基于表面肌電信號及視距的兒童作業(yè)狀態(tài)下跪式坐姿分析

王斯秋， 王生澤， 唐 智,1b， 姜鑫玉， 陳曉燕， 王 倩， 鮑文嵐

(1.東華大學(xué) a. 機械工程學(xué)院，b. 紡織裝備教育部工程研究中心， 上海 201620；2.上海市第一人民醫(yī)院 兒內(nèi)科， 上海 200080)

我國近視人數(shù)約占總?cè)丝诘?0%，青少年近視率全球第一，小學(xué)生近視率接近40%[1]，近視現(xiàn)狀亟需干預(yù)。陳曉琴等[2]研究表明，近視發(fā)展最快的階段約在8歲，這種快速發(fā)展趨勢將持續(xù)到十五六歲，可見兒童已成為近視高發(fā)人群。目前尚無徹底治療近視的有效手段，因此，兒童的近視防治主要依靠早發(fā)現(xiàn)和早干預(yù)[3]。普遍認為近距離閱讀及讀寫姿勢不當會導(dǎo)致近視[4]。人機工程學(xué)桌椅能夠減少近視、視疲勞和雙眼異常的發(fā)生，幫助兒童更好地閱讀[5]。Bao等[6]指出在近端工作期間視距減小會增加患近視的風(fēng)險，選用合適的桌椅糾正近端姿勢，將會緩解近視的發(fā)展。

挪威設(shè)計師彼得·奧布斯威克基于人機工程學(xué)設(shè)計的“Balans”座椅除具有傾斜的座面以外，還有腿部支撐，該座椅能使人體的脊椎處于最接近自然直立狀態(tài)的姿勢，有望減輕坐姿疲勞[7]。Bettany-Saltikov等[8]研究18～35歲的成年人在人體工學(xué)跪椅和標準電腦椅上的腰椎彎曲度時發(fā)現(xiàn)，使用基于人體工程學(xué)設(shè)計的跪式座椅能夠更大程度地保持同站立時相似的腰部彎曲度。Alamin等[9]研究發(fā)現(xiàn)，20名成年男性跪式坐姿下的腰椎情況最接近站立時的狀態(tài)，因腰椎負荷因素引起坐姿疼痛的患者坐在跪椅上的舒適度最高。然而，Lander等[10]研究發(fā)現(xiàn)，對于健康的成年人而言，相比普通坐姿，跪式坐姿下腰部和頸部的肌電測量均值更高，表明跪式座椅的舒適度較低。綜上所述，跪式坐姿可以使脊柱自然直立，進而增加人體近端工作時的視距，幫助預(yù)防近視，但對于成年人而言舒適度不高。

表面肌電(surface electromyography，sEMG)信號是從人體骨骼肌表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉活動時發(fā)生的生物電信號，反映了骨骼肌的活躍程度，其與肌力大小及肌肉疲勞程度有著較高的相關(guān)性[11-12]。利用sEMG技術(shù)分析坐姿肌肉疲勞情況的研究非常多。宋超等[13]觀察女性受試者以不同坐姿久坐前后腰部肌肉sEMG信號的變化，探討不同坐姿下久坐對豎脊肌功能狀態(tài)的影響；徐明偉等[14]利用sEMG技術(shù)分析頸部前屈狀態(tài)下肌肉的疲勞情況。

縱觀目前的文獻報道，關(guān)于跪式坐姿的研究主要是針對成人，鮮有關(guān)于兒童書寫作業(yè)狀態(tài)下的跪式坐姿研究，針對兒童的跪式座椅設(shè)計研究更是少見。雖有研究表明跪式坐姿會增加成人近端工作時的視距，但對兒童視距的影響不明。若將跪椅應(yīng)用到兒童學(xué)習(xí)椅中，也需對其舒適度進行研究。本文通過試驗對比分析了跪式坐姿和普通坐姿對兒童視距及舒適度的影響，以期為兒童跪式座椅設(shè)計提供更多研究基礎(chǔ)，便于今后針對兒童進行預(yù)防近視的人機工程學(xué)座椅設(shè)計。

1 試驗方法與過程

1.1 試驗方法

1.1.1 sEMG分析

分析、識別sEMG信號特征的常用方法主要有時域分析法和頻域分析法等[15]。時域分析法主要是在時間維度上對sEMG信號進行描述與分析，主要觀察信號振幅變化。采用時域指標的肌電積分值(integral electromyography，IEMG)監(jiān)測肌電信號。IEMG是一定活動時間內(nèi)所有參與活動的運動單位動作電位的放電總量[15]。在相同時間內(nèi)，振幅越大，IEMG值越大。IEMG計算公式如下：

(1)

式中：EMG(t)為表面肌電值。

頻域分析法主要是獲取頻率維度上的肌電信號特征，在計算時需要對肌電信號進行傅里葉轉(zhuǎn)換。采用頻域指標的平均功率頻率(mean power frequency，MPF)進行分析，計算公式如下：

(2)

式中：PSD(f)為肌電功率譜密度函數(shù)。

在分析MPF時，一般將MPF的降低作為肌肉疲勞的標志，而在使用MPF分析坐姿肌肉疲勞時，一般會對MPF做線性回歸分析。參考楊靜[11]、Areeudomwong等[16]的研究，對MPF和時間t進行線性擬合，用MPF-t曲線的斜率評價肌肉疲勞程度，回歸直線斜率為負值時表示肌肉發(fā)生疲勞。

1.1.2 坐姿舒適度主觀評價

主觀評價法是通過記錄試驗者的主觀心理感受進而判斷舒適度的方法，主要使用主觀量表和調(diào)查表進行評判。在心理學(xué)、人體工程學(xué)、家具設(shè)計、建筑與室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用語義微分法(semantic differential，SD)進行主觀評價[17]。SD法又稱心理量表法，是一種將人的感覺量化的主觀評價方法。采用語義微分法中的七級評價標準，受試者可用0～6的整數(shù)評定舒適程度，數(shù)值由小到大依次對應(yīng)非常不舒適、不舒適、較不舒適、一般、較舒適、舒適、非常舒適。通過數(shù)據(jù)處理得到各種特征參數(shù)，實現(xiàn)主觀感受的量化評價。

1.1.3 視距測量

人體尺寸數(shù)據(jù)的測量方法有丈量法、攝像法、問卷法和自動儀器測量法。考慮被試的安全和儀器使用的便利性，采用攝像法測量視距。攝像法主要通過CCD或CMOS成像實現(xiàn)人體尺寸的非接觸測量，原理上屬于光電法的拓展，即通過捕捉受試圖像，運用軟件在計算機中對圖像進行處理從而獲取被試的身體數(shù)據(jù)[18]。為避免圖像數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生過大的誤差，將SONY NEX 5R型相機置于距被試直線距離120 mm、高80 mm的位置，鏡頭與桌面平行，試驗中在被試的左眼眼尾處粘貼直徑10 mm的黃色標記圓點，便于視距定位。拍攝人體在書寫作業(yè)狀態(tài)下的姿勢，每位被試每組試驗拍攝60張圖片。利用Python軟件隨機抽取每組圖片，每組抽取5張，并將其導(dǎo)入Photoshop 2020軟件糾正圖片的幾何畸變,最后將圖片導(dǎo)入Image J軟件，測量視距。

視距的定義參照Wang等[5]定義視距的方法，將左眼到書本中點的直線距離定義為寫作業(yè)坐姿下的視距，如圖1所示。測量視距時，先用Image J軟件設(shè)定標尺，以課桌側(cè)邊長度400 mm為基礎(chǔ)，然后選定左眼標記點和書本中點，測得視距。

圖1 視距定義及測量Fig.1 Definition and measurement of visual distance

1.2 試驗設(shè)計

為研究跪式坐姿和普通坐姿對寫作業(yè)坐姿下的視距和人體舒適度的影響，設(shè)置對照組(普通坐姿)和試驗組(跪式坐姿)，如圖2所示。每位被試均參與兩組試驗。為保證試驗時被試的身體肌肉處于正常狀態(tài)，兩組試驗間隔超過24 h，且保證試驗開始前1周所有被試均不參與劇烈運動。

圖2 普通坐姿和跪式坐姿示意圖Fig.2 Schematic of ordinary sitting and kneeling sitting

1.3 被試信息

邀請6名小學(xué)生作為被試，均為女性，年齡為(8±1)歲，體重為(29.6±10.6)kg，身高為(130.3±8.8)cm，膝腘高為(38.57±3.88)cm。為控制試驗變量，所有被試身體健康，均無近視，無關(guān)節(jié)或骨骼損傷，無腰背疼痛情況。

1.4 試驗器材

試驗座椅采用的原型機為一款市售跪式座椅，主要包括座面、腿部支撐和支架部分。座面內(nèi)部為高回彈記憶棉，外部由針織布包裹。左右腿部支撐均由兩塊獨立包裹針織布的記憶棉組成。跪式坐姿組使用的座椅座面角度及腿部支撐角度設(shè)置為廠家建議角度，座面前傾角為10°，腿部支撐傾角為30°。普通坐姿組采用普通座椅角度設(shè)置，座面傾角為0°，不使用腿部支撐。試驗使用標準6號課桌，桌子高610 mm，桌面寬400 mm、長600 mm。

采用Mangold-10型無線藍牙多導(dǎo)生理儀(德國Mangold International GmbH)采集肌電信號，采樣頻率為2 048 Hz。采用SONY NEX 5R型相機捕捉記錄坐姿圖像，三腳架用于保持相機的穩(wěn)定性。

1.5 試驗過程

試驗前，向6名被試及其家長詳細闡述相關(guān)事項，確保被試方完全了解試驗?zāi)康?、基本要求、試驗潛在風(fēng)險及試驗涉及的器材與設(shè)備的用法。選擇豎脊肌和腓腸肌作為監(jiān)測肌群，采用一次性Ag-AgCl電極片，貼電極片前用75%酒精棉球清潔皮膚，去除皮膚表面的油污及壞死的角質(zhì)層以降低皮膚阻抗。待皮膚完全干燥后將電極片固定于皮膚上，電極沿肌纖維行走方向平行放置，間隔2～3 cm，如圖3所示。此外，還需給被試粘貼標記圓點。

圖3 表面肌電信號測試點Fig.3 Test points for sEMG signal

試驗開始時要求被試保持左右大腿大致平行，雙肩放松，雙手放置于桌面上。試驗中所有被試執(zhí)行相同的試驗任務(wù)，即在A4紙上抄寫文本，并且保持文本在書桌上放置的位置一致。

侯建軍[19]研究發(fā)現(xiàn)，使用跪式坐姿約在40 min時產(chǎn)生疲勞。為記錄肌肉疲勞，每組測試時間設(shè)置為60 min，每隔1 min拍攝一張坐姿圖片，每隔6 min進行1 min的肌電信號記錄。試驗員通過詢問法，每15 min記錄被試對坐姿舒適感的主觀評價。

1.6 數(shù)據(jù)分析

通過MATLAB_R2016b軟件計算肌電信號，用Image J軟件測得視距。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入IBM SPSS Statistics 26軟件中進行顯著性分析，采用配對樣本T檢驗。

2 結(jié)果和討論

2.1 視距

視距測試結(jié)果顯示，跪式坐姿組和普通坐姿組的視距均值分別為27.98 和23.37 cm，前者比后者高16.49%。顯著性分析結(jié)果顯示，p=0.001<0.05，即跪式坐姿與普通坐姿下測得的視距具有顯著性差異。由此可知，相比無傾角和無腿部支撐的普通學(xué)習(xí)座椅，使用跪式坐姿可顯著增大書寫作業(yè)狀態(tài)下的視距。這可能是因為跪式坐姿能改變?nèi)梭w重心，使得脊柱盡量保持自然直立，從而增大視距。

2.2 坐姿舒適度

2.2.1 肌電積分值IEMG分析

首先對普通坐姿組和跪式坐姿組的IEMG數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗，結(jié)果顯示：對于豎脊肌IEMG，p=0.001<0.05；對于腓腸肌IEMG，p=5.16×10-9<0.05。表明普通坐姿和跪式坐姿在60 min內(nèi)的坐姿肌疲勞具有顯著差異。

由徐明偉等[14]和王琳等[20]的研究可知：隨著肌肉疲勞的產(chǎn)生，肌肉收縮功能減弱，此時IEMG值會有所下降。但是為維持特定的坐姿，隨著肌肉負荷持續(xù)增加，肌肉逐漸處于緊張狀態(tài)，疲勞程度加重，參與動作的運動單元數(shù)量逐漸增加，肌電信號振幅增大，肌肉運動單位能量消耗增加，IEMG隨之增大。

圖4為普通坐姿組和跪式坐姿組的豎脊肌IEMG變化趨勢。由圖4可以看出，隨著書寫作業(yè)時間的增加，兩組試驗的IEMG均呈波動狀態(tài)。普通坐姿組的豎脊肌IEMG在6～12 min增大，表明此時豎脊肌出現(xiàn)疲勞，需調(diào)動更多肌肉維持坐姿；跪式坐姿組在36 min出現(xiàn)IEMG峰值隨后下降，而普通坐姿組在42 min出現(xiàn)峰值隨后下降，表明跪式坐姿組比普通坐姿組更早出現(xiàn)深度疲勞，進而出現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。兩組的豎脊肌IEMG均在54 min再次出現(xiàn)最低點，表示兩種坐姿下豎脊肌再次出現(xiàn)疲勞。

圖4 豎脊肌的IEMG變化趨勢Fig.4 The change trend of IEMG in erector spinae muscle

圖5為腓腸肌IEMG的變化趨勢。由圖5可以看出：跪式坐姿組的IEMG初始值高于普通坐姿組。隨著書寫作業(yè)時間的增加，跪式坐姿組的IEMG先減小，再在24～36 min增大，而普通坐姿組的IEMG在12～18 min和24～48 min呈增大趨勢。

圖5 腓腸肌的IEMG變化趨勢Fig.5 The change trend of IEMG in gastrocnemius muscle

表1為兩組坐姿豎脊肌和腓腸肌IEMG均值。由表1可知：豎脊肌的IEMG表現(xiàn)為跪式坐姿組比普通坐姿組高3.004 μV(45.91%)，這可能是因為跪式坐姿需用更多的肌力維持自然直立狀態(tài)的脊柱姿勢;腓腸肌的IEMG表現(xiàn)為跪式坐姿組比普通坐姿組高0.207 μV(12.67%)，說明跪式坐姿調(diào)用的肌肉更多，這與膝后腿部肌肉的肌力變大有關(guān)。

表1 豎脊肌和腓腸肌的IEMG均值

2.2.2 平均功率頻率MPF分析

平均功率頻率MPF已成為目前公認的評價肌肉疲勞的指標。隨著疲勞的產(chǎn)生，總體上MPF值呈下低趨勢。對MPF值進行顯著性分析發(fā)現(xiàn)，豎脊肌p=0.781>0.05，腓腸肌p=0.424>0.05，均不具有顯著性。豎脊肌和腓腸肌的MPF隨時間的變化趨勢如圖6所示，難以直觀地判斷肌肉疲勞情況。

圖6 豎脊肌和腓腸肌的MPF變化趨勢Fig.6 Trend of MPF change of erector spinae muscle and gastrocnemius muscle

利用MPF和時間t的擬合曲線分析肌肉疲勞。MPF-t斜率體現(xiàn)了久坐對于豎脊肌抗疲勞能力的影響。為直觀判斷豎脊肌MPF的整體變化趨勢，對豎脊肌MPF和時間t進行擬合，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，普通坐姿組擬合曲線斜率為0.088 7，跪式坐姿組擬合曲線斜率為-0.502 4，表明跪式坐姿組豎脊肌發(fā)生疲勞。

圖7 豎脊肌的MPF-t擬合曲線Fig.7 MPF-t fitting curve of erector spinae muscle

為了更直觀地判斷腓腸肌的MPF整體變化趨勢，對腓腸肌的MPF和時間t進行擬合，如圖8所示，普通坐姿組斜率為-0.259 3，跪式坐姿組為-0.342 2，可見跪式坐姿組MPF下降更多，腓腸肌肌肉活躍度相對更高，疲勞程度更高。

圖8 腓腸肌的MPF-t擬合曲線Fig.8 MPF-t fitting curve of gastrocnemius muscle

2.2.3 主觀舒適度分析

主觀舒適度分析按照主觀評價的評分原理對試驗所得主觀評價表進行資料統(tǒng)計，取6名被試的均值，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，普通坐姿的整體舒適度高于跪式坐姿，具體表現(xiàn)在普通坐姿組背部、腰部、臀部、大腿和小腿的舒適度均高于跪式坐姿組。跪式坐姿組下肢舒適度低的主要原因是腿部承擔了更多的壓力，導(dǎo)致舒適度下降。

圖9 兩種坐姿的主觀舒適度分析表Fig.9 Subjective comfort analysis table of two sitting postures

兩種坐姿身體向前滑動趨勢和腿部壓迫感主觀評價得分見表2。由表2可知，普通坐姿的腿部壓迫感和向前滑動的趨勢明顯低于跪式坐姿。這主要是因為跪姿座椅座面前傾一定角度后，人體由于重力的影響身體自主前傾，導(dǎo)致身體有了更大的向前滑動的趨勢。

表2 身體向前滑動趨勢和腿部壓迫感評分Table 2 Body sliding forward and leg pressure score

3 結(jié) 語

對比研究了兒童在60 min作業(yè)狀態(tài)下使用跪式坐姿和普通坐姿時視距及舒適度的變化情況。使用攝像法分析視距，使用sEMG和主觀評價相結(jié)合的方式評價坐姿舒適度。得到的主要結(jié)論如下：

(1)在寫作業(yè)時，兒童使用跪式坐姿時的視距比普通坐姿長16.49%，表明兒童使用跪式坐姿可有效增加視距，有助于實現(xiàn)預(yù)防近視的目的，并為預(yù)防近視產(chǎn)品提供理論支持。

(2)對于兒童來說，在60 min的作業(yè)坐姿狀態(tài)下，不論是使用跪式坐姿還是普通坐姿，都會產(chǎn)生一定的疲勞，但跪式坐姿下豎脊肌和腓腸肌疲勞度更高，其中跪式坐姿組的豎脊肌和腓腸肌的IEMG均值比普通坐姿組分別高45.91%和12.67%，MPF均比普通坐姿組下降得多。同時跪式坐姿的主觀舒適度更低，身體向前滑動趨勢和腿部壓迫感也更大。

預(yù)防近視是緩解兒童近視的重要手段，控制視距是預(yù)防近視的有效手段。為幫助兒童預(yù)防近視，可以考慮在書寫作業(yè)時使用跪式坐姿。考慮到跪式坐姿的舒適度，后續(xù)需對跪式座椅的座面、腿部支撐等做進一步研究，以期提高坐姿舒適度。