不同負(fù)重、坡度和速度背包任務(wù)下的背部肌肉疲勞評估

陳盈, 田水承, 李開偉， 鄒元

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710054; 2.中華大學(xué)工業(yè)管理系, 新竹 30012; 3.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司, 寶雞 721505)

生活中，背物徒步是最常見、最便捷的一種運(yùn)輸物品的方式。如學(xué)生背雙肩包上學(xué)、旅客背包遠(yuǎn)足觀光、上班族背包上班和搬運(yùn)工背物勞作等[1]。作為便利地?cái)y帶任務(wù)，背包任務(wù)導(dǎo)致的肌肉疲勞值得被關(guān)注。在手工材料處理(manual materials handling，MMH)任務(wù)中，79%的MMH任務(wù)會(huì)導(dǎo)致人體背部受傷[2]，過大的負(fù)重會(huì)導(dǎo)致骨骼不適或損傷[3]，且女性的不適感高于男性[4]。工業(yè)作業(yè)中，工人時(shí)常借助腰背部背物，緩解臂部拉力，持續(xù)用力一段時(shí)間后，因肌肉疲勞導(dǎo)致肌力下降[5]，會(huì)直接或間接造成肌肉骨骼疾病(musculoskeletal diseases，MSDs)。導(dǎo)致肌肉疲勞的因素，包括性別差異[6]、負(fù)荷大小[7]、用力姿勢[8]和步行速度[9]等，并且測量最大自主收縮力fMVC是肌肉疲勞最直接的評估方法。Yi等[10]探討兩種負(fù)載和時(shí)間條件下，拉動(dòng)模擬卡車桿后的拉力和主觀體力評分的顯著性影響；Rodrigues等[11]評估不同背包位置的步態(tài)規(guī)律性和局部動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；Elshafei等[12]研究發(fā)現(xiàn)，疲勞會(huì)降低肱二頭肌的角速度，利用局部肌肉肌電信號(hào)的變化評估肌肉疲勞；胡鴻等[13]構(gòu)建了以肌力降幅歸一化值為自變量的腰部主觀疲勞感知Erp回歸方程，研究了腰部Erp隨時(shí)間變化及顯著性特征。以往的研究中，負(fù)重和速度通常是固定的，步態(tài)運(yùn)動(dòng)、肌電信號(hào)和主觀疲勞等研究較多，負(fù)重、坡度和速度對人體心率Rh、最大耐受時(shí)間Tme和Erp的影響研究較少；運(yùn)用兩種以上負(fù)重、坡度和速度條件下的肌力變化來評估肌肉疲勞更是少見。

為探討不同性別的工人在不同條件下的背部肌肉疲勞狀況，研究評估參與者在不同負(fù)重、速度和坡度條件下，作業(yè)前背部肌力最大隨意收縮力fMVC和作業(yè)后的背部肌力最大隨意收縮力f′MVC，并記錄試驗(yàn)完成后參與者對身體的Erp，進(jìn)而探究負(fù)重、速度和坡度與fMVC、f′MVC、Erp、Rh和Tme之間的關(guān)系，并構(gòu)建男、女性徒步背包任務(wù)下背部肌力疲勞預(yù)測模型，評估他們徒步背包任務(wù)過程中的MSDs風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究方法

1.1 參與者

12名大學(xué)生(6名男性和6名女性，右利手)自愿參與本次徒步背包任務(wù)，參與者基本詳細(xì)信息如表1所示。BMI為體質(zhì)量指數(shù)，由每個(gè)參與者的體重和身高計(jì)算得出。所有參與者身體健康，未有過肌肉骨骼疾病史及精神疾病史。在參與試驗(yàn)前，參與者需充分理解試驗(yàn)?zāi)康呐c過程，并簽署書面同意書，不允許在測試前進(jìn)行強(qiáng)化活動(dòng)，飲用咖啡和酒精等刺激性飲品。

表1 參與者的基本信息

1.2 儀器設(shè)備及流程

(1)拉力測量儀：由TAKEI公司研制的，量程在20～300 kgf(1 kgf=9.806 65 N)的肌力測量器。

(2)主觀疲勞評價(jià)：采用Borg RPE量表，量程為6～20。用于記錄測量試驗(yàn)后和休息1 h后的參與者腰背部和腿的疲勞或不適的主觀感受。

(3)其他設(shè)備：跑步機(jī)1臺(tái)、背包2個(gè)、啞鈴1套等。

在3種背包負(fù)重(重量為0、自身體重的12.5%和25%)、3種步行速度(2、4和6 km/h)和兩種坡度(0°和10°)的試驗(yàn)要求下，隨機(jī)選擇一組。安排參與者在跑步機(jī)上徒步背包行走，直至參與者因勞累而無法繼續(xù)為止(至少徒步20 min及以上)，暫停試驗(yàn)，試驗(yàn)室靜坐休息1 h后，試驗(yàn)結(jié)束。此外，兩種類型的啞鈴用于模擬不同工作負(fù)荷，并且沒有攜帶啞鈴的一組被認(rèn)為是負(fù)重對照組。每名參與者的背部拉力和心率在測試前、后及休息1 h后被各記錄一次；每名參與者的Borg RPE等級(jí)值在測試后和休息1 h后被各記錄一次。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有參與者自愿參加試驗(yàn)，在試驗(yàn)前24 h內(nèi)沒有劇烈運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)選擇在9月進(jìn)行，確保試驗(yàn)室環(huán)境中的溫度和濕度值與外界盡可能接近。該試驗(yàn)采取隨機(jī)組設(shè)計(jì)，每個(gè)參與者被視為一組，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如示意圖1所示，包括前測、測試中和后測3個(gè)階段。試驗(yàn)條件包括：3種啞鈴(重量為0、自身體重的12.5%和25%)、3種速度(2、4、6 km/h)和兩種坡度(0°和10°)。為了獲得等長的背部力量，受試者站在平臺(tái)上，抓住平臺(tái)上方38 cm處的手柄，彎曲他/她的腰部，用背部肌肉的最大力量向上拉手柄，上拉2次，取最大值，這將是參與者背部肌肉的最大自愿收縮力，參與者背部拉力示意圖，如圖2(a)所示。在測試前，參與者背上一個(gè)啞鈴包，重量分別為0、自身體重的15%和25%，在不同速度和坡度條件下，要求參與者在跑步機(jī)上行走，直至精疲力竭，參與者徒步背包任務(wù)示意圖，如圖2(b)所示。每個(gè)參與者每天只允許進(jìn)行一次徒步背包任務(wù)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 參與者背部拉力和徒步背包任務(wù)示意圖

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)共記錄216種(12×3×3×2)試驗(yàn)狀況，包含12個(gè)受試者、3個(gè)負(fù)重、3個(gè)速度和2個(gè)坡度條件下的背部力量值F(t)。為分析不同條件下，男性和女性參與者的背部肌肉疲勞狀態(tài)，對測量得到的背部最大收縮力fMVC、最大耐受時(shí)間Tme、人體心率Rh和主觀疲勞感知Erp等數(shù)據(jù)，使用SAS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Friedman非參數(shù)檢驗(yàn)、方差分析、回歸分析和模型構(gòu)建等方法，得到肌肉疲勞系數(shù)、相應(yīng)的回歸方程以及肌力預(yù)測模型等。

2 結(jié)果分析

2.1 顯著性分析

每名被試在每次試驗(yàn)前均被測量一次最大背部肌力fMVC，試驗(yàn)前，所有參與者的fMVC均值為(57.57±15.24) kgf；試驗(yàn)后，所有參與者的f′MVC均值(47.08±9.69) kgf。fMVC因背包行走任務(wù)而下降，其下降百分比用D表示，其表達(dá)式為

D=(fMVC-f′MVC)/fMVC×100%

(1)

試驗(yàn)后參與者背部肌力下降的均值幅度為18.22%。Friedman非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果顯示：負(fù)重(顯著性水平Pr=0.513)、坡度(Pr=0.564)和行走速度(Pr=0.368)均對D%不顯著，無顯著性影響；但對Rh、Tme及Erp產(chǎn)生顯著性影響[圖3]，且隨著負(fù)重、行走速度和坡度的增加，顯著性增強(qiáng)。

*表示Pr<0.05;**表示Pr<0.01;***表示Pr<0.001

2.2 回歸分析

ANOVA結(jié)果顯示，參與者在背包作業(yè)過程中，因不同負(fù)重、坡度和行走速度的影響，Rh、Tme及Erp有明顯的變化，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 參與者試驗(yàn)前后在不同條件下疲勞指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

通過對參與者背部最大收縮力fMVC進(jìn)一步回歸分析，得到fMVC預(yù)測方程為

fMVC=0.70L+1.03G+7.46S

(2)

式(2)中：L為負(fù)重；G為坡度；S為行走速度。

回歸分析得到R2=0.86；ANOVA分析結(jié)果顯示：負(fù)重、行走坡度和行走速度的顯著性均小于0.05，故對參與者fMVC均產(chǎn)生顯著性影響。通過對參與者Rh進(jìn)一步回歸分析，得到Rh的預(yù)測方程為

Rh=1.16L+2.17G+19.57S

(3)

回歸分析得到R2=0.93；ANOVA分析結(jié)果顯示：負(fù)重(Pr=0.006，即Pr<0.01)和行走速度(Pr=0.002，即Pr<0.01)均會(huì)對參與者Rh產(chǎn)生顯著影響，坡度(Pr>0.05)不顯著，無顯著影響。通過對參與者Tme進(jìn)一步的回歸分析，得到Tme的預(yù)測方程為

Tme=166.95-2.8L-0.97G-14.14S

(4)

回歸分析得到R2=0.94；ANOVA分析結(jié)果顯示：負(fù)重(Pr=0.004，即Pr<0.01)顯著、行走速度(Pr=0.005，即Pr<0.01)和坡度(Pr=0.040，即Pr<0.05)均會(huì)對參與者Tme產(chǎn)生顯著影響。通過對參與者Erp進(jìn)一步回歸分析，得到Erp的預(yù)測方程為

Erp=0.27L+0.29G+2.33S

(5)

回歸分析得到R2=0.93；ANOVA分析結(jié)果顯示：負(fù)重(Pr<0.001)和行走速度(Pr=0.004，即Pr<0.01)顯著，均會(huì)對參與者Erp產(chǎn)生顯著影響；坡度(Pr>0.05)對參與者Erp無顯著影響。

2.3 背部肌力預(yù)測模型

Ma等[14]提出了一種簡單通用型的肌肉疲勞動(dòng)力學(xué)模型，該模型描述了肌肉力量的最大自愿收縮力fMVC，反映了外部負(fù)荷FL、工作量以及個(gè)體差異的影響。F(t)為背包負(fù)重行走一段時(shí)間后，男性或女性t時(shí)刻的肌肉力量，通過指數(shù)函數(shù)可表述為

(6)

式(6)中：k為疲勞系數(shù)。

式(6)還可表示為

(7)

令y=lnF(t)/fMVC，則式(7)可表示為

(8)

如果測量得到F(t)、fMVC和t，且回歸系數(shù)b=-fMVC/FL，則可以獲得b值，以確定Ma等[15]提出的重要疲勞參數(shù)或疲勞性。根據(jù)相關(guān)關(guān)系，k的計(jì)算公式為

(9)

疲勞系數(shù)k用于識(shí)別參與者個(gè)人屬性和群體特征。進(jìn)行回歸分析后以獲得方程中肌肉力量的疲勞系數(shù)k。男性和女性參與者的k值如表3所示。

表3 男女參與者背部肌肉力量疲勞預(yù)測模型的回歸分析結(jié)果

平均絕對偏差DMA的定義為衡量預(yù)測值與真實(shí)值之間的差異性，其表達(dá)式如式(10)所示，也可用D′MA來確定預(yù)測值與真實(shí)值的最大似然比[式(11)]。

(10)

(11)

式中：n為樣本數(shù)量。

針對于每個(gè)參與者的每個(gè)試驗(yàn)條件，使用男性和女性疲勞預(yù)測模型[表3]來計(jì)算預(yù)測值，與實(shí)際值相比后，代入[式(10)、式(11)]得到男性和女性參與者的DMA值分別為25.54 kgf和18.65 kgf；男性和女性參與者D′MA值分別為41.47%和37.74%。

3 討論

研究表明，肌力下降百分比是影響肌肉疲勞結(jié)果的主要因素之一[16]。當(dāng)D小于15%時(shí)，人將無限期地維持這種努力狀態(tài)[17]，未有疲勞感。ANOVA 結(jié)果顯示，男性比女性的fMVC值大，且顯著(Pr<0.05)；試驗(yàn)后，男、女性的D分別為15.49%和15.18%。在當(dāng)前的研究中，男性與女性的D%都略高于15%，故數(shù)據(jù)在D的范圍內(nèi)有效。兩性之間的差異可能是由于男性和女性參與者的背部肌肉力量發(fā)揮的差異。Erp在評估疲勞方面遠(yuǎn)比表面肌電圖更有幫助[18]。得到的參與者Erp評分與D之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.66(Pr<0.05)，表明Erp評分與D之間呈正相關(guān)。在試驗(yàn)過程中，負(fù)重(Pr<0.001)和速度(Pr<0.01)對Erp均有顯著影響；R2=0.93(即R2>0.80)，表明Erp預(yù)測方程有效。同理，本研究得出的參與者背部肌力最大收縮肌力fMVC預(yù)測方程(R2=0.86)、參與者心率Rh預(yù)測方程(R2=0.93)和參與者最大耐受時(shí)間Tme預(yù)測方程(R2=0.94)同樣有效。

疲勞系數(shù)k是用于描述人對疲勞的易感性或疲勞率，能反映肌肉力量的下降趨勢。Ma等[15]從生理學(xué)的角度指出，k是不同肌肉群疲勞性或抗疲勞性的恢復(fù)參數(shù)。男性與女性的疲勞系數(shù)分別為0.111和0.128，男性的疲勞系數(shù)低，說明男性肌力下降更快，抗疲勞性優(yōu)于女性；而在同樣的背包任務(wù)下女性的疲勞感知Erp靈敏度更強(qiáng)，較易感到疲勞。男性與女性肌力預(yù)測模型中，判斷系數(shù)R2分別為0.486和0.513。R2越高，表明預(yù)測模型越有效，即女性肌力預(yù)測模型更優(yōu)。男性和女性參與者的DMA值分別為25.54 kgf和18.65 kgf，就性別差異性而言，DMA結(jié)果顯示男性參與者背部肌力預(yù)測模型的誤差更大；男性和女性受試者的D′MA分別為41.47%和37.74%，女性的更小誤差率更小，可見在人體工效學(xué)中，試驗(yàn)得到的背部肌肉力量預(yù)測模型對女性參與者更有效。

4 結(jié)論

(1)負(fù)重(Pr<0.05)和速度(Pr<0.05)對Rh、Tme及Erp產(chǎn)生顯著性影響，且隨著負(fù)重、行走速度的增加，顯著性增強(qiáng)。

(2)研究所得的主觀疲勞感知、背部最大收縮力、最大耐受時(shí)間和心率的預(yù)測方程均有效。

(3)相比女性，男性肌力下降快，抗疲勞性也強(qiáng)；但女性的疲勞感知能力更強(qiáng)，女性肌力預(yù)測模型更有效。研究結(jié)果有助于量化體能需求，合理安排工作強(qiáng)度以及工作場所作息，從而助力降低工作相關(guān)的肌肉骨骼疾病的發(fā)病率。