菜勺作業(yè)肩肘關節(jié)的生物力學分析

唐范 李開偉 易燦南

摘 要：菜勺是常用的烹煮工具之一，當使用菜勺進行烹飪時，需涉及到上肢的運動，特別是重復性的關節(jié)屈曲、旋轉活動極易造成累積性工作傷害。研究通過設計模擬菜勺勺湯實驗，利用VICON動作捕捉系統(tǒng)收集3種菜勺型號的右邊上肢關節(jié)（腕關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)）的三維運動坐標。通過對坐標數(shù)據分析結果發(fā)現(xiàn)，肘關節(jié)和肩關節(jié)的屈曲分別在33.55°至83.68°，12.95°至72.21°；而肘關節(jié)旋前角度47.15°至87.77°；菜勺型號（p<0.000 1）顯著影響3個部位的力矩值，菜勺型號越大力矩值也相應增加。

關鍵詞：菜勺；上肢關節(jié)；屈曲；旋前；力矩

中圖分類號：X 912.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2017）02-0127-05

Abstract：Ladles are commonly used hand tools in cooking.Ladling involves movements of upper extremities，especially repetitive elbow flexion and rotation，which might lead to cumulative trauma disorders.This research simulates soup ladling using ladles of three sizes.VICON motion tracking system was adopted to capture the three dimensional coordinates of upper extremity joints （wrist，elbow，and shoulder）.The analyses of the coordinates of the joints indicated that flexions of the elbow and shoulder were from 33.55°to 83.68° and from 12.95° to 72.21°，respectively.The angle of pronation of the elbow was from 47.15°to 87.77°.The size of the ladle significantly （p<0.000 1）affected the moment of the three joints.The moments in all the joints increased when the size of the ladle increased.

Key words：ladle；upper extremity joint；flexion；pronation；moment

0 引 言

上肢是人體完成作業(yè)活動的重要部位，而上肢作業(yè)頻繁、姿勢不當?shù)葧е律现睦鄯e性工作傷害（cumulative trauma disorders，CTDs），造成作業(yè)能力和工作滿意度下降的現(xiàn)象[1]。累積性工作傷害（cumulative trauma disorders，CTDs）是慢性肌肉骨骼傷害所引起的病變，導致CTDs的因素主要是工作姿勢不良，過度施力及高度重復性[2]。上肢的累積性工作傷害的普遍性也被證實與很多行業(yè)有關[3-4]，因此上肢累積性工作傷害在國內外調查中占肌肉骨骼傷害均有相當?shù)谋嚷省８鶕芯匡@示，使用手工具所造成的累積性工作傷害所占的比例最大[5-6]；在美國因操作手工具所造成的傷害賠償約占所有賠償事件的10%，每年約造成100億美金的成本損失。

菜勺是烹煮常用的工具，可以用來鏟菜和勺湯，菜勺內凹的結構能避免食物灑出，因此深受家庭主婦和廚師的歡迎。以勺湯為例，使用者通常會用慣用手緊握菜勺手柄，反復進行勺湯、倒下動作，在此過程中需要上肢進行重復性作業(yè)來完成該動作；加之廚師的工作時間較長，極易造成上肢的累積性工作傷害[7-8]。使用者作業(yè)時一般為單手作業(yè)，雙手使用菜勺的機會較低，且多為慣用右手作業(yè)，因此右手更容易發(fā)生CTDs.

上肢累積性工作傷害的產生與多種不同工作種類都有關，然而笨拙的姿勢被認為是造成CTDs的主要風險[9]；過度的施力和重復性的動作也是造成CTDs的風險因素[10]。由于CTDs多發(fā)生在使用手工具時，因此許多學者為降低和避免CTDS，針對手工具的設計/再設計作為主要研究主題[11-13]。所以針對與特定的作業(yè)進行上肢傷害的研究較為少見。針對平底鍋鏟作業(yè)，臺灣學者吳水丕通過調查發(fā)現(xiàn)，平底鍋鏟作業(yè)時上肢的手肘、手部和肩部是發(fā)生不適情況較高的部位[14]。為了更好地分析菜勺使用過程中的上肢的作業(yè)情況，預防使用者上肢作業(yè)時由于不自然姿勢和重復性的用力施力而造成傷害，降低和避免CTDs的發(fā)生，研究通過模擬勺湯實驗，收集被試在勺湯過程中上肢關節(jié)的三維坐標，通過坐標值計算出關節(jié)活動角度和力矩，找出影響因素，以供菜勺使用人員參考。

1 研究方法

1.1 被試

實驗招募4名大學生作為志愿者，均為男性，慣用手為左手，身體健康均沒有肌骨骼傷害的病歷。被試在實驗之前均了解實驗目的與過程，并簽署實驗知情書，登記個人基本信息，并在實驗員的指導下獨立完成實驗。被試的基本數(shù)據年齡、身高、體重分別為20.5（±0.6）yrs，172.0（±5.8）cm，63.9（±9.5）kg.

1.2 實驗器材

實驗場地為封閉式房間，由于攝像機對外界光線干擾比較敏感，特別是在有陽光的情況下，因此，實驗場在實驗過程中保持封閉。實驗數(shù)據的標定是通過英國OLM公司開發(fā)的VICON光學運動捕捉系統(tǒng)進行；通過配套軟件Vicon Nexus軟件進行實時采集三維坐標數(shù)據，以及進行坐標數(shù)據修補和出錯處理。Nexus軟件處理后的三維坐標數(shù)據還需要通過SAS 9.0進行更細致的數(shù)據處理。

為了更好地分析勺湯作業(yè)，實驗利用菜勺和架臺組合成模擬裝置，包括有3種不同型號的菜勺（小、中、大號）和2個架臺。菜勺分成圓勺、勺桿和木制手柄3個部分，如圖1所示；由于菜勺是不銹鋼所制容易反光，為避免影響實驗效果，將菜勺用啞光黑漆噴染。用ProE軟件建模計算出每個部分的重量以及勺桿的中心位置，詳細數(shù)據見表1；架臺包括一個60 cm高和一個80 cm高，架臺主要用來模擬灶臺，實驗中2個架臺中心位置相離50 cm.

1.3 實驗方法

VICON球直徑14 mm，可以精確反映人體微細變化，通過人體關節(jié)運動帶動反光球運動，經由感光器反射光線到紅外線攝像機中，將人運動學數(shù)據傳到系統(tǒng)中。實驗中分別在被試的肩峰端（sz1）、肘關節(jié)（sz2）、上臂（sz3）、腕關節(jié)外側（xz1）、第二指趾（xz2）和腕關節(jié)內側（xz3）關節(jié)粘貼標志點。菜勺的標志點分別貼在勺桿的重心位置，圓勺的兩側中心處，如圖2所示。通過標定的光點以定義各關節(jié)功能轉動中心，實驗過程中用100幀的頻率收集數(shù)據。

1.4 實驗步驟

被試進入實驗室后，先記錄其基本數(shù)據；然后由實驗員指導被試熟悉實驗裝置的操作，說明注意事項，讓被試進行反復實驗，直到確保被試完全熟悉后開始實驗。由于被試手臂上需要粘貼光點，為避免光點的移動影響實驗數(shù)據，要求被試穿緊身衣服或者能赤裸手臂的服裝。

被試熟悉實驗操作后進行正式實驗。先由實驗員給被試貼好光點，然后進行靜態(tài)動作采集，被試拿著菜勺進入攝像機攝制范圍中，保持靜態(tài)動作不變，實驗員錄制5 s的靜態(tài)動作；靜態(tài)動作錄制后，進行剛體模型建立；模型建立后，被試分別用3種型號的菜勺進行實驗，實驗順序隨機安排。由于標定的光點不能沾水，所以菜勺勺水的重量在實驗中用沙袋代替，沙袋的重量與相應菜勺水容量的重量一致。實驗過程中被試要求模擬勺湯過程，將放有沙袋的菜勺從50 cm高的架臺移到至80 cm高的架臺，并將沙袋倒下，完成整個打菜作業(yè)；在實驗過程中，被試的手腕需處于自然狀態(tài)，腕關節(jié)不能進行屈曲活動。被試每種型號的勺子需要進行兩次重復實驗，每個被試需要進行6次實驗（3種型號×2次），實驗完成后進行簡短的休息就進入下次實驗。

2 實驗數(shù)據處理

研究中所涉及的X，Y，Z軸分別表示左右方向、前后方向、豎直方向，任意點的坐標用（x，y，z）表示。任意兩反光球的距離可以用公式。

3 研究結果

3.1 肘關節(jié)活動分析

在模擬勺湯實驗過程中，被試首先通過上肢進行屈曲運動將菜勺和重物從低臺面上拿起；然后菜勺從低臺面移至高臺面上方，并將菜勺內的重物倒至高臺面。試驗要求被試手腕保持自然狀態(tài)，腕關節(jié)不進行關節(jié)屈曲活動。因此整個過程中，主要通過肘關節(jié)和肩關節(jié)的屈曲、旋前完成作業(yè)動作。關節(jié)活動范圍對作業(yè)活動能力有重要影響作用，如果關節(jié)活動范圍超出了參考值會導致作業(yè)能力減弱，長此以往容易產生上肢傷害。

3.1.1 肘關節(jié)

肘關節(jié)在打菜過程中，先進行屈曲運動將重物拿起，并使菜勺保持水平平衡狀態(tài)，將其從低臺面移至高臺面；到規(guī)定倒下重物位置后，通過旋前運動將勺內重物倒下。

對于肘關節(jié)的屈曲運動的范圍，可以利用余玄定理對動作捕捉系統(tǒng)的數(shù)據進行分析，可知肘關節(jié)的屈曲范圍計算公式為

α為肘關節(jié)屈曲范圍；l1是肩峰端（sz1）到肘關節(jié)（sz2）的距離；l2肘關節(jié)（sz2）到腕關節(jié)外側（xz1）的距離；l3是肩峰端（sz1）到腕關節(jié)外側（xz1）的距離。

肘關節(jié)的屈曲運動的正常范圍是0°～150°，通過計算結果可知，3種型號菜勺實驗中，從小號到大號，被試肘關節(jié)屈曲范圍的平均值分別為：33.55°至73.08°，38.13°至83.68°，37.18°至81.26°，均在屈曲參考值范圍內。通過CORR分析發(fā)現(xiàn)，肘關節(jié)屈曲角度與身高存在負相關關系，相關系數(shù)為0.45（p<0.05），身高越高屈曲角度越小。

肘關節(jié)在倒下勺內重物時，旋前運動的范圍可以利用腕關節(jié)外側（xz1）、腕關節(jié)內側（xz3）2個標志點的坐標確定；未旋轉時，設2個標志點的位置分別在A1，B1，旋前運動至A2，B2，建立空間向量A1B1和

A2B2，并利用空間夾角公式計算旋前范圍。

根據計算結果可知，被試的肘關節(jié)倒下重物時的旋前運動的范圍最小有47.15°便將重物倒下，最大有需要旋轉87.77°才將重物倒下的；而旋前的參考值范圍是0°～80°，被試旋前角度過大，會導致作業(yè)能力較低，容易產生上肢累積性傷害；CORR分析發(fā)現(xiàn)，肘關節(jié)旋前的角度與指節(jié)高有正相關關系，相關系數(shù)是0.46（p<0.05）。

3.1.2 肩關節(jié)

肩關節(jié)在打菜作業(yè)中主要完成前屈運動，通過觀察被試實驗過程中沒有進行超過90°的屈曲運動；利用肩峰端（sz1）到肘關節(jié)（sz2）的坐標數(shù)據進行分析，可知肩關節(jié)前屈運動的范圍計算公式。

通過計算可知被試一個周期內上臂在前矢狀面運動范圍為12.95°至72.21°；屈曲的參考值范圍是0°～180°.CORR分析結果表明，肩關節(jié)前屈角度與肩高有正相關關系，相關系數(shù)是0.51（p<0.05），肩高越高肩關節(jié)前屈角度越大。

ANOVA分析結果表明菜勺的型號對肘關節(jié)屈曲、肘關節(jié)旋前和肩關節(jié)前屈的活動范圍均沒有產生顯著性影響（見表2）。

3.2 力矩分析

對于三維坐標值，本研究選定3個作業(yè)瞬間作為分析對象。第一個是被試剛拿起菜勺的瞬間，由于菜勺被拿起來之前是放置在固定臺面的，其三維坐標是保持不變的，當實驗開始，菜勺被被試拿起從而導致其坐標變化，尤其是Z軸坐標的變化最能反應菜勺拿起的程度，本文設定當Z坐標值變化大于或等于1 mm則認為菜勺被拿起，因此當Z坐標值差累積到大于或等于1 mm時，即將該瞬間的坐標值作為分析值；第二個瞬間是菜勺在整個作業(yè)中最高的位置，即Z坐標最大的位置；第三個瞬間是被試翻轉菜勺將勺內沙袋倒下的瞬間，該瞬間的確定可以通過標定在圓勺兩側的標點坐標來確定，在翻轉圓勺過程中，向上轉的圓勺標點和向下轉的圓勺標點在Z軸上的坐標差不斷變化，當坐標差達到最大值時，可以認為圓勺已經豎立起來，從而將勺內沙袋倒下，因此可以通過兩標點的Z坐標差來確定該分析點（如圖3所示）。

計算力矩時使用的符號說明如下。

圓勺重量為Y；沙袋重量為S；桿重量為G；木制手柄重量為s；圓勺重心到桿重心的距離為Z1；桿重心到勺桿上端的距離為Z2；勺桿上端道手柄中心距離為Z3；第二指關節(jié)到肘關節(jié)的距離為L1；手腕關節(jié)到肘關節(jié)的距離為L2；肘關節(jié)到肩峰端的距離為L3；鋼制勺與X-Y平面形成的夾角為θ1；下臂與X-Y平面形成的夾角為θ2；上臂與X-Y平面形成的夾角為

θ3；被試體重為D；重力加速度g=9.8 m/s2.

同時根據Webb Associate（1978）提供的數(shù)據，可知上臂、下臂、手占人體重的百分比分別為2.80%，1.70%，0.60%；根據Dempster（1955）提供的身體各部質量中心的位置，可知下臂質量中心為下臂長的43%的位置，上臂質量中心是上臂長的43.6%的位置。

3.2.2 結果分析

勺湯過程中，被試手臂3個部位的力矩曲線圖如圖4所示，從菜勺被拿起后，3個部分的力矩呈上升狀態(tài)，但上升程度有所不同，以肩部的力矩上升幅度最大，肘部其次，手腕部位最小。通過ANOVA分析，動作瞬間對坐標數(shù)據有顯著性影響（p<0.000 1），3個瞬間點的坐標數(shù)據顯著不同，通過DUNCAN分析發(fā)現(xiàn)顯著差異是由拿起瞬間所引起，最高（5.44 N·m，±2.53）和倒下（5.41 N·m，±2.52）瞬間沒有顯著差異，兩者與拿起（4.29 N·m，±1.96）瞬間存在顯著性差異。菜勺型號對坐標數(shù)據存在顯著性影響（p<0.000 1），菜勺型號越大手臂3個部位的力矩越大，如圖5所示。上肢部位對坐標數(shù)據產生顯著影響（p<0.000 1），Duncan分析結果顯示，肩部的力矩（7.22 N·m，±1.28）遠大于手肘（5.88 N·m，±0.96）和手部（2.03 N·m，±0.45）的力矩。上肢部位和菜勺型號的交互作用也存在顯著影響（p<0.000 1），動作瞬間和上肢部位的交互作用同樣存在顯著影響（p<0.000 1）。

4 結 論

研究主要探討了菜勺作業(yè)時，使用者上肢的生物力學問題。通過模擬實驗收集到上肢關節(jié)的三維坐標值，經過分析后發(fā)現(xiàn)肘關節(jié)屈曲和肩關節(jié)屈曲的角度均值分別為58.34°（±7.94°）、31.26°（±7.00°），均在參考的活動范圍內；而肘關節(jié)在倒下作業(yè)時的旋前角度（68.36°，±13.76°）存在超出參考值范圍的情況，容易產生不適影響作業(yè)能力。通過力矩分析結果表明，菜勺型號（p<0.000 1）顯著影響3個部位的力矩值，菜勺越大力矩值也相應增加。本研究僅探討3種型號以及負荷值，而且3個負荷值之間的差距不大，因此未來研究可討論更廣泛的實驗負荷條件，考慮更多的實驗影響因素。

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（責任編輯：嚴 焱）