防護(hù)服活動(dòng)性及其對(duì)職業(yè)骨肌損傷影響的研究進(jìn)展

王詩(shī)潭 王云儀

摘要： 極端環(huán)境下穿著的防護(hù)服在保護(hù)作業(yè)人員免受環(huán)境因素的威脅時(shí)，也對(duì)著裝人體的活動(dòng)性造成了負(fù)面影響，如肢體活動(dòng)范圍下降、任務(wù)完成時(shí)間增加、步態(tài)失衡等。為此，文章回顧了國(guó)內(nèi)外有關(guān)防護(hù)服活動(dòng)性測(cè)評(píng)研究的發(fā)展歷程，從運(yùn)動(dòng)學(xué)活動(dòng)表象和動(dòng)力學(xué)活動(dòng)機(jī)制兩個(gè)層面探討了防護(hù)服活動(dòng)性的測(cè)評(píng)方法、適用范圍和研究不足。最后，總結(jié)了著裝人體活動(dòng)能力與職業(yè)骨骼肌肉損傷風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，包括損傷危險(xiǎn)因素、表征指標(biāo)及評(píng)估方法。未來(lái)，利用三維人體掃描技術(shù)從服裝-人體姿態(tài)空間關(guān)系的角度，實(shí)現(xiàn)快速便捷的活動(dòng)性測(cè)評(píng)；利用計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)構(gòu)建著裝人體骨肌模型并獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全面活動(dòng)性測(cè)評(píng)和骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將成為新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 防護(hù)服；關(guān)節(jié)活動(dòng)度；步態(tài)測(cè)試；操作靈活性；骨骼肌肉損傷

中圖分類(lèi)號(hào)： TS941.16文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1001-7003（2018）08-0052-08引用頁(yè)碼： 081110

Abstract： Protective clothing in extreme environments protects wearers from the threat of ambient factors， but also negatively affects the mobility of the wearers， such as decrease in the range of motion， increase of task completion time， and gait unbalance. Therefore， by reviewing the research progress of the protective clothing mobility at home and abroad， the method of mobility test， scope of application and research deficiency are discussed from motion representation of kinematics and motion mechanism of dynamics. At last， the relationship between the human mobility and the occupational musculoskeletal injury was summarized， including risk factors， characterization indexes and assessment methods. It will become a new development direction to evaluate the protective clothing mobility from clothing-body posture space relation by using 3D human body scanning technology， to acquire kinetics parameters and to evaluate musculoskeletal injury by computer modeling & simulation technology.

Key words： protective clothing； range of motion（ROM）； gait test； operation flexibility test； musculoskeletal injury

防護(hù)服的活動(dòng)性是服裝能夠允許人體自由運(yùn)動(dòng)、減少束縛、根據(jù)需要保持身體形狀的性能。消防服、航天服、防化服等功能防護(hù)服裝為保護(hù)作業(yè)人員免受環(huán)境因素的威脅，多選用厚重的面料，多層組合的面料配置模式，全方位包覆的連體結(jié)構(gòu)并配備剛性防護(hù)裝備。然而這種防護(hù)性的提升也相應(yīng)地降低了防護(hù)服的活動(dòng)性，增加作業(yè)人員的不良姿勢(shì)和用力程度，產(chǎn)生職業(yè)性骨骼肌肉損傷。例如，最新研發(fā)的防彈衣[1]，使用多層非織造復(fù)合材料提供了很好的防彈性能，同時(shí)也增加了軍人的身體負(fù)重和覆蓋率，極大地限制了軍人活動(dòng)范圍和降低了作戰(zhàn)能力。重達(dá)15～26kg的消防服及裝備不僅會(huì)束縛消防員活動(dòng)增加肌肉用力，還會(huì)擾亂步態(tài)穩(wěn)定增加滑跌損傷幾率，NFPA[2]有關(guān)消防員受傷類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，拉傷、扭傷和肌肉疼痛是主要受傷類(lèi)型，比例遠(yuǎn)超過(guò)燒傷。NASA[3]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明，航天服肩部的剛性軸承結(jié)構(gòu)和質(zhì)量已成為航天員肩部損傷的主要原因，其中64%的航天員穿著航天服訓(xùn)練時(shí)經(jīng)歷過(guò)肩部疼痛。因此，科學(xué)評(píng)價(jià)防護(hù)服的活動(dòng)性并建立其與骨骼肌肉損傷風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，有助于個(gè)體防護(hù)裝備的研發(fā)和改進(jìn)、職業(yè)損傷的預(yù)防及日常訓(xùn)練的科學(xué)化。

防護(hù)服活動(dòng)性的研究起源于20世紀(jì)50年代，有學(xué)者[4]發(fā)現(xiàn)厚重多層的軍用防寒服會(huì)降低軍人的肢體活動(dòng)性并增加代謝水平。如何量化著裝人體活動(dòng)性的下降程度成為早期的研究重點(diǎn)。在著裝人體活動(dòng)性量化的基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者一方面對(duì)比人體著裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取影響因素進(jìn)行防護(hù)服的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面，不斷探索更加精確和便捷的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，以建立統(tǒng)一的防護(hù)服活動(dòng)性測(cè)評(píng)體系，這也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近兩年，有學(xué)者結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)和職業(yè)衛(wèi)生學(xué)的知識(shí)，利用活動(dòng)性測(cè)評(píng)參數(shù)研究軍人、消防員等特種作業(yè)人員的職業(yè)性骨骼肌肉損傷風(fēng)險(xiǎn)。

本文從防護(hù)服活動(dòng)性的測(cè)評(píng)方法、著裝人體活動(dòng)性與職業(yè)性骨骼肌肉損傷關(guān)系兩個(gè)方面闡述該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，重點(diǎn)概述并對(duì)比各類(lèi)測(cè)評(píng)方法，最后展望了防護(hù)服活動(dòng)性研究的趨勢(shì)。

1防護(hù)服活動(dòng)性的測(cè)評(píng)

防護(hù)服活動(dòng)性測(cè)評(píng)即提取防護(hù)服和裝備影響人體活動(dòng)性的因素，并判斷這些因素是否能夠滿(mǎn)足人體活動(dòng)的力學(xué)需求。目前測(cè)評(píng)主要是引用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的手段，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)描述人體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，判斷著裝者穿著服裝后整體/局部的可活動(dòng)性；動(dòng)力學(xué)參數(shù)解釋人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)制，從骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)的角度探討著裝人體活動(dòng)表象的形成原理。

1.1防護(hù)服活動(dòng)性的影響因素

活動(dòng)性影響因素的正確識(shí)別是進(jìn)行防護(hù)服優(yōu)化的基礎(chǔ)，如隨著服裝層數(shù)或質(zhì)量的增加，活動(dòng)性會(huì)相應(yīng)下降，而質(zhì)量分布會(huì)影響活動(dòng)性下降的程度。

目前有關(guān)防護(hù)服影響因素的研究多是探討面料的質(zhì)量、剛度、彈性，以及服裝尺寸、合體性、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)受試者活動(dòng)能力的影響。Adams[4]、Dorman[5]、Goldman[6]分別研究消防服質(zhì)量、剛度、層數(shù)因素對(duì)特定關(guān)節(jié)活動(dòng)度和能量消耗的影響，總結(jié)得出消防服的質(zhì)量會(huì)增加消防員作業(yè)時(shí)的負(fù)載，束縛消防員肩部的屈曲，肘部、臀部、膝和肩部的橫向伸展運(yùn)動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致重心發(fā)生偏離，降低腿部活動(dòng)效率，增加跌倒風(fēng)險(xiǎn)。而關(guān)節(jié)活動(dòng)部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如肩部造型、后背褶裥量、軀干長(zhǎng)[7]等因素也會(huì)對(duì)肢體活動(dòng)角度和可及距離造成顯著影響。

但目前研究?jī)H停留在針對(duì)某一獨(dú)立因素影響的量化，著裝人體是一個(gè)整體，未來(lái)有必要探討服裝各因素的累積效應(yīng)并對(duì)各因素的影響權(quán)重進(jìn)行排序，為更精確的服裝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1.2著裝人體運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的測(cè)評(píng)

著裝人體運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的測(cè)評(píng)主要包括肢體活動(dòng)能力測(cè)評(píng)和平衡穩(wěn)定性測(cè)評(píng)兩部分，分別從關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、重心位置和步態(tài)時(shí)空參數(shù)的角度直接表征防護(hù)服的活動(dòng)性，這是目前最常用的活動(dòng)性測(cè)評(píng)方法。

1.2.1基于關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的肢體活動(dòng)能力測(cè)試

肢體活動(dòng)能力測(cè)評(píng)早期用于判斷臨床病人的康復(fù)效果[8]，通過(guò)測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度（range of motion，ROM），分析病人的肢體動(dòng)作和步態(tài)，從而完善治療方案。1957年，Nicoloff[9]最早將肢體活動(dòng)能力測(cè)試用于防護(hù)服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)中，通過(guò)對(duì)比著裝前后人體完成相應(yīng)動(dòng)作時(shí)的ROM判斷防護(hù)服的活動(dòng)性。目前，肢體活動(dòng)能力的測(cè)試方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)逐步向準(zhǔn)確化和全面化方向發(fā)展，已成為評(píng)價(jià)油罐清潔服[10]、高溫防護(hù)服[11]、消防服[12]、連體作業(yè)服[13]等功能防護(hù)服裝活動(dòng)性的首要測(cè)評(píng)手段。

1.2.1.1測(cè)試方法的準(zhǔn)確化與三維化

ROM測(cè)試方法的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)逐漸準(zhǔn)確化和三維化的過(guò)程，從簡(jiǎn)單的手動(dòng)測(cè)量法到二維攝影測(cè)量法再到目前使用的三維動(dòng)作捕捉法。

早期ROM測(cè)試通常使用測(cè)角儀，測(cè)量人體在靜止姿態(tài)下某一特定關(guān)節(jié)與鉛垂方向的最大角度差。截至目前，測(cè)角儀由于簡(jiǎn)單易行仍是靜態(tài)人體關(guān)節(jié)活動(dòng)角度測(cè)量的重要手段，但其準(zhǔn)確度和可靠性存在一些爭(zhēng)議。Gajdosik[14]針對(duì)不同測(cè)角儀所測(cè)得的肘部ROM數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性分析，得出數(shù)據(jù)存在顯著差異，測(cè)量工具本身已構(gòu)成影響ROM的因素。人工關(guān)節(jié)點(diǎn)定位困難和主觀(guān)讀數(shù)的差異性是造成誤差的主要原因，因此，對(duì)于ROM的測(cè)量需要自動(dòng)化的手段。

Huck[15]在草場(chǎng)救火服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)中采取連續(xù)拍照法進(jìn)行肢體動(dòng)作捕捉，并輸入Hjiaak計(jì)算機(jī)軟件中進(jìn)行圖像自動(dòng)處理，從而計(jì)算出關(guān)節(jié)活動(dòng)角度。至此，自動(dòng)化的圖像捕捉和數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)入到ROM測(cè)試領(lǐng)域，極大地減少了人工測(cè)量誤差。但對(duì)于厚重服裝，如消防服、航天服等，通過(guò)拍攝的照片很難定位關(guān)節(jié)點(diǎn)，并且受試者在完成某一動(dòng)作時(shí)都是快速驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，無(wú)法捕捉清晰的圖像，這都會(huì)對(duì)后期圖像識(shí)別和關(guān)節(jié)角度計(jì)算產(chǎn)生影響。

隨著計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)作分析系統(tǒng)的出現(xiàn)，定量分析人體活動(dòng)的方式又得到了擴(kuò)展。近些年，一些國(guó)外學(xué)者[16-18]將三維動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用到特種服裝和裝備的活動(dòng)性測(cè)試中，通過(guò)攝像機(jī)或慣性位置傳感器捕捉人體關(guān)節(jié)部位的標(biāo)記點(diǎn)，構(gòu)建人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)模型，并使用專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件計(jì)算人體關(guān)節(jié)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，如各方向的角位移及角速度等。與手動(dòng)測(cè)角儀和二維拍照法相比，三維動(dòng)作捕捉儀一方面可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量任何狀態(tài)下關(guān)節(jié)在3個(gè)維度的活動(dòng)角度，另一方面能以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，收集完整的復(fù)雜關(guān)節(jié)耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。圖2為人體手臂各關(guān)節(jié)三個(gè)維度角度測(cè)試示意圖。

2008年，NASA[18]首次將光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)Vicon 612/SV用于航天服活動(dòng)性的測(cè)試中，提出航天服整體活動(dòng)性的評(píng)價(jià)需要基于連續(xù)動(dòng)作的多關(guān)節(jié)活動(dòng)數(shù)據(jù)，圖3為肘關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)[19]。目前Vicon作捕捉系統(tǒng)已成為NASA的主要測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果用于探月車(chē)的設(shè)計(jì)、航天服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)。

Park等[19]將三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到防彈衣和消防裝備的活動(dòng)性評(píng)價(jià)中，并挖掘了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用深度。利用三維動(dòng)作捕捉儀可測(cè)關(guān)節(jié)不同截面運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，測(cè)量了佩戴呼吸器后人體下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面及水平面的ROM變化，將對(duì)人體活動(dòng)影響顯著的關(guān)節(jié)角度細(xì)化到水平面的范圍。隨后，Park等[20]又將動(dòng)作捕捉系統(tǒng)與肌電儀（electromyography，EMG）、腳底壓力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合，同步捕捉負(fù)重人體運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)并嘗試建立兩者之間關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)防彈衣對(duì)軍人活動(dòng)能力和肌肉疲勞的影響。

1.2.1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的精確化和全面化

肢體活動(dòng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般為靜態(tài)動(dòng)作時(shí)主要關(guān)節(jié)部位（肩、肘、臀）的ROM。早期由于靜態(tài)測(cè)角儀的限制，ROM的定義局限于“兩個(gè)相鄰身體節(jié)段最大可能移動(dòng)的角位移總量”[21]，圖4為踝關(guān)節(jié)最大活動(dòng)角度[13]。

然而，人體運(yùn)動(dòng)是多個(gè)關(guān)節(jié)共同作用的結(jié)果，并非每一個(gè)關(guān)節(jié)都需達(dá)到最大角度，使用最大關(guān)節(jié)活動(dòng)角度作為活動(dòng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)高估防護(hù)服的實(shí)際需求，還會(huì)造成不必要的耗材浪費(fèi)。隨著三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的出現(xiàn)，動(dòng)態(tài)ROM數(shù)據(jù)的收集成為可能。目前，防護(hù)服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)已從關(guān)節(jié)最大活動(dòng)角度向關(guān)節(jié)舒適活動(dòng)角度優(yōu)化，即關(guān)節(jié)在完成某一連續(xù)動(dòng)作時(shí)的平均活動(dòng)角度。

NASA[22]對(duì)比了受試者完成16個(gè)靜止動(dòng)作時(shí)的最大關(guān)節(jié)角度和49個(gè)連續(xù)動(dòng)作時(shí)的舒適關(guān)節(jié)活動(dòng)角度。結(jié)果顯示，同一關(guān)節(jié)在完成單一分解動(dòng)作和連續(xù)整體動(dòng)作時(shí)的ROM有顯著性差異，舒適活動(dòng)角度更符合人體的真實(shí)活動(dòng)狀態(tài)。

此外，ROM是多種元素組合的系統(tǒng)概念，除了與關(guān)節(jié)活動(dòng)角度相關(guān)外，還涉及到肢體可及距離，兩者互相補(bǔ)充，全面評(píng)價(jià)人體活動(dòng)。關(guān)節(jié)活動(dòng)角度可準(zhǔn)確表征某一平面內(nèi)的肢體活動(dòng)，當(dāng)涉及多平面內(nèi)的復(fù)雜關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)，可使用肢體可及距離進(jìn)行補(bǔ)充。肢體可及距離是指人體在工作空間內(nèi)自然狀態(tài)可以觸及的距離[23]，如坐姿、站姿狀態(tài)下手臂抬舉過(guò)頭的距離。目前，肢體可及距離多應(yīng)用于操作儀器或輔助裝備的設(shè)計(jì)與工效性能評(píng)價(jià)中，通過(guò)判斷作業(yè)者進(jìn)行控制的部件是否在可達(dá)域范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如NASA STD 3000標(biāo)準(zhǔn)中提供了上肢可達(dá)域范圍的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這為航天服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)及航天器的設(shè)計(jì)提供了參考。

1.2.2基于重心位置和步態(tài)參數(shù)的平衡穩(wěn)定性測(cè)試

平衡穩(wěn)定性測(cè)試主要研究人體負(fù)重作業(yè)時(shí)的身體平衡性和步態(tài)穩(wěn)定性，并探討其與著裝者摔倒、滑倒產(chǎn)生的足部損傷風(fēng)險(xiǎn)間的關(guān)系。如通過(guò)研究軍人背負(fù)武器長(zhǎng)途行軍、消防員背負(fù)呼吸器救援，以及戶(hù)外運(yùn)動(dòng)人員背負(fù)裝備徒步時(shí)的重心變化軌跡、步態(tài)模式和肌肉活動(dòng)等，以達(dá)到優(yōu)化裝備及負(fù)重分布、降低骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)的目的。

人體的平衡能力由中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制[24]，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)因素時(shí)該系統(tǒng)整合視覺(jué)、軀體和前庭系統(tǒng)的感官輸入，表現(xiàn)出一系列行走模式的變化及多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這皆是平衡控制和步態(tài)調(diào)整的代償反應(yīng)。由于這些補(bǔ)償措施是本能機(jī)械的，可通過(guò)步態(tài)分析對(duì)人體的平衡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

初期為簡(jiǎn)化運(yùn)算，平衡穩(wěn)定性測(cè)評(píng)僅關(guān)注人體負(fù)重站立狀態(tài)時(shí)的重心偏移或行走過(guò)程中單支撐階段矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)，這種簡(jiǎn)化忽略了負(fù)重時(shí)長(zhǎng)和冠狀面內(nèi)的內(nèi)（外）翻和水平面的旋內(nèi)（外），易造成步態(tài)穩(wěn)定的誤判[25]。

隨著研究的深入，步態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)從只考慮重力和慣性力的ROM參數(shù)向步態(tài)時(shí)空參數(shù)、足部動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化。Park等[20]使用足底壓力傳感器和肌電儀收集了足底壓力、步行周期、髖關(guān)節(jié)側(cè)向移動(dòng)距離和肌肉的肌電振幅峰值等步態(tài)參數(shù)，研究了防彈衣的質(zhì)量大小和分布對(duì)軍人步態(tài)模式、腿部肌肉功能的影響。

目前，平衡穩(wěn)定性的測(cè)評(píng)主要采用三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)、足底壓力傳感器、EMG等，收集人體重心的位置和變化軌跡，臀部、膝蓋、腳踝等下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)角度及步長(zhǎng)、步速、肌肉力等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表1），定量評(píng)價(jià)下肢運(yùn)動(dòng)的平衡與協(xié)調(diào)性。

整體來(lái)看，平衡穩(wěn)定性的研究處于探索階段，其測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)已逐步從運(yùn)動(dòng)學(xué)向動(dòng)力學(xué)層面豐富，測(cè)量得到的下肢動(dòng)力學(xué)參數(shù)為足部骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和鞋子、裝備及負(fù)重設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。但還未建立統(tǒng)一的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，未來(lái)的研究需深入考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：一是如何結(jié)合生物力學(xué)理論，建立通用的步態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立其與足部損傷發(fā)病間劑量-反應(yīng)的量化關(guān)系；二是如何更真實(shí)地實(shí)現(xiàn)平衡穩(wěn)定性測(cè)評(píng)，如模擬真實(shí)操作任務(wù)，考慮火場(chǎng)等實(shí)際路面環(huán)境等。

1.3著裝人體動(dòng)力學(xué)層面的測(cè)評(píng)

運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的測(cè)評(píng)所獲取的是人體活動(dòng)的表象參數(shù)，一方面無(wú)法可視化地觀(guān)察人體在完成動(dòng)態(tài)動(dòng)作過(guò)程中服裝與運(yùn)動(dòng)人體的作用關(guān)系，另一方面所得結(jié)果是多因素綜合作用后的最終表現(xiàn)，無(wú)法探討造成人體活動(dòng)束縛的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)建模仿真技術(shù)綜合了人體測(cè)量學(xué)、骨骼肌肉系統(tǒng)解剖學(xué)、多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真學(xué)的集成技術(shù)，為人-機(jī)（服裝和裝備）的交互關(guān)系研究提供了新的思路。著裝人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的建模仿真是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)建模仿真技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用，主要用于獲取物理測(cè)試儀器和數(shù)學(xué)模型無(wú)法得到的著裝人體骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)的受力、變形，以及肌腱的彈性性能、抗結(jié)肌的作用等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，這是分析人體活動(dòng)行為和評(píng)估骨肌損傷的直接指標(biāo)。此外，使用虛擬人體和虛擬服裝取代真實(shí)人體和真實(shí)服裝進(jìn)行有創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，有助于評(píng)估一些制作成本昂貴且易對(duì)人體造成骨肌損傷的特種服裝。

現(xiàn)階段，已有一系列商業(yè)化的人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)建模平臺(tái)，如ANYBODY平臺(tái)采用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)架構(gòu)，將運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)作為邊界條件，求解運(yùn)動(dòng)時(shí)人體肌肉力的募集、關(guān)節(jié)反應(yīng)力、韌帶負(fù)荷等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。但由于柔性服裝的多變性和多維度性，難以準(zhǔn)確地對(duì)其約束和驅(qū)動(dòng)，目前還沒(méi)實(shí)現(xiàn)柔性服裝的參數(shù)化建模及其與骨肌運(yùn)動(dòng)模型的耦合，只能模擬一些剛性裝備、高彈服裝或半剛半柔的服裝對(duì)人體活動(dòng)的影響，如鞋墊的剛度對(duì)足內(nèi)/外側(cè)縱弓程度的影響[26]、高彈泳衣的拉伸力對(duì)肌肉發(fā)力作用的影響[27]、軍盔參數(shù)對(duì)軍人頭頸部肌肉活動(dòng)的影響[28]、艙外航天服手臂活動(dòng)范圍對(duì)肩部肌肉激活的影響[29]等。但該方法所提供的技術(shù)支持，是未來(lái)進(jìn)行精確化測(cè)評(píng)特種防護(hù)服活動(dòng)性及評(píng)估著裝人體骨肌損傷的方向。

2基于著裝人體活動(dòng)性的職業(yè)骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)研究美國(guó)NIOSH[30]報(bào)告顯示職業(yè)骨骼肌肉損傷（occupational musculoskeletal injuries， OMSI）的患病率高達(dá) 20%～90%，已成為各國(guó)勞動(dòng)力和GDP損失的重要原因，其中重體力作業(yè)負(fù)荷、外部質(zhì)量負(fù)荷、姿勢(shì)負(fù)荷、力量負(fù)荷等危險(xiǎn)因素與損傷發(fā)病率之間存在劑量-效應(yīng)的關(guān)系。

防護(hù)服和裝備作為一種外部負(fù)載，不僅會(huì)增加著裝者的肌肉用力程度和能量消耗，還會(huì)擾亂關(guān)節(jié)活動(dòng)和身體的平衡穩(wěn)定性，增加更多強(qiáng)迫性姿勢(shì)，這些都是造成骨肌損傷的原因。而骨肌損傷的發(fā)生，又不可避免地會(huì)產(chǎn)生肌肉系統(tǒng)的疼痛、腫脹，反過(guò)來(lái)降低人體活動(dòng)能力。由此可得出，著裝人體的活動(dòng)性描述了人體動(dòng)作/姿勢(shì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)表象及肌肉活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，不僅是造成骨肌損傷的原因還是損傷作用效果的表現(xiàn)，可將其作為骨肌損傷研究的切入點(diǎn)。

目前，職業(yè)衛(wèi)生學(xué)領(lǐng)域研發(fā)了一系列基于生物力學(xué)指標(biāo)的骨骼肌肉損傷評(píng)估方法（表2），一是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察、錄像觀(guān)察或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試判斷活動(dòng)動(dòng)作/姿勢(shì)是否存在暴露危險(xiǎn)；二是通過(guò)肌電測(cè)試或建模仿真獲取不同危險(xiǎn)因素下肌肉激活（肌氧飽和度）和肌肉力進(jìn)行肌肉負(fù)荷和疲勞判斷。這種基于生物力學(xué)指標(biāo)的損傷評(píng)估方法，將過(guò)去僅停留在人體活動(dòng)分析層面的研究落腳到職業(yè)骨肌損傷評(píng)估領(lǐng)域，構(gòu)建了著裝人體活動(dòng)性測(cè)評(píng)與職業(yè)骨肌損傷評(píng)估之間的關(guān)系。

Cikajlo等[31]測(cè)試了消防膠靴的活動(dòng)舒適性，得出膠靴的質(zhì)量和剛度會(huì)增加踝和跖骨球關(guān)節(jié)額狀面上的側(cè)向位移，有造成腳踝極大扭傷的危險(xiǎn)。Park等[20]研究了防彈衣的質(zhì)量大小和分布對(duì)軍人下肢活動(dòng)及損傷的影響，結(jié)果表明負(fù)重所導(dǎo)致的身體前傾及盆骨前傾會(huì)增加背部骨骼肌肉受傷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，左右不對(duì)稱(chēng)的負(fù)重分布（如單側(cè)負(fù)重）也是增加慢性腰疼等疾病的重要因素。Son等[32]發(fā)現(xiàn)消防褲會(huì)對(duì)抬腿和內(nèi)收動(dòng)作造成約束，增加半腱肌的最大收縮率（maximum voluntary contraction， MVC），加速肌肉疲勞。

對(duì)比兩種骨骼肌肉損傷的評(píng)估方法（圖5），得出基于人體活動(dòng)姿勢(shì)的損傷評(píng)估是通過(guò)獲得人體活動(dòng)表象層面的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，判斷人體活動(dòng)是否在安全范圍內(nèi)進(jìn)而預(yù)判是否會(huì)發(fā)生損傷。這種指標(biāo)比較容易進(jìn)行觀(guān)察、測(cè)量和計(jì)算，但主觀(guān)性強(qiáng)、評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確，無(wú)法使用真人實(shí)驗(yàn)達(dá)到損傷程度，難以從本質(zhì)上對(duì)損傷機(jī)制進(jìn)行分析和理解。研究表明[33]，當(dāng)脊椎矢狀面前屈角度超過(guò)24.5°，下背痛的發(fā)生率從5.8%增加到25%。

基于神經(jīng)肌肉活動(dòng)狀態(tài)的評(píng)估是從內(nèi)部損傷機(jī)制層面獲取肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷程度，尤其是使用建模仿真所得的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)可量化到具體某一節(jié)段的損傷程度及達(dá)到肌肉疲勞閾值的時(shí)間，更全面深入地研究損傷的生物力學(xué)原理及人體活動(dòng)與損傷間的關(guān)系。Chaffin[34]構(gòu)建了三維靜/動(dòng)態(tài)重物提升模型，得出當(dāng)L5/S1椎間盤(pán)上的壓力超過(guò)3400N下背痛的發(fā)病率就會(huì)明顯升高。

兩種骨肌損傷評(píng)估方法與活動(dòng)性測(cè)評(píng)的手段一一對(duì)應(yīng)，這種結(jié)合生物力學(xué)和職業(yè)衛(wèi)生學(xué)理論的研究，可構(gòu)建起包括危險(xiǎn)因素識(shí)別、活動(dòng)性測(cè)評(píng)和基于活動(dòng)性測(cè)評(píng)結(jié)果的骨肌損傷評(píng)估的新型研究體系。將防護(hù)服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)提升到更為全面的分析層次，如將骨肌損傷級(jí)別作為評(píng)價(jià)防護(hù)服活動(dòng)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從減少作業(yè)人員職業(yè)骨肌損傷的角度為軍服、航天服、消防服等個(gè)體防護(hù)裝備的設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

但目前研究仍存在一些問(wèn)題和不足，如損傷危險(xiǎn)因素分類(lèi)太粗，尤其是沒(méi)有系統(tǒng)地考慮防護(hù)服和裝備層面的影響、損傷實(shí)驗(yàn)為有創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，無(wú)法使用活體達(dá)到損傷級(jí)別；目前常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)層面的損傷表征因子主觀(guān)性強(qiáng)，評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確、未建立損傷表征因子同發(fā)病率定量聯(lián)系等。今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：1）針對(duì)不同職業(yè)類(lèi)型的骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)性地確定危險(xiǎn)因素與損傷表征因子，加強(qiáng)防護(hù)服和裝備對(duì)人體負(fù)荷量、負(fù)荷時(shí)間及負(fù)荷類(lèi)型等影響的量化研究；2）建立著裝運(yùn)動(dòng)人體的骨骼肌肉仿真模型，獲取人體肌肉、關(guān)節(jié)、骨骼、肌腱等受力變化，從損傷形成機(jī)制層面建立損傷表征因子與損傷發(fā)病之間的量化關(guān)系。

3結(jié)論

目前防護(hù)服活動(dòng)性測(cè)評(píng)主要通過(guò)人體著裝實(shí)驗(yàn)，使用物理儀器獲得相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)和生理負(fù)荷參數(shù)，并開(kāi)始嘗試探討著裝人體活動(dòng)能力與職業(yè)骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)間的關(guān)系。但目前的活動(dòng)性測(cè)評(píng)方法，一方面無(wú)法探究著裝人體活動(dòng)受限的過(guò)程和原理，另一方面存在受試者自身體質(zhì)干擾、輸出參數(shù)單一、高強(qiáng)度活動(dòng)無(wú)法真實(shí)還原的問(wèn)題。未來(lái)可探索以下測(cè)評(píng)方法：

1）基于服裝-人體姿態(tài)空間關(guān)系的防護(hù)服活動(dòng)性評(píng)價(jià)。人體在完成相應(yīng)動(dòng)作時(shí)，身體的外形和尺寸會(huì)形成一定的姿態(tài)空間。服裝包覆在人體上也會(huì)隨著人體運(yùn)動(dòng)形成相應(yīng)的服裝姿態(tài)空間，其與人體姿態(tài)空間的差值即衣下間隙量。當(dāng)服裝形成的姿態(tài)空間能夠滿(mǎn)足人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的各種姿態(tài)空間時(shí)，即可認(rèn)為服裝滿(mǎn)足人體的活動(dòng)性。三維人體掃描技術(shù)結(jié)合逆向工程軟件，具有可視化和定量化的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)對(duì)齊裸態(tài)人體掃描圖像和著裝人體掃描圖像，提取多種二維、三維衣下間隙參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定性和定量的活動(dòng)性測(cè)評(píng)。隨著可測(cè)多樣化姿態(tài)的三維人體掃描儀的應(yīng)用，這將成為未來(lái)防護(hù)服活動(dòng)性測(cè)評(píng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2）著裝運(yùn)動(dòng)人體骨骼肌肉模型的構(gòu)建。如今，應(yīng)用計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)進(jìn)行服裝性能測(cè)評(píng)已成為一種研究趨勢(shì)，如利用三維虛擬試衣技術(shù)評(píng)價(jià)服裝的合體性。而使用建模仿真技術(shù)進(jìn)行全面活動(dòng)性測(cè)評(píng)主要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是人體運(yùn)動(dòng)模型與虛擬服裝模型的建立；二是人體運(yùn)動(dòng)模型與虛擬服裝模型的耦合，即服裝與人體作用關(guān)系的量化。目前，應(yīng)用ANYBODY等建模軟件構(gòu)建骨肌模型的技術(shù)已相當(dāng)成熟，但對(duì)于虛擬服裝模型的建立只能采用幾何建模的方法。未來(lái)，如何構(gòu)建參數(shù)化的柔性服裝模型并實(shí)現(xiàn)服裝模型與人體骨肌模型的動(dòng)力學(xué)耦合是探索新型活動(dòng)性測(cè)評(píng)手段，并從動(dòng)力學(xué)機(jī)制層面進(jìn)行骨肌損傷評(píng)估的方向。

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