白圣亞 林文文,2 安元超 張?jiān)谰?柯勇偉
美國(guó)久坐行為研究工作組給出“久坐”的定義,久坐是指“以坐姿或斜躺姿勢(shì)時(shí)能量消耗≤1.5梅托(metabolic equivalent of energy,MET)為特征的任何清醒行為”。常見(jiàn)的久坐行為包括長(zhǎng)時(shí)間不間斷地工作、學(xué)習(xí)、看電視以及使用計(jì)算機(jī)等。久坐會(huì)導(dǎo)致大腦昏沉、頸部緊繃、肩膀和背部酸痛等一系列問(wèn)題,長(zhǎng)期以往,形成很多累積性的疾病如各類慢性病、脊柱疾病以及心肺功能障礙等,因此久坐所帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)也正被醫(yī)學(xué)界所關(guān)注和重視[1]。2020年11月25日,世界衛(wèi)生組織發(fā)布新版《關(guān)于身體活動(dòng)和久坐行為指南》,強(qiáng)調(diào)每個(gè)人不論年齡和能力,都應(yīng)該進(jìn)行身體活動(dòng),避免久坐。但長(zhǎng)時(shí)間站立也會(huì)對(duì)工作和健康產(chǎn)生負(fù)面影響。Baker 等[2]研究發(fā)現(xiàn)站立工作2 h會(huì)引發(fā)肌肉疲勞、下肢水腫以及認(rèn)知功能下降等。因此在ISO 6385:2016辦公人體工學(xué)設(shè)定原則中,提倡采用坐站交替的辦公方式,避免久站或久坐不動(dòng)所帶來(lái)的潛在危害[3]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)于改變久坐模式的研究日益增多。Sui等[4]認(rèn)為坐姿作業(yè)環(huán)境下引入站姿作業(yè)的辦公模式不會(huì)影響作業(yè)效率,但在站姿辦公環(huán)境下引入散步機(jī)和動(dòng)感單車則可能對(duì)作業(yè)效率產(chǎn)生一定負(fù)面影響。因此,建議實(shí)施減少職業(yè)久坐行為的常規(guī)干預(yù)措施,而不會(huì)對(duì)生產(chǎn)力和績(jī)效產(chǎn)生負(fù)面影響。Chambers等[5]從辦公環(huán)境下使用升降桌的行為、生理、工作表現(xiàn)、心理、不適感和姿勢(shì)六個(gè)方面進(jìn)行研究,表明根據(jù)生理特征調(diào)整升降桌高度有助于改變?nèi)藗兊男袨槟J?,?duì)減少久坐時(shí)間和肌肉不舒適性的效果較為突出,同時(shí)不會(huì)影響工作績(jī)效及相關(guān)健康指標(biāo),但還需進(jìn)一步研究長(zhǎng)期使用效果,并確定合適的坐站交替時(shí)間點(diǎn)。Karakolis等[6]綜合14篇相關(guān)文獻(xiàn),認(rèn)為坐站交替辦公可以有效減少人體不適感,不會(huì)降低工作效率。Macewen等[7]指出站立工作時(shí)配合散步機(jī)可以改善生理指標(biāo),包括餐后血糖、高密度脂蛋白膽固醇等,而站立式辦公桌使用幾乎不會(huì)引起生理變化。站立式工作桌和散步機(jī)在改善心理健康方面均顯示出不同的結(jié)果,而對(duì)工作績(jī)效的影響很小。使用站坐式辦公模式對(duì)健康狀況的改善還缺乏研究。Karol和Robertson[8]分析工作效率、舒適性和身體指標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn),在不減少工作時(shí)長(zhǎng)的情況下,坐站交替工作模式可以有效緩解疲勞感,但發(fā)揮坐站交替的優(yōu)勢(shì)需要匹配一定基礎(chǔ)的人體工學(xué)培訓(xùn),才能發(fā)揮其最大功效。Agarwal等[9]認(rèn)為久坐辦公環(huán)境下改變作業(yè)姿勢(shì)有助于減輕下背部疼痛,但缺乏對(duì)特定人群的研究,如已經(jīng)存在腰肌勞損的人群,并且研究還需要量化時(shí)間參數(shù)以及其他評(píng)價(jià)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)的諸多學(xué)者也對(duì)久坐問(wèn)題進(jìn)行了一些研究,馬曉紅等[10]分析了傳統(tǒng)坐姿辦公引發(fā)的健康問(wèn)題,從人機(jī)工程學(xué)的角度利用三維數(shù)字人體模型,提出了適合國(guó)人的升降桌的設(shè)計(jì)尺寸。王麗等[11]從人機(jī)工程學(xué)的原則出發(fā),改良了宿舍座椅的靠背,為腰部和肩胛部提供支撐,從而起到了緩解腰部、背部肌肉受力的作用。諶玉紅等[12]分析了不同負(fù)荷模擬行走過(guò)程中生理、生物力學(xué)信號(hào)及人體主觀疲勞感的變化,探索導(dǎo)致負(fù)荷行走疲勞的相關(guān)因素。
綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)辦公環(huán)境下的疲勞研究,表明作業(yè)姿勢(shì)與健康密切相關(guān)。然而,目前的多數(shù)研究側(cè)重于實(shí)驗(yàn)組之間的對(duì)比而忽略組內(nèi)因素的影響,且實(shí)驗(yàn)未能有效模擬日常的辦公條件,坐站姿勢(shì)辦公時(shí)長(zhǎng)設(shè)置不合理。此外,沒(méi)有研究考慮到受試者的作業(yè)姿勢(shì)偏好問(wèn)題,得出的結(jié)果容易出現(xiàn)偏差。針對(duì)以上問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍先粘^k公的時(shí)間需求,且考慮到不同人群的作業(yè)姿勢(shì)偏好問(wèn)題,為此本文回顧以往實(shí)驗(yàn)的研究方法以及時(shí)間設(shè)置,將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果按照性別進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)的正式測(cè)試階段劃分為30 min站姿、45 min坐姿和15 min站姿三個(gè)區(qū)間。如此設(shè)置時(shí)間,不僅符合實(shí)際辦公環(huán)境,而且可以觀測(cè)作業(yè)姿勢(shì)切換后對(duì)肌肉疲勞恢復(fù)以及滿意度等指標(biāo)的影響。將45 min坐姿滿意度作為實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)并結(jié)合肌電信號(hào)分析作為偏好分類的依據(jù),通過(guò)肌肉疲勞產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)以及45 min坐姿的滿意度,構(gòu)建二維坐標(biāo)系。通過(guò)聚類分析,探究中文辦公環(huán)境下受試者的坐站偏好,設(shè)置不同偏好人群的坐站時(shí)間比。
多數(shù)都市白領(lǐng)和在校大學(xué)生日常辦公的主要內(nèi)容為利用電腦鍵盤輸入和鼠標(biāo)指針操作進(jìn)行文檔編輯、郵件收發(fā)以及資料查找等。因此招募20名具有電腦使用經(jīng)驗(yàn)的在讀學(xué)生作為受試者。所有受試者的坐姿和站姿高度都在升降桌的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi),且沒(méi)有骨骼相關(guān)疾病及其他不宜坐站交替的癥狀。受試者在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天未飲酒或服用其他功能性飲料,衣著舒適且休息充分沒(méi)有劇烈活動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)人員的講解和示范,了解了實(shí)驗(yàn)方案以及評(píng)價(jià)方式,簽署實(shí)驗(yàn)知情書(shū),保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的連續(xù)性。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為兩個(gè)部分(圖1),適應(yīng)性測(cè)試包含10 min的坐站交替作業(yè),目的在于讓受試者適應(yīng)當(dāng)前的測(cè)試環(huán)境,減少個(gè)體因接受能力差異所造成組內(nèi)因素的影響。正式測(cè)試分為站(30 min)—坐(45 min)—站(15 min)三個(gè)階段。
圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的不同階段劃分Figure 1 Different stages of experimental testing
肌體疲勞是促使受試者轉(zhuǎn)變作業(yè)姿勢(shì)的主要原因,站姿階段疲勞主要發(fā)生在腿部,而坐姿階段的疲勞主要體現(xiàn)在腰部。因此本實(shí)驗(yàn)表面肌電信號(hào)將主要采集于下背部的豎脊肌(erector spinae,ES)、下肢的腓腸肌(gastrocnemius,GS)和比目魚(yú)肌(soleus,SL)。
測(cè)試開(kāi)始前去除受試者待測(cè)肌肉群的毛發(fā)并用酒精消毒,然后根據(jù)Konrod[13]推薦的粘貼位置將肌電片貼于各塊肌肉的肌腹中心,通過(guò)彈性繃帶纏裹加固并保持肌電片方向與肌纖維走向一致,實(shí)際的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及肌電信號(hào)采集部位見(jiàn)圖2。測(cè)試開(kāi)始后,通過(guò)Delsys無(wú)線表面肌電測(cè)試系統(tǒng)以1000 Hz的頻率分別對(duì)上述肌肉群的肌電信號(hào)進(jìn)行采集,每5 min進(jìn)行一次肌電信號(hào)采集,坐站交替總時(shí)長(zhǎng)90 min,共計(jì)采集19次。測(cè)得的原始肌電信號(hào)通過(guò)Delsys數(shù)據(jù)處理軟件MegaWin進(jìn)行處理分析,計(jì)算出各間隔的中值頻率(median frequency,MF),同時(shí)測(cè)試期間每隔15 min提供短暫的姿勢(shì)調(diào)整。在正式測(cè)試階段30 min站姿和45 min坐姿結(jié)束時(shí),設(shè)置調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)受試者的作業(yè)姿勢(shì)滿意度和預(yù)估作業(yè)時(shí)間。
為減少組內(nèi)因素的影響,所有招募的受試者都沒(méi)有升降桌的使用經(jīng)驗(yàn)。為了真實(shí)地模擬中文場(chǎng)景下的辦公環(huán)境,實(shí)驗(yàn)將作業(yè)內(nèi)容設(shè)置為打字,采用金山打字通隨機(jī)生成一篇文章,受試者使用統(tǒng)一的拼音輸入法進(jìn)行工作效率測(cè)試。工作效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)為每分鐘的打字個(gè)數(shù)(words per minute,WPM),這一指標(biāo)將除去打字過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤字?jǐn)?shù)比例,避免過(guò)去文獻(xiàn)中出現(xiàn)的打字效率和錯(cuò)誤率兩項(xiàng)指標(biāo)不統(tǒng)一的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Figure 2 Experiment scene
實(shí)驗(yàn)選用樂(lè)歌公司的E3升降桌產(chǎn)品,其升降范圍能夠滿足當(dāng)前所有受試者在不同作業(yè)姿勢(shì)條件下的使用,座椅高度也可調(diào)。采用Delsys無(wú)線表面肌電測(cè)試系統(tǒng)(Delsys,America),模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換精度為16位,信號(hào)采集率為 4000 Hz 。每一臺(tái)Trigno基站一次可支持多達(dá)16個(gè)TrignoTM傳感器的充電和無(wú)線通信。該設(shè)備采用了減小噪聲干擾的專利技術(shù),其共模抑制比大于80 dB,能夠確保信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性。
肌電信號(hào)(electromyography,EMG)是一種表達(dá)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)的生物電信號(hào),被廣泛用于分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷下局部肌肉活動(dòng)水平和功能狀態(tài)的變化。由于肌電信號(hào)在測(cè)量時(shí)信號(hào)比較微弱且易受到外部噪聲的干擾,當(dāng)肌力發(fā)生改變時(shí)肌電信號(hào)時(shí)域指標(biāo)影響較大。其頻域指標(biāo)將肌電信號(hào)先進(jìn)行濾波處理,通過(guò)放大器將頻率放大,經(jīng)快速傅里葉變換生成功率密度譜。由于功率密度曲線沒(méi)有服從典型的正態(tài)分布規(guī)律,MF的抗噪聲干擾性更強(qiáng),因此本次實(shí)驗(yàn)分析選用MF作為疲勞分析參數(shù)。其MF計(jì)算方法如下:
式中:p(f)為肌電功率譜曲線密度函數(shù)。
疲勞程度增加時(shí)乳酸積累導(dǎo)致的肌纖維神經(jīng)傳導(dǎo)速度的改變有一定聯(lián)系,MF總體呈下降趨勢(shì)。由于不同性別的標(biāo)準(zhǔn)體重(body mass index,BMI)以及日常鍛煉方式的不同,組間因素所造成的影響遠(yuǎn)大于組內(nèi)因素,在肌電信號(hào)分析時(shí),將受試人員按照性別進(jìn)行分類分析。
作業(yè)姿勢(shì)期間的滿意度和不適感以CIS 20-R(checklist individual strength)調(diào)查問(wèn)卷為基礎(chǔ),其主觀疲勞感選用運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)自覺(jué)量表為打分機(jī)制,將主觀疲勞從0級(jí)(沒(méi)什么感覺(jué))到10級(jí)(極強(qiáng))作為評(píng)價(jià)疲勞的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。心理學(xué)上常用李克特量表作為心理反應(yīng)的測(cè)量,姿勢(shì)滿意度更偏向于心理層面。姿勢(shì)滿意度是受試者對(duì)前期實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容的一個(gè)綜合性評(píng)價(jià),匯總了作業(yè)期間不適感、作業(yè)狀態(tài)等各項(xiàng)主觀影響因素,10級(jí)李克特量表地評(píng)分范圍為0~10分,0分為十分不滿意,10分為十分滿意,以此來(lái)評(píng)價(jià)期間的作業(yè)姿勢(shì)滿意度。
由于受試者的站姿時(shí)間預(yù)估時(shí)間與30 min姿作業(yè)接受度密切相關(guān),在30 min站姿作業(yè)結(jié)束后,選取受試者站姿預(yù)估時(shí)間作為X軸,站姿滿意度為Y軸,進(jìn)行兩個(gè)維度的指標(biāo)聯(lián)合分析,其結(jié)果如圖3所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)存在不同受試者站姿時(shí)間和接受度評(píng)價(jià)結(jié)果相同的情況,因此在站姿時(shí)間維度上增加一個(gè)(0,1)之間的隨機(jī)數(shù)以展示所有數(shù)據(jù)。受試者預(yù)估的站姿時(shí)間點(diǎn)相對(duì)較為集中,主要在20~30 min之間,中心點(diǎn)法即根據(jù)聚類分析獲得所有受試者的聚類中心點(diǎn),其均值為23.25 min,每天8 h工作時(shí)間,在Buckley等[20]所提供的專家意見(jiàn)中,建議一天的站姿辦公時(shí)間為2 h以上,將8 h工作時(shí)間安排4~6次站坐交替,站姿的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)在20~30 min。
圖3 站姿時(shí)間預(yù)估及滿意度Figure 3 Satisfaction & estimation of the standing time
圖4 腓腸肌(a)、比目魚(yú)肌(b)中值頻率圖Figure 4 MF of gastrocnemius and soleus(b)
圖4為按性別統(tǒng)計(jì)腓腸肌與比目魚(yú)肌的MF變化折線圖,從在25 min時(shí)右側(cè)腓腸肌和比目魚(yú)肌的MF開(kāi)始有下降趨勢(shì),表明肌肉疲勞開(kāi)始產(chǎn)生,考慮在該時(shí)間點(diǎn)安排作業(yè)姿勢(shì)轉(zhuǎn)變。因所有受試者皆為右利手,站立時(shí)右側(cè)更容易受力,因此左側(cè)比目魚(yú)的肌電信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)。受試者的主觀站姿作業(yè)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置在20~30 min,腿部比目魚(yú)肌與腓腸肌的肌電信號(hào)MF在25 min時(shí)開(kāi)始有下降趨勢(shì),表明腿部疲勞開(kāi)始產(chǎn)生。因此將站姿作業(yè)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為25 min。
正式測(cè)試45 min坐姿結(jié)束后,通過(guò)對(duì)受試者的調(diào)查發(fā)現(xiàn),其預(yù)估的坐站交替時(shí)間與作業(yè)姿勢(shì)接受度如圖5所示。與30 min站姿相比,坐姿階段的預(yù)估時(shí)間范圍更廣,因此需要對(duì)坐姿時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行偏好分類。
圖5 坐姿時(shí)間預(yù)估及滿意度Figure 5 Satisfaction and estimation of the sitting time
使用單樣本K-S檢驗(yàn)對(duì)站姿作業(yè)預(yù)估時(shí)間進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。原假設(shè)(H0):受試者預(yù)估時(shí)間符合正態(tài)分布。使用SPSS計(jì)算后,其樣本坐姿預(yù)估平均值為42.50 min,標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到12.41,站姿預(yù)估時(shí)間分布P值為0.049,小于0.05,應(yīng)拒絕原假設(shè),即其預(yù)估分布時(shí)間不符合正態(tài)性。由于受試者個(gè)體之間的差異性原因,坐姿的預(yù)估時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差非常大,因此存在對(duì)不同受試者進(jìn)行分類的需求。通過(guò)滿意度以及預(yù)估改變姿勢(shì)時(shí)間的聚類分析能更好地把握不同受試者群體的偏好特點(diǎn),有助于為不同群體設(shè)置適合自己的站坐交替時(shí)間。將受試者坐姿預(yù)估時(shí)間進(jìn)行偏好和非偏好分類,其聚類分析顯示其聚類效果顯著性較強(qiáng)。其中9人的聚類中心為30.56 min,另外11人聚類中心為52.23 min。相比站姿而言,采用坐姿辦公對(duì)人體體能消耗較少,因此受試者豎脊肌的MF在整個(gè)坐姿辦公階段變化較為平穩(wěn),如圖6所示。采用坐姿作業(yè)30 min后即實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到60 min時(shí),腰部豎脊肌中值頻率有緩慢下降的趨勢(shì),表明腰部肌肉有疲勞產(chǎn)生。而坐姿時(shí)間的預(yù)估值在25~60 min之間均有分布,可分為“>45 min”和“<45 min”兩個(gè)群體。由于整個(gè)坐姿時(shí)間設(shè)置為45 min,未采集45 min之后坐姿的肌電信號(hào),以聚類分析結(jié)果為依據(jù),結(jié)合坐姿30 min時(shí)豎脊肌的MF可將非偏好坐姿人員的坐姿時(shí)間設(shè)定為30 min,而偏好人員坐姿時(shí)間設(shè)定為50 min。
圖6 豎脊肌中值頻率圖Figure 6 MF of erector spinae
長(zhǎng)時(shí)間坐著腰部持續(xù)受力,容易僵硬和酸痛。不僅如此,久坐對(duì)于血液、血糖等指標(biāo)的影響并不容易被感知。因此需要在久坐辦公中引入站姿辦公,除了采用站坐交替的模式,合理的時(shí)間設(shè)置以及使用工具對(duì)于疲勞的產(chǎn)生和加深也至關(guān)重要。
Bao和Lin[14]針對(duì)一天中3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的測(cè)試顯示,4個(gè)站坐交替方案對(duì)脊柱萎縮的影響不顯著,脊柱收縮主要與椎間盤的受力相關(guān)。坐站交替的作業(yè)模式有助于緩解不適感,且優(yōu)于坐姿和站姿。這里不適感主要發(fā)生在受試者不同肢體部位的肌肉骨骼層面,與站姿作業(yè)相比,人們更偏好坐姿[15],站姿與坐姿在初期即可表現(xiàn)出下肢和下背部肌電信號(hào)方面的差異,但是受試者在不適感層面的差別并不顯著。而隨著作業(yè)時(shí)間的推進(jìn),Chester等[17]和Lin等[18]調(diào)查結(jié)果顯示站姿時(shí)的不適感變化要比坐姿強(qiáng)烈,而Karakolis等[6]認(rèn)為兩個(gè)姿勢(shì)的背部不適感變化趨勢(shì)較為一致。
本次實(shí)驗(yàn)初期(10 min)的站姿與坐姿的不適感較為接近,且兩個(gè)作業(yè)姿勢(shì)的不適感均隨時(shí)間的推進(jìn)而加劇。因此時(shí)間因素是導(dǎo)致肌肉疲勞以及主觀認(rèn)知能力下降的主要因素。在Hasegawa等[19]和Karakolis等[6]的測(cè)試中可以看到短周期的設(shè)定模式如站/坐時(shí)間15 min/15 min,有利于及時(shí)調(diào)整肌肉的靜態(tài)負(fù)荷部位、改善個(gè)體的疲勞感與不適感,雖然短周期的坐站時(shí)間設(shè)定方法有利于改善不適感,但是這樣的設(shè)定模式容易頻繁打斷作業(yè)進(jìn)程、影響用戶作業(yè)時(shí)的專注程度,因此真實(shí)辦公作業(yè)環(huán)境中可能并不常見(jiàn)。在Hasegawa等[19]研究中可以看到,60 min以后不同站坐交替方案對(duì)個(gè)體疲勞、不適感等因素的影響均呈現(xiàn)邊際遞減趨勢(shì),因此站坐交替的周期最好控制在1 h左右。
在日常辦公中,每天8 h的工作時(shí)間并非連續(xù),有很多時(shí)間點(diǎn)和隨機(jī)事件可以為站坐交替提供契機(jī),如離開(kāi)座位接水、收發(fā)快遞、接聽(tīng)電話、午餐時(shí)間等等,表明了在工作中應(yīng)用站坐交替模式的可行性。站坐時(shí)間設(shè)置比可以根據(jù)不同的個(gè)人習(xí)慣進(jìn)行改變,因此針對(duì)不同工作場(chǎng)景需要有不同的時(shí)間安排設(shè)定方法。
根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況,將人群按照偏好坐姿進(jìn)行區(qū)分,對(duì)于非偏好坐姿人群的站、坐時(shí)間分別設(shè)置為25 min和30 min,一天要進(jìn)行6~8次的坐站交替。其中主動(dòng)改變作業(yè)姿勢(shì)的行為只有2~4次。偏好坐姿人群站、坐時(shí)間分別設(shè)置為25 min和50 min,一天可以進(jìn)行4~6次坐站交替,主動(dòng)改變作業(yè)姿勢(shì)的行為只有1~2次。這一標(biāo)準(zhǔn)可以較好地滿足不同用戶使用站坐交替工作模式時(shí)間的設(shè)置。此外,該設(shè)置方案也符合Buckley等[20]每天站姿辦公時(shí)間2 h以上的建議。目前研究雖在時(shí)間設(shè)置上取得一定成果,但站坐交替工作模式對(duì)人的身心健康影響還需長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證。