井下支護(hù)作業(yè)人員頸部肌肉疲勞特性研究*

陳曉琳，陳 立，郭鑫禾，翟韞哲

(河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

0 引言

礦井下照明差、噪聲嚴(yán)重、高溫高濕、工作空間有限等作業(yè)條件艱苦，環(huán)境惡劣，致使支護(hù)人員的疲勞程度增加，不安全行為發(fā)生率增高[1-2]。井下支護(hù)人員在作業(yè)過(guò)程中確定錨眼位置和觀察巷道頂部及周圍狀況時(shí)常伴有低頭、抬頭和頸部側(cè)屈等姿勢(shì)，雖然肩頸部負(fù)荷小，但是長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的頸部活動(dòng)極易導(dǎo)致頸部肌群酸痛僵硬，反應(yīng)遲緩等頸部疲勞特征，長(zhǎng)期的慢性損傷便會(huì)造成頸部肌肉骨骼損傷。目前，肌肉骨骼損傷已成為我國(guó)防控職業(yè)病面臨的重點(diǎn)問(wèn)題之一[3-5]。因此，研究支護(hù)作業(yè)過(guò)程中礦工頸部肌肉疲勞特性，明確頸部疲勞機(jī)制，從而降低煤礦行業(yè)肌肉骨骼發(fā)病率，進(jìn)一步完善礦工職業(yè)病防治技術(shù)是當(dāng)前職業(yè)健康保護(hù)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

近年來(lái)，在針對(duì)人體局部肌肉疲勞特性的廣泛研究中，表面肌電(Surface Electromyography,sEMG) 作為1種可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映肌肉活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)的人體信號(hào)，是研究特定肌肉疲勞特性的有力方法[6-8]。Kang等[9]通過(guò)騎行實(shí)驗(yàn)，分析了表面肌電信號(hào)與疲勞的相關(guān)性；杜云霄等[10]采用表面肌電法，以多種評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了伏案姿勢(shì)下頸部疲勞特征，從而得出有效的頸部肌肉疲勞評(píng)價(jià)算法；王琳等[11-12]對(duì)駕駛員頸腰部疲勞建立評(píng)價(jià)模型，得出腰頸部最易疲勞的位置；徐勝等[13]以sEMG頻域指標(biāo)對(duì)受限空間下鉆孔工人身體各部位的肌肉疲勞特征研究發(fā)現(xiàn)，不同作業(yè)姿勢(shì)對(duì)肌肉的疲勞影響程度不同；Hostens等[14]針對(duì)駕駛?cè)藛T三角肌等肌肉進(jìn)行sEMG分析，發(fā)現(xiàn)駕駛時(shí)長(zhǎng)對(duì)肌電信號(hào)影響較大。由此可知，當(dāng)前sEMG多應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)與交通駕駛等領(lǐng)域的人體肌肉研究，而在井下支護(hù)人員肌肉疲勞特性方面的研究與應(yīng)用尚且不足。

因此，本文選用sEMG評(píng)價(jià)分析井下支護(hù)人員頸部肌肉隨活動(dòng)角度及頻率變化的疲勞特性，以期為該職業(yè)群體選取合理的頸部活動(dòng)角度與頻率，為職業(yè)性肌肉骨骼損傷防治提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件及被試

實(shí)驗(yàn)選取支護(hù)作業(yè)過(guò)程中支護(hù)人員確定錨桿打眼位置及周圍環(huán)境檢查等上肢無(wú)負(fù)荷作業(yè)活動(dòng)為研究對(duì)象，此時(shí)頸部為間歇性靜態(tài)活動(dòng)，測(cè)試頸部伸張和屈曲時(shí)角度和頻率變化對(duì)頸部疲勞的影響特性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)頸部角度變化通過(guò)被試人員直視固定點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)，模擬巷道條件為高3 m，寬4 m，設(shè)置7個(gè)點(diǎn)位，點(diǎn)與點(diǎn)間隔0.5 m，根據(jù)頸部角度變化設(shè)置固定點(diǎn)位角度，如圖1(a)所示，并設(shè)置不同的頸部活動(dòng)頻率。根據(jù)臨床實(shí)驗(yàn)確定的肌肉特征，選擇夾肌、胸鎖乳突肌和斜方肌為實(shí)驗(yàn)測(cè)量部位，如圖1(b)所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)選取10名男性被試，年齡(22±2)歲，身高(175±1.55) cm，體重(69±5) kg，身體健康，肌肉狀態(tài)、關(guān)節(jié)狀態(tài)、體質(zhì)情況等方面狀況均良好，近期3個(gè)月內(nèi)無(wú)肌肉骨骼傷病，實(shí)驗(yàn)期間被試保持一致，無(wú)替換。實(shí)驗(yàn)前，所有被試均需進(jìn)行30 min安靜休息，以保持身體肌肉信號(hào)穩(wěn)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程開始前，首先使用酒精棉擦拭皮膚去除角質(zhì)及污垢，減少皮膚阻抗影響數(shù)據(jù)采集，然后將電極片按照既定順序粘貼固定在各肌肉部位。被試者按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行頸部活動(dòng)，并收集肌電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高、低作業(yè)頻率實(shí)驗(yàn)如下：

1)低頻實(shí)驗(yàn)：對(duì)1個(gè)固定點(diǎn)位角度直視，保持頸部靜態(tài)屈曲或伸張1 min，休息15 s為1組，循環(huán)25組為1次實(shí)驗(yàn)。

2)高頻實(shí)驗(yàn)：對(duì)1個(gè)固定點(diǎn)位角度直視，保持頸部靜態(tài)屈曲或伸張20 s，休息5 s為1組，循環(huán)75組或力竭為1次實(shí)驗(yàn)。

在采集完1個(gè)固定點(diǎn)位后，被試人員充分休息調(diào)整后，進(jìn)行余下固定點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)避免其他活動(dòng)干擾。

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)量及處理

實(shí)驗(yàn)通過(guò)銀-氯化銀雙電極電極片與肌電信號(hào)傳感記錄儀接收頸部肌肉電信號(hào)，采用ErgoLAB人機(jī)環(huán)境同步系統(tǒng)測(cè)量分析被試的頸部肌電數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)軟件Ergo3.0顯示，采樣頻率為1 024 Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用6個(gè)采集通道，同時(shí)測(cè)試被試人員的左右兩側(cè)夾肌、胸鎖乳突肌及斜方肌的肌電信號(hào)。

表面肌電的原始信號(hào)是一維的時(shí)間電壓序列信號(hào)，特點(diǎn)是信號(hào)弱、頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)。相關(guān)研究表明，積分肌電值(iEMG)對(duì)肌肉活動(dòng)狀態(tài)的反映有較好的實(shí)時(shí)性，中值頻率(MF)有較好的可靠性。因此，本文實(shí)驗(yàn)選用iEMG與MF為肌電信號(hào)時(shí)域和頻域評(píng)價(jià)分析的特征性指標(biāo)[15]。實(shí)驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)Ergo3.0濾波及歸一化處理后，提取并導(dǎo)出至Excel進(jìn)行匯總，由Origin軟件將iEMG與MF的趨勢(shì)圖導(dǎo)出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

頸部肌肉相對(duì)于其他身體部位肌肉負(fù)荷能力較弱，實(shí)驗(yàn)中被試人員進(jìn)行低強(qiáng)度的動(dòng)作反復(fù)的頸部活動(dòng)，屬于間歇性的頸部靜力性姿勢(shì)，致使頸部易產(chǎn)生疲勞，主要表現(xiàn)為肌電信號(hào)的緩慢變化。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，認(rèn)為當(dāng)iEMG與中值頻率MF短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化并逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，可判斷頸部肌肉為疲勞發(fā)生狀態(tài)。

根據(jù)人體右利性特點(diǎn)，以具有良好特征性的頸部右側(cè)肌肉作為主要研究部位，選取疲勞程度變化明顯的1，3，7號(hào)點(diǎn)位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)劃分為40個(gè)時(shí)段，取各時(shí)段平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析繪圖。

2.1 積分肌電值結(jié)果與討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到7種不同點(diǎn)位角度的頸部姿態(tài)下，各肌肉的疲勞積累程度，如圖2所示。由圖2(a)可知，頸部肌肉隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出iEMG值逐漸波動(dòng)上升的趨勢(shì)，并且在疲勞后期相對(duì)趨于平緩。10位被試者的iEMG值隨疲勞程度加深而增大，同時(shí)表現(xiàn)出由于個(gè)體不同而導(dǎo)致的疲勞機(jī)制的差異，個(gè)別被試者的iEMG上下波動(dòng)明顯密集，并在波動(dòng)中逐漸上升，說(shuō)明該被試頸部肌肉在收縮與舒張的平衡逐漸不穩(wěn)定，導(dǎo)致疲勞程度逐漸加深，隨時(shí)間變化，波動(dòng)減少，iEMG穩(wěn)定上升。

經(jīng)數(shù)據(jù)處理并繪圖，如圖2(b)～(d)所示，可見低頻實(shí)驗(yàn)中各點(diǎn)位過(guò)程中頸部肌肉疲勞發(fā)生過(guò)程，表現(xiàn)為iEMG值緩慢的波動(dòng)性增長(zhǎng)，前期波動(dòng)性較大，后期波動(dòng)性減小并趨于穩(wěn)定，說(shuō)明頸部肌肉達(dá)到穩(wěn)定疲勞狀態(tài)。

圖 2 低頻與高頻作業(yè)頸部肌肉iEMG變化曲線

由低頻實(shí)驗(yàn)中頸部肌肉iEMG變化可知，在同一點(diǎn)位角度的情況下，不同肌肉的易疲勞程度不同。由平視狀態(tài)至1號(hào)點(diǎn)位，頸部肌肉屈曲程度逐漸增大，胸鎖乳突肌的疲勞積累程度逐漸增加。根據(jù)圖3低頻實(shí)驗(yàn)疲勞前后iEMG對(duì)比，在5號(hào)點(diǎn)處，頸部屈曲程度弱于1號(hào)點(diǎn)位，頸部肌肉的疲勞積累程度相對(duì)較低，在1號(hào)點(diǎn)位頸部屈曲程度最大，疲勞積累程度較大。由平視狀態(tài)至7號(hào)點(diǎn)可見夾肌的疲勞積累程度明顯，在7號(hào)點(diǎn)位，頸部伸展程度最大，夾肌疲勞積累程度最大。

在高頻實(shí)驗(yàn)中，各肌肉疲勞狀態(tài)下iEMG發(fā)展趨勢(shì)與低頻實(shí)驗(yàn)時(shí)大致相同，疲勞程度相對(duì)提高，較明顯的變化特征為頸部主要肌肉發(fā)生顯著疲勞的時(shí)段有所提前。經(jīng)分析圖2可知，在低頻時(shí)各個(gè)點(diǎn)位實(shí)驗(yàn)中，在20～25個(gè)時(shí)段(16～19 min)的區(qū)間內(nèi)被試頸部活動(dòng)的主要肌肉疲勞程度均明顯提高，而高頻實(shí)驗(yàn)時(shí)時(shí)段提前至18～23個(gè)時(shí)段(13～17 min)發(fā)生。頸部肌肉在達(dá)到顯著疲勞后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行疲勞高速積累，后續(xù)波動(dòng)維持在一個(gè)較高的疲勞水平，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)人員頸部肌肉健康是非常不利的。因此，綜合高頻與低頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，將連續(xù)作業(yè)時(shí)段維持在發(fā)生顯著疲勞之前，即平均保持在15～20 min，進(jìn)行間斷性修整，可有效預(yù)防頸部肌肉骨骼損傷。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，高、低頻實(shí)驗(yàn)中各肌肉在各點(diǎn)位下疲勞前后iEMG對(duì)比圖，如圖3所示。由圖3可知，高、低頻實(shí)驗(yàn)中iEMG變化規(guī)律大致相同。夾肌和胸鎖乳突肌的疲勞前后iEMG變化程度差異顯著(p<0.01)，愈加趨向1號(hào)點(diǎn)位角度，即頸部屈曲程度最大時(shí)，胸鎖乳突肌疲勞程度最大。而在伸頸時(shí)，點(diǎn)位角度越大，夾肌疲勞積累程度大于其他肌肉。由此可見，在頸部屈曲狀態(tài)時(shí)主要作用肌肉為胸鎖乳突肌，頸部伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)主要肌肉為夾肌。斜方肌在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未表現(xiàn)出明顯的疲勞變化規(guī)律，有研究表明，斜方肌主要對(duì)肩部的活動(dòng)起到控制作用[15]，在無(wú)上肢負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行頸部的屈曲和伸展時(shí)，對(duì)斜方肌的刺激較小，因此，存在斜方肌實(shí)驗(yàn)前、后疲勞程度區(qū)別不明顯的情況?？偠灾?，不同的頸部點(diǎn)位角度下不同的肌肉部位疲勞差異顯著，間接性說(shuō)明不同的動(dòng)作中會(huì)對(duì)應(yīng)有不同的主動(dòng)肌，主動(dòng)肌也是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最易疲勞和疲勞積累程度最高的肌肉。

圖3 低頻、高頻實(shí)驗(yàn)疲勞前、后iEMG對(duì)比

2.2 中值頻率結(jié)果與討論

隨著肌肉疲勞程度的增加，表面肌電信號(hào)的功率譜會(huì)從高頻逐漸向低頻方向移動(dòng)，即表現(xiàn)出MF值的逐漸下降。經(jīng)處理得到中值頻率MF，取10位被試MF的平均值，繪制MF變化曲線并進(jìn)行擬合，如圖4所示。

由圖4可知，頸部屈曲與伸張狀態(tài)活動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)位角度下各肌肉MF斜率變化不同，頸部肌肉表現(xiàn)與iEMG結(jié)果一致。低頻實(shí)驗(yàn)中，由平視狀態(tài)至1號(hào)點(diǎn)，頸部屈曲角度增大，胸鎖乳突肌的MF下降斜率由0.18增大為0.60；由平視狀態(tài)至7號(hào)點(diǎn)，頸部伸展角度增大，夾肌的MF下降斜率由0.22增大為0.59；斜方肌未有規(guī)律性疲勞表現(xiàn)。高頻實(shí)驗(yàn)中，與低頻實(shí)驗(yàn)的iEMG與MF變化規(guī)律呈現(xiàn)相似規(guī)律，高頻實(shí)驗(yàn)的肌肉MF下降斜率不同程度上高于低頻實(shí)驗(yàn)(P<0.01)，1號(hào)點(diǎn)胸鎖乳突肌MF下降斜率提高至0.93，7號(hào)點(diǎn)夾肌MF下降斜率提升至0.84，斜方肌在高頻實(shí)驗(yàn)中疲勞速度提升。

圖4 低頻與高頻作業(yè)頸部肌肉MF變化曲線

為了更加清晰地體現(xiàn)高、低頻作業(yè)對(duì)頸部肌肉疲勞的影響作用，引入斜率比的概念，記高頻實(shí)驗(yàn)MF下降斜率為k1，低頻實(shí)驗(yàn)MF下降斜率為k2，q為下降斜率比，其計(jì)算如式(1)所示。

q=k1/k2

(1)

通過(guò)計(jì)算，得到7種不同點(diǎn)位角度下各頸部肌肉的斜率比，如圖5所示。由圖5可知，高頻實(shí)驗(yàn)下的頸部肌肉MF下降斜率是低頻實(shí)驗(yàn)的1～1.55倍，疲勞積累程度相較低頻實(shí)驗(yàn)顯著提升。在不同的頸部活動(dòng)角度下，降低作業(yè)頻率對(duì)不同肌肉的疲勞緩解程度是不同的。

圖5 低頻與高頻頸部肌肉MF下降斜率比

綜上，時(shí)域指標(biāo)iEMG和頻域指標(biāo)MF均將頸部肌肉的疲勞過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，已有研究表明，iEMG的上升與MF的下降表示肌肉產(chǎn)生和積累疲勞的過(guò)程，頸部肌肉的活動(dòng)伴隨著肌肉組織的收縮，運(yùn)動(dòng)單元在整個(gè)過(guò)程中為肌肉組織的收縮提供能量[3,12]。在實(shí)驗(yàn)前期，運(yùn)動(dòng)單元的數(shù)量滿足肌肉收縮的需求，可以維持頸部活動(dòng)的進(jìn)行；在實(shí)驗(yàn)中后期，運(yùn)動(dòng)單元的放電能力減弱，且數(shù)量減少，因而導(dǎo)致iEMG產(chǎn)生隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大轉(zhuǎn)而趨于平緩的變化趨勢(shì)。高頻實(shí)驗(yàn)比低頻實(shí)驗(yàn)中頸部活動(dòng)主要肌肉顯著疲勞發(fā)生的時(shí)間提前，也與相關(guān)研究的結(jié)果相近[11-12]，是頸部肌肉受高頻活動(dòng)影響導(dǎo)致能量失衡，從而使疲勞發(fā)生時(shí)間提前。

在實(shí)際的作業(yè)環(huán)境中，由于支護(hù)作業(yè)的特殊性，作業(yè)過(guò)程中會(huì)伴隨著不定頻率不定點(diǎn)位角度的頸部活動(dòng)，作業(yè)頻率過(guò)低易引起頸部肌肉的血流阻斷，頻率過(guò)高則會(huì)引起頸部肌肉收縮的供能不足，均會(huì)造成頸部的顯著性疲勞。比較分析高頻、低頻實(shí)驗(yàn)，可知在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中適當(dāng)降低作業(yè)頻率，改善作業(yè)時(shí)頸部的點(diǎn)位角度變換頻率，即減小單次作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，增加大、小點(diǎn)位角度切換頻率，可以有效降低頸部疲勞產(chǎn)生速度，緩解頸部疲勞積累。

3 結(jié)論

1)隨測(cè)試點(diǎn)位角度的變化，積分肌電值與中值頻率均表現(xiàn)出良好的敏感性，并將頸部疲勞變化體現(xiàn)為對(duì)應(yīng)肌肉iEMG的上升與MF的下降。

2)頸部屈曲程度增大時(shí)(1號(hào)點(diǎn)位角度)，胸鎖乳突肌疲勞變化突出，iEMG疲勞前、后差值最大(1.55)，MF下降率分別達(dá)到0.60和0.93；頸部伸展程度增大時(shí)(7號(hào)點(diǎn)位角度)，夾肌疲勞狀態(tài)明顯，iEMG疲勞前、后差值最大(1.59)，MF下降率最大分別為0.59和0.84；由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，并且涉及肩部運(yùn)動(dòng)較少，斜方肌疲勞并未展現(xiàn)出規(guī)律性變化。

3)高頻實(shí)驗(yàn)中各肌肉MF下降速度為低頻實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)肌肉的1～1.55倍，主要肌肉疲勞發(fā)生時(shí)間由16～19 min提前至13～17 min，頻率高且密集的頸部活動(dòng)作業(yè)導(dǎo)致疲勞快速發(fā)生，并造成更大的疲勞積累結(jié)果。適當(dāng)降低作業(yè)人員的連續(xù)作業(yè)頻率，增加休息間隙，將連續(xù)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)保持在15～20 min，可有效地緩解頸部肌肉疲勞，對(duì)預(yù)防深度疲勞及肌肉骨骼肌疾患有重大意義。