坐姿條件下前向突發(fā)負荷和預負荷對軀體穩(wěn)定性的影響

熊凱文，王 瑤，王子含,3，宋春楊，馬 進，胡文東

(1空軍軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學系航空航天醫(yī)學裝備教研室，陜西 西安 710032；2空軍軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，陜西 西安 710038；3陜西中醫(yī)藥大學公共衛(wèi)生學院，陜西 咸陽 712046)

腰痛在全球范圍內(nèi)具有較高的患病率[1]。飛行員作為易感人群，更常受到腰痛的困擾[2-3]，進而對其工作能力造成不良影響[4]。飛行員所承受的加速度是導致腰痛的重要危險因素，其中水平加速度帶來的突發(fā)負荷在腰痛的發(fā)生中起到了重要作用。預負荷會使相應肌肉在工作前呈現(xiàn)預激活狀態(tài)，具有穩(wěn)定軀體的作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在固定骨盆的半坐位下，肌肉預激活可以增加內(nèi)部肌肉的緊張性，減少外部突發(fā)負荷對軀干的干擾[5]。但是，不同肌肉預激活方式和強度的腰部防護效果不同，且坐姿會影響肌肉激活的效果[6]，可能也會對肌肉預激活作用產(chǎn)生影響。為進一步明確肌肉預激活在飛行員坐姿狀態(tài)下承受突發(fā)負荷的作用，本研究擬探索坐姿條件下前向突發(fā)負荷強度和預負荷方式以及強度對軀體穩(wěn)定性的影響。

1 對象與方法

1.1 對象

本實驗招募17名男性大學生作為被試，年齡(21.12±1.22)歲，身高(175.47±4.43)cm，體質(zhì)量(69.50±6.96)kg。納入標準：身高在164～185 cm之間，體質(zhì)量不低于標準體質(zhì)量的80%，不高于標準體質(zhì)量的130%，標準體質(zhì)量(kg)=身高(cm)-110；實驗前24 h未進行劇烈體力活動，無肌肉疲勞、酸痛等現(xiàn)象，身體健康狀況良好，無腰背部相關(guān)疾病史。所有實驗對象對實驗的目的和過程完全知情，并簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 實驗模型 本實驗建立了前向突發(fā)負荷模型(圖1)。在該模型中，被試坐于座椅上，雙腳分開與肩同寬，雙手置于身體兩側(cè)，胸前T4位置通過繩索連接突發(fā)負荷(圖1中 ① 處)，繩索中設(shè)置拉力傳感器(圖1中 ② 處)監(jiān)視負荷大小，身體T4位置安置角度傳感器(圖1中 ③ 處)以獲取身體晃動參數(shù)。

①水平突發(fā)負荷施加處；②拉力傳感器；③角度傳感器。

此外，根據(jù)飛行員操作模式和相似研究的方法，本實驗研究的預負荷方式包括3種(前向預負荷、后向預負荷和右手拉式預負荷)。前向預負荷通過上述前向突發(fā)負荷的方式實現(xiàn)，后向預負荷通過胸后T4位置連接負荷實現(xiàn)，手拉式預負荷通過被試右手在臍高度抓握負荷實現(xiàn)。

1.2.2 最大負荷力量(maximal load force，MLF)測量

MLF可通過前向突發(fā)負荷模型實現(xiàn)，其測量內(nèi)容包括前向最大負荷力量(MLF前)、后向最大負荷力量(MLF后)和右手拉式最大負荷力量(MLF拉)。具體測量方式：被試人員胸前T4位置連接負荷，測量其從上身略微前傾至中立正直坐姿(全程軀體保持正直)所能拉起的最大負荷，記為MLF前；被試人員胸后T4位置連接負荷，測量其從上身略微后傾至中立正直坐姿(全程軀體保持正直)所能拉起的最大負荷，記為MLF后；被試人員右手在臍高度抓握連接負荷繩索，測量拉起的最大負荷，記為MLF拉；上述拉起標準均為1 cm。被試人員完成MLF測量后參加后續(xù)實驗需間隔48 h以上。此外，本實驗研究的3種預負荷方式實現(xiàn)方法與上述MLF測量方法相似。

1.2.3 實驗過程 17名被試以隨機順序先后參加4組實驗，包括對照組、前向預負荷組、后向預負荷組和手拉式預負荷組。對照組無預負荷，前向預負荷組的預負荷強度分別為20%和40% MLF前，后向預負荷組的預負荷強度分別為20%和40% MLF后，手拉式預負荷組的預負荷強度分別為20%和40% MLF拉；所有組的突發(fā)負荷強度均設(shè)置為20%、40%和60% MLF前。

在各組中，被試根據(jù)前向突發(fā)負荷模型要求坐于座椅上，拉起相應的預負荷(對照組無預負荷)并保持穩(wěn)定的坐姿10 s，隨后在聲音提示下分別施加20%、40%和60% MLF前的突發(fā)負荷，記錄身體晃動參數(shù)。為了避免發(fā)生肌肉疲勞，組間間隔10 min，組內(nèi)每次間隔5 min。

2 結(jié)果

2.1 前向預負荷

預負荷和突發(fā)負荷的交互作用對軀體晃動角度的影響有統(tǒng)計學意義(P<0.01)，進行單獨效應分析，結(jié)果如圖2所示。

2.1.1 預負荷的單獨效應 研究在突發(fā)負荷作用下不同預負荷強度的作用。在突發(fā)負荷強度為20% MLF時，不同預負荷強度的晃動角度之間均存在差異(P<0.05)，進一步比較后發(fā)現(xiàn)，預負荷強度為40% MLF時的晃動角度小于無預負荷時的晃動角度(P<0.05)，而無預負荷和預負荷強度為20% MLF之間、預負荷強度為20% MLF和預負荷強度為40% MLF之間的晃動角度均無統(tǒng)計學差異(P>0.05)；在突發(fā)負荷強度為40% MLF時，得到了與上述相似的結(jié)果；在突發(fā)負荷強度為60% MLF時，不同預負荷強度之間的晃動角度無統(tǒng)計學差異(P>0.05，圖2A)。

2.1.2 突發(fā)負荷的單獨效應 研究在預負荷作用下不同突發(fā)負荷強度的作用。在無預負荷強度時，不同突發(fā)負荷強度的晃動角度之間存在差異(P<0.01)，進一步比較后發(fā)現(xiàn)，突發(fā)負荷強度為40% MLF和突發(fā)負荷強度為60% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負荷強度為20% MLF的晃動角度(均P<0.01)，而突發(fā)負荷強度為40% MLF和突發(fā)負荷強度為60% MLF之間的晃動角度無統(tǒng)計學差異(P>0.05)；在預負荷強度為20% MLF時，得到了與上述相似的結(jié)果；在預負荷強度為40% MLF時，在與上述結(jié)果相似的基礎(chǔ)上，突發(fā)負荷強度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負荷強度為40%MLF的晃動角度(P<0.01，圖2B)。

A：預負荷在不同突發(fā)負荷強度下的作用；B：突發(fā)負荷在不同預負荷強度下的作用。MLF:最大負荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.2 后向預負荷

由于預負荷和突發(fā)負荷對軀體晃動角度的影響不存在交互作用(P>0.05)，進行主效應分析。不同預負荷強度和不同突發(fā)負荷強度對晃動角度的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，進行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，預負荷強度為40% MLF的晃動角度小于無預負荷晃動角度(P<0.05)，其余無統(tǒng)計學意義(圖3A)；突發(fā)負荷強度為40% MLF和突發(fā)負荷強度為60% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負荷強度為20% MLF的晃動角度(均P<0.01)，突發(fā)負荷強度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負荷強度為40% MLF的晃動角度(P<0.05，圖3B)。

A：預負荷強度對軀體的影響；B：突發(fā)負荷強度對軀體的影響。MLF:最大負荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.3 手拉式預負荷

由于預負荷和突發(fā)負荷對軀體晃動角度的影響不存在交互作用(P>0.05)，進行主效應分析。不同預負荷強度和不同突發(fā)負荷強度對晃動角度的影響具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，進行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，預負荷強度為40% MLF的晃動角度均小于無預負荷和預負荷強度為20% MLF(均P<0.05，圖4A)的晃動角度，突發(fā)負荷強度為60% MLF和突發(fā)負荷強度為40% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負荷強度為20% MLF的晃動角度(P<0.01)，突發(fā)負荷強度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負荷強度為40% MLF的晃動角度(P<0.01，圖4B)。

A：預負荷強度對軀體的影響；B：突發(fā)負荷強度對軀體的影響。MLF:最大負荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.4 不同預負荷方式之間的比較

本研究進行三因素多水平方差分析，發(fā)現(xiàn)不同預負荷方式、不同預負荷強度和不同突發(fā)負荷強度對軀體晃動角度的影響存在交互作用(P<0.05)。當預負荷強度為20% MLF，突發(fā)負荷強度為20%、40%和60% MLF時，不同預負荷方式之間無統(tǒng)計學差異(P>0.05，圖5A)；當預負荷強度為40% MLF，突發(fā)負荷強度為20% MLF時，不同預負荷方式之間存在統(tǒng)計學差異(P<0.05)，進行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，前向預負荷的晃動角度小于后向預負荷和手拉式預負荷的晃動角度(均P<0.05)；當預負荷強度為40% MLF，突發(fā)負荷強度為40% MLF時，不同預負荷方式之間無統(tǒng)計學差異(P>0.05)；當預負荷強度為40% MLF，突發(fā)負荷強度為60% MLF時，不同預負荷方式之間存在統(tǒng)計學差異(P<0.05)，進行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，前向預負荷的晃動角度大于后向預負荷和手拉式預負荷的晃動角度(P<0.05，圖5B)。

A：預負荷強度為20% MLF時不同預負荷方式的比較；B：預負荷強度為40% MLF時不同預負荷方式的比較。MLF:最大負荷力量。 aP<0.05。

3 討論

飛行員所承受的加速度是腰痛的重要危險因素。加速度作為載人設(shè)備的常見動力學參數(shù)，其大小和方向會在一定程度上影響飛行員的腰椎健康與駕駛安全。從力學角度上看，運動過程中人體所承受的加速度可以看作外部對人體施加的負荷，并且不同的加速度方向可以對人體造成不同的負荷。根據(jù)加速度的方向，人體組織所承受的內(nèi)部應力主要包括壓縮應力、拉伸應力和剪切應力[7]。加速度帶來的負荷會對脊柱造成不同程度的損傷。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，人體脊柱抗壓縮應力的能力要強于抗剪切應力的能力，剪切力可以直接導致脊柱結(jié)構(gòu)受損[8]。人體脊柱的腰椎關(guān)節(jié)承載著更多的剪切力，在抵抗剪切負荷方面發(fā)揮著很大作用，但脊柱承受的剪切負荷過大會導致腰椎關(guān)節(jié)負荷增加，并可能對周圍結(jié)構(gòu)組織造成損傷，導致下腰痛[9-10]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有腰痛的人經(jīng)歷橫向剪切力比正常人高75%，這表明了剪切載荷及其力學響應的重要性[11]。因此，水平加速度帶來的剪切應力在腰痛的發(fā)生中起到了重要作用。本研究針對飛行員經(jīng)常承受的前向水平加速度帶來的前向突發(fā)負荷，探索預負荷穩(wěn)定軀體的作用。

軀體承受突發(fā)負荷會發(fā)生晃動，晃動參數(shù)和軀體的穩(wěn)定性有關(guān)。在施加一定突發(fā)負荷時，晃動角度越大，說明身體越難以應對此種負荷情景，軀體越不穩(wěn)定。突發(fā)負荷和預負荷強度對軀體穩(wěn)定性具有不同的作用。在本研究中，在各種預負荷方式作用下，突發(fā)負荷強度越大，身體的晃動角度越大，表明軀體的穩(wěn)定性會隨著突發(fā)負荷強度的提升變得不穩(wěn)，突發(fā)負荷強度對軀體穩(wěn)定性具有很大影響[12]；預負荷強度越大，身體的晃動角度越小，表明預負荷具有穩(wěn)定軀體的作用。更大的預負荷引起的更強的肌肉力量和僵硬度，可在擾動前增加軀干的穩(wěn)定性[5]。但是，預負荷的作用似乎具有平臺期。在前向和后向預負荷方式中，預負荷強度從20%增加到40%帶來的晃動角度變化明顯較小。VERA-GARCIA等[13]也得出了相似的結(jié)論，當腹部預激活從20%增加到30%時，軀體的位移差異并沒有達到統(tǒng)計學差異，表明這些預激活水平產(chǎn)生了相似程度的軀干穩(wěn)定性。但是，我們發(fā)現(xiàn)手拉式預負荷似乎沒有這種平臺期的表現(xiàn)，其原因可能是本研究采用的手拉式預負荷強度所帶來的穩(wěn)定肌強度的變化在平臺期范圍之外。

不同預負荷方式對軀體穩(wěn)定性也具有不同的作用。本研究的結(jié)果表明，在較低的預負荷強度時，前向、后向和手拉式預負荷方式之間無差異；在預負荷強度為40%而突發(fā)負荷較低時，前向預負荷方式可能具有更好的穩(wěn)定軀體作用。但是，我們發(fā)現(xiàn)在預負荷強度為40%且突發(fā)負荷強度為60%時，前向預負荷方式產(chǎn)生的身體晃動角度明顯較高，說明當預負荷強度和突發(fā)負荷強度疊加后臨近軀體所能承受最大負荷時，即使是前向預負荷方式，也不能起到穩(wěn)定軀體的作用，甚至可能具有不良作用。

軀干剛度是研究脊柱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，預負荷作用對軀體剛度存在影響[14]。軀干預負荷和由此帶來的肌肉預激活會增加軀干的剛度，減少負荷后的軀干位移[13]。有研究對站立受試者施加水平預負荷后進行不同方向剛度測量，發(fā)現(xiàn)前向和后向剛度之間的差異僅為2%[15]。而VETTE等[16]在相似條件下對坐姿受試者進行剛度測量，發(fā)現(xiàn)前向和后向剛度之間的差異為15%。這種軀干剛度的差異可能是不同水平預負荷方向預激活不同肌肉導致的[15]。因此，本研究前向和后向預負荷帶來的軀干起始剛度可能不同，進而對軀體的穩(wěn)定性帶來不同的影響。

本研究的不足之處在于，在預負荷強度為40%且突發(fā)負荷強度為60%時，雖然發(fā)現(xiàn)當同一方向的積累負荷臨近軀體所能承受的最大負荷時存在不良作用，但是未能有效了解高預負荷和突發(fā)負荷強度下不同預負荷方式的影響效果，后期考慮作進一步研究。

綜上所述，本研究探索坐姿條件下前向突發(fā)負荷強度和預負荷方式以及強度對軀體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，預負荷方式穩(wěn)定軀體的效果與預負荷強度和突發(fā)負荷強度有關(guān)，在預負荷強度為40%且突發(fā)負荷強度較低時，前向預負荷方式具有更好的穩(wěn)定軀體作用；而同向積累負荷臨近軀體所能承受的最大負荷時，可能具有負面作用。此外，軀體穩(wěn)定性和突發(fā)負荷強度呈反比，和預負荷強度呈正比，但是后者似乎存在平臺期。