D（%）為肌力下降幅度；MVC及MVCafter 分別為實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)后測(cè)量的最大背部肌力。

實(shí)驗(yàn)后女性背部肌力的下降幅度為19.3%，男性為17.4%.ANOVA分析結(jié)果顯示：行走速度（p=0.028 3）、負(fù)荷重量（p<0.000 1）及背負(fù)背包方式（p=0.000 3）均會(huì)對(duì)D%產(chǎn)生顯著影響（如圖3所示），而各因子的二階及三階交互作用對(duì)D%的影響均不顯著。

2.2 主觀疲勞評(píng)分

每一位受測(cè)者在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)自覺(jué)疲勞程度（Rating of Perceived Exertion，RPE）進(jìn)行評(píng)分，其評(píng)分依據(jù)為Borg-RPE量表（見(jiàn)表2）。主觀疲勞評(píng)分的ANOVA分析結(jié)果顯示：行走速度（p=0.000 8）、背負(fù)背包方式（p=0.017 8）及負(fù)荷重量（p<0.000 1）對(duì)RPE的影響均達(dá)到顯著水平（如圖4）。各因子之二階與三階交互作用均未達(dá)顯著水平。相關(guān)分析結(jié)果顯示RPE與D%的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69（p<0.000 1）。

通過(guò)對(duì)RPE進(jìn)行逐步回歸分析，得到RPE的預(yù)測(cè)模型，如公式（2）所示。

RPE=-176.28+1.03×H-1.87×W+5.65×BMI+63.33×Lr+0.71×v.

（2）

其中R2=0.85，H，W，BMI，Lr，v分別表示身高（cm）、體重（kg）、身體質(zhì)量指數(shù)（kg/m2）、負(fù)荷重量（%）及行走速度（km/hr）。身高（p<0.000 1）、體重（p<0.000 1）、BMI（p<0.000 1）、負(fù)荷重量（p<0.000 1）及行走速度（p<0.000 1）都是預(yù)測(cè)模型中的顯著影響因素。

2.3 背部肌力預(yù)測(cè)模型

Ma et al.[23]提出了一種通用型動(dòng)態(tài)疲勞模型，通過(guò)系數(shù)k來(lái)刻畫不同肌肉群的疲勞度，可用于描述肌肉力量的下降趨勢(shì)。該模型已被不少學(xué)者應(yīng)用于人工物料搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的肌力預(yù)測(cè)中[24-26]。Ma et al.提出的疲勞模型如公式（3）所示：

將表3中的k值代入公式（3）中，可求出受測(cè)者在負(fù)重行走10 min后的肌力預(yù)測(cè)值，從而求出MAD值。研究中，男性和女性的MAD值分別為4.34 kgf和3.85 kgf.負(fù)重行走10 min后，男性和女性肌力的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比情況如圖5，圖6所示。

2.4 討 論

背包行走是生活中常見(jiàn)的一種活動(dòng)。研究探討負(fù)荷重量、行走速度和背負(fù)背包方式對(duì)人體背部肌力下降及主觀疲勞度造成的影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)男性（116.32 kgf）的最大背部肌力顯著高于女性（64.89 kgf）（p<0.0001）。實(shí)驗(yàn)后，女性的平均肌力下降幅度為19.3%，高于男性的17.4%.女性在負(fù)荷重量為5%和15%的情況下，其肌力下降幅度高于男性；而在負(fù)荷重量為10%的情況下則相反（如圖7）。在行走速度為3.2km/hr的情況下，女性肌力的下降幅度比男性高3.5%；而在行走速度為6.4 km/hr的情況下，女性肌力的下降幅度僅比男性高0.7%（如圖8）。前背背包（20.78%）造成的肌力下降幅度顯著高于后背背包（16.06%），且向前背包（12.86）導(dǎo)致的主觀疲勞評(píng)分也顯著高于向后背包（11.89），由此可知以向前方式背包會(huì)造成更大的背部疲勞。文獻(xiàn)[27]指出當(dāng)前負(fù)重行走時(shí)，受測(cè)者步頻顯著增大，說(shuō)明前負(fù)重時(shí)受試者步頻保持能力較差，需要提高步頻來(lái)維持步速，同時(shí)維持穩(wěn)定，這不利于節(jié)省能量消耗。

有研究表明：女性在中、低強(qiáng)度作業(yè)中的抗疲勞性優(yōu)于男性[28]，但抗疲勞在性別上的這種差異與具體的作業(yè)活動(dòng)及肌肉群有關(guān)[29]。表3中女性（k=0.226）的疲勞系數(shù)低于男性（k=0.304），表明在本研究中女性的抗疲勞性優(yōu)于男性。不過(guò)，女性的主觀疲勞評(píng)分在不同水平的負(fù)荷重量比率、背包方式及行走速度下均高于男性。疲勞系數(shù)能夠反映肌力下降趨勢(shì)，與主觀疲勞無(wú)關(guān)，女性的疲勞系數(shù)低而主觀疲勞評(píng)分高說(shuō)明女性對(duì)肌力下降造成的疲勞感知更敏銳。

其中f（t）為t時(shí)間下的肌力值；t1，t2分別為負(fù)重作業(yè)的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間。文中的D（%）即為負(fù)重行走10 min后以百分比表示的FCI.主觀疲勞評(píng)分RPE與肌力下降幅度D（%）的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69，表明主觀疲勞評(píng)分能夠在一定程度上反映肌力下降程度，但在RPE的回歸模式中，D（%）并不是RPE的顯著影響因素，即RPE與D%并不存在顯著的線性關(guān)系。這與Li & Chiu得到的結(jié)論不同，其原因可能是2個(gè)研究開展的作業(yè)活動(dòng)在施力部位、動(dòng)作上均有很大差別。Li & Chiu開展的是雙手?jǐn)y物作業(yè)實(shí)驗(yàn)，研究的是上肢肌肉疲勞；而此研究探討的是雙肩背包行走活動(dòng)，以背部肌力作為因變量。

一個(gè)成年人的平均步行速度為3.75～5.43 km/h，為區(qū)分高、低2種步行速度，研究選取了3.2 km/hr和6.4 km/hr 2種行走速度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受測(cè)者對(duì)這2種速度較為適應(yīng)。在實(shí)際生活中，人們背負(fù)背包行走可能有多種步行速度，甚至?xí)S時(shí)調(diào)節(jié)步伐快慢，在此僅探討2種步行速度，是研究的局限性所在。另一個(gè)不足是僅選取5%，10%和15%等3種負(fù)荷重量，而實(shí)際中的背包負(fù)荷比率范圍要大得多，如背包客一般的負(fù)重為體重的1/4，極限不超過(guò)1/3.文獻(xiàn)[17]表明背負(fù)超過(guò)自身重量15%的負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間行走會(huì)引發(fā)明顯的身體疲勞，宋等人[30]進(jìn)行負(fù)重行走實(shí)驗(yàn)時(shí)選取的負(fù)荷重量為5%，10%，15%.研究基于安全的考慮，最高負(fù)荷重量亦選為15%.此外，樣本數(shù)略小也是本研究的限制之一，未來(lái)的研究可擴(kuò)充樣本數(shù)并涵蓋不同年齡層的被試，以提高RPE及肌力預(yù)測(cè)模型的適用范圍與預(yù)測(cè)能力。

3 結(jié) 論

雙肩背物行走帶來(lái)的肌肉疲勞會(huì)導(dǎo)致背部肌力下降。研究發(fā)現(xiàn)背負(fù)背包方式、行走速度和負(fù)荷重量比率均會(huì)顯著影響背部肌力下降幅度及主觀疲勞評(píng)分。身高、體重、身體質(zhì)量指數(shù)、負(fù)荷重量及行走速度是RPE線性回歸模式中的顯著決定因素。肌力下降幅度D（%）與RPE的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69.研究還確定了男性和女性在負(fù)重行走10 min后的肌力預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)女性的疲勞系數(shù)低于男性，說(shuō)明女性在負(fù)重行走中的抗疲勞性優(yōu)于男性，但女性的主觀疲勞評(píng)分高于男性，說(shuō)明女性對(duì)肌力下降造成的疲勞更敏感。負(fù)重行走對(duì)肌力下降的影響研究能夠幫助識(shí)別并量化背物行走對(duì)體能的需求，更加合理地設(shè)計(jì)背物行走模式，從而減少因背物行走引發(fā)的肌肉骨骼傷病發(fā)生率。

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