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(jī)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(guó)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(shì)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(wú)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(rèn)為近距離閱讀及讀寫姿勢(shì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致近視[4]。人機(jī)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(huì)增加患近視的風(fēng)險(xiǎn)，選用合適的桌椅糾正近端姿勢(shì)，將會(huì)緩解近視的發(fā)展。

挪威設(shè)計(jì)師彼得·奧布斯威克基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)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(shì)，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(biāo)準(zhǔn)電腦椅上的腰椎彎曲度時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用基于人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的跪式座椅能夠更大程度地保持同站立時(shí)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(shí)的狀態(tài)，因腰椎負(fù)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(duì)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(cè)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(jìn)而增加人體近端工作時(shí)的視距，幫助預(yù)防近視，但對(duì)于成年人而言舒適度不高。

表面肌電(surface electromyography，sEMG)信號(hào)是從人體骨骼肌表面通過(guò)電極記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉活動(dòng)時(shí)發(fā)生的生物電信號(hào)，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(hào)的變化，探討不同坐姿下久坐對(duì)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(xiàn)報(bào)道，關(guān)于跪式坐姿的研究主要是針對(duì)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(duì)兒童的跪式座椅設(shè)計(jì)研究更是少見。雖有研究表明跪式坐姿會(huì)增加成人近端工作時(shí)的視距，但對(duì)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(duì)其舒適度進(jìn)行研究。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了跪式坐姿和普通坐姿對(duì)兒童視距及舒適度的影響，以期為兒童跪式座椅設(shè)計(jì)提供更多研究基礎(chǔ)，便于今后針對(duì)兒童進(jìn)行預(yù)防近視的人機(jī)工程學(xué)座椅設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)方法與過(guò)程

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 sEMG分析

分析、識(shí)別sEMG信號(hào)特征的常用方法主要有時(shí)域分析法和頻域分析法等[15]。時(shí)域分析法主要是在時(shí)間維度上對(duì)sEMG信號(hào)進(jìn)行描述與分析，主要觀察信號(hào)振幅變化。采用時(shí)域指標(biāo)的肌電積分值(integral electromyography，IEMG)監(jiān)測(cè)肌電信號(hào)。IEMG是一定活動(dòng)時(shí)間內(nèi)所有參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位的放電總量[15]。在相同時(shí)間內(nèi)，振幅越大，IEMG值越大。IEMG計(jì)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(hào)特征，在計(jì)算時(shí)需要對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換。采用頻域指標(biāo)的平均功率頻率(mean power frequency，MPF)進(jìn)行分析，計(jì)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(shí)，一般將MPF的降低作為肌肉疲勞的標(biāo)志，而在使用MPF分析坐姿肌肉疲勞時(shí)，一般會(huì)對(duì)MPF做線性回歸分析。參考楊靜[11]、Areeudomwong等[16]的研究，對(duì)MPF和時(shí)間t進(jìn)行線性擬合，用MPF-t曲線的斜率評(píng)價(jià)肌肉疲勞程度，回歸直線斜率為負(fù)值時(shí)表示肌肉發(fā)生疲勞。

1.1.2 坐姿舒適度主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)法是通過(guò)記錄試驗(yàn)者的主觀心理感受進(jìn)而判斷舒適度的方法，主要使用主觀量表和調(diào)查表進(jìn)行評(píng)判。在心理學(xué)、人體工程學(xué)、家具設(shè)計(jì)、建筑與室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用語(yǔ)義微分法(semantic differential，SD)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)[17]。SD法又稱心理量表法，是一種將人的感覺量化的主觀評(píng)價(jià)方法。采用語(yǔ)義微分法中的七級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，受試者可用0～6的整數(shù)評(píng)定舒適程度，數(shù)值由小到大依次對(duì)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(guò)數(shù)據(jù)處理得到各種特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)主觀感受的量化評(píng)價(jià)。

1.1.3 視距測(cè)量

人體尺寸數(shù)據(jù)的測(cè)量方法有丈量法、攝像法、問(wèn)卷法和自動(dòng)儀器測(cè)量法?？紤]被試的安全和儀器使用的便利性，采用攝像法測(cè)量視距。攝像法主要通過(guò)CCD或CMOS成像實(shí)現(xiàn)人體尺寸的非接觸測(cè)量，原理上屬于光電法的拓展，即通過(guò)捕捉受試圖像，運(yùn)用軟件在計(jì)算機(jī)中對(duì)圖像進(jìn)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(guò)大的誤差，將SONY NEX 5R型相機(jī)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(yàn)中在被試的左眼眼尾處粘貼直徑10 mm的黃色標(biāo)記圓點(diǎn)，便于視距定位。拍攝人體在書寫作業(yè)狀態(tài)下的姿勢(shì)，每位被試每組試驗(yàn)拍攝60張圖片。利用Python軟件隨機(jī)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(cè)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(diǎn)的直線距離定義為寫作業(yè)坐姿下的視距，如圖1所示。測(cè)量視距時(shí)，先用Image J軟件設(shè)定標(biāo)尺，以課桌側(cè)邊長(zhǎng)度400 mm為基礎(chǔ)，然后選定左眼標(biāo)記點(diǎn)和書本中點(diǎn)，測(cè)得視距。

圖1 視距定義及測(cè)量Fig.1 Definition and measurement of visual distance

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

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(qǐng)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(yàn)變量，所有被試身體健康，均無(wú)近視，無(wú)關(guān)節(jié)或骨骼損傷，無(wú)腰背疼痛情況。

1.4 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)座椅采用的原型機(jī)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(dú)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(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)6號(hào)課桌，桌子高610 mm，桌面寬400 mm、長(zhǎng)600 mm。

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

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前，向6名被試及其家長(zhǎng)詳細(xì)闡述相關(guān)事項(xiàng)，確保被試方完全了解試驗(yàn)?zāi)康?、基本要求、試?yàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)及試驗(yàn)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(cè)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(biāo)記圓點(diǎn)。

圖3 表面肌電信號(hào)測(cè)試點(diǎn)Fig.3 Test points for sEMG signal

試驗(yàn)開始時(shí)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(yàn)中所有被試執(zhí)行相同的試驗(yàn)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(shí)產(chǎn)生疲勞。為記錄肌肉疲勞，每組測(cè)試時(shí)間設(shè)置為60 min，每隔1 min拍攝一張坐姿圖片，每隔6 min進(jìn)行1 min的肌電信號(hào)記錄。試驗(yàn)員通過(guò)詢問(wèn)法，每15 min記錄被試對(duì)坐姿舒適感的主觀評(píng)價(jià)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果和討論

2.1 視距

視距測(cè)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(cè)得的視距具有顯著性差異。由此可知，相比無(wú)傾角和無(wú)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?yàn)楣蚴阶四芨淖內(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(duì)普通坐姿組和跪式坐姿組的IEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：對(duì)于豎脊肌IEMG，p=0.001<0.05；對(duì)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(shí)IEMG值會(huì)有所下降。但是為維持特定的坐姿，隨著肌肉負(fù)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(dòng)作的運(yùn)動(dòng)單元數(shù)量逐漸增加，肌電信號(hào)振幅增大，肌肉運(yùn)動(dòng)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(shì)。由圖4可以看出，隨著書寫作業(yè)時(shí)間的增加，兩組試驗(yàn)的IEMG均呈波動(dòng)狀態(tài)。普通坐姿組的豎脊肌IEMG在6～12 min增大，表明此時(shí)豎脊肌出現(xiàn)疲勞，需調(diào)動(dòng)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(jìn)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(diǎn)，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(shì)Fig.4 The change trend of IEMG in erector spinae muscle

圖5為腓腸肌IEMG的變化趨勢(shì)。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(shí)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(shì)。

圖5 腓腸肌的IEMG變化趨勢(shì)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?yàn)楣蚴阶诵栌酶嗟募×S持自然直立狀態(tài)的脊柱姿勢(shì);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(shuō)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(rèn)的評(píng)價(jià)肌肉疲勞的指標(biāo)。隨著疲勞的產(chǎn)生，總體上MPF值呈下低趨勢(shì)。對(duì)MPF值進(jìn)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(shí)間的變化趨勢(shì)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(shì)Fig.6 Trend of MPF change of erector spinae muscle and gastrocnemius muscle

利用MPF和時(shí)間t的擬合曲線分析肌肉疲勞。MPF-t斜率體現(xiàn)了久坐對(duì)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(shì)，對(duì)豎脊肌MPF和時(shí)間t進(jìn)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(shì)，對(duì)腓腸肌的MPF和時(shí)間t進(jìn)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(duì)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(píng)價(jià)的評(píng)分原理對(duì)試驗(yàn)所得主觀評(píng)價(jià)表進(jìn)行資料統(tǒng)計(jì)，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(dān)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(dòng)趨勢(shì)和腿部壓迫感主觀評(píng)價(jià)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(dòng)的趨勢(shì)明顯低于跪式坐姿。這主要是因?yàn)楣蜃俗巫媲皟A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(dòng)的趨勢(shì)。

表2 身體向前滑動(dòng)趨勢(shì)和腿部壓迫感評(píng)分Table 2 Body sliding forward and leg pressure score

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)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(shí)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(píng)價(jià)相結(jié)合的方式評(píng)價(jià)坐姿舒適度。得到的主要結(jié)論如下：

(1)在寫作業(yè)時(shí)，兒童使用跪式坐姿時(shí)的視距比普通坐姿長(zhǎng)16.49%，表明兒童使用跪式坐姿可有效增加視距，有助于實(shí)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(duì)于兒童來(lái)說(shuō)，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(huì)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(shí)跪式坐姿的主觀舒適度更低，身體向前滑動(dòng)趨勢(shì)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(shí)使用跪式坐姿。考慮到跪式坐姿的舒適度，后續(xù)需對(duì)跪式座椅的座面、腿部支撐等做進(jìn)一步研究，以期提高坐姿舒適度。