郭旭陽(yáng), 王 潔, 羅 玲, 歐陽(yáng)立昕, 趙 賽

(1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)管理工程學(xué)院,北京 100070;2.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院人類工效學(xué)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(人因工效學(xué)),北京 100820)

0 引言

近年來(lái),隨著微型消防站的建設(shè),越來(lái)越多的非專業(yè)人員加入消防志愿者隊(duì)伍,形成了志愿消防員群體。相對(duì)于職業(yè)消防員,志愿消防員因?yàn)槿狈﹂L(zhǎng)期高強(qiáng)度鍛煉及專業(yè)的訓(xùn)練,在肌肉強(qiáng)度及體能上處于劣勢(shì)。因此,研究訓(xùn)練強(qiáng)度及實(shí)戰(zhàn)最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間對(duì)非專業(yè)志愿消防員的影響具有重要意義。從以往的試驗(yàn)中可知,正壓式空氣呼吸器是志愿消防員負(fù)荷的主要來(lái)源,會(huì)增加志愿消防員的生理壓力,降低工作能力,增加工傷風(fēng)險(xiǎn)[1]。此外,志愿消防員的工作特點(diǎn)決定他們極易處于疲勞狀態(tài),長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)會(huì)增加骨骼肌、心血管等疾病和發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

目前已有一些關(guān)于志愿消防員肌肉疲勞的研究,例如,Drewson等[3]招募30名志愿消防員進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)疲勞感在消防工作中尤其難控制;Oka等[4]通過(guò)分析心電圖信息,實(shí)時(shí)監(jiān)控消防人員的疲勞狀態(tài),減少因注意力渙散而造成的不安全行為,從而更好地進(jìn)行職業(yè)安全管理;Bakri等[5]研究正壓式空氣呼吸器對(duì)生理和主觀反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)呼吸器不僅會(huì)導(dǎo)致消防員肌肉疲勞,還會(huì)顯著影響消防員的耗氧量和代謝率;正壓式空氣呼吸器除了加大志愿消防員的負(fù)荷,還會(huì)使消防員的平衡能力受到影響,增加志愿消防員摔倒的風(fēng)險(xiǎn)[6];毛睿成等[7]利用4種救援裝備對(duì)受試消防員進(jìn)行壓強(qiáng)試驗(yàn),結(jié)合主觀疲勞感,可知肩部壓力是疲勞感的主要影響因素。

綜上所述,目前雖有以志愿消防員為對(duì)象的肌肉疲勞研究,但多數(shù)是通過(guò)主觀評(píng)價(jià)量表的研究,客觀的疲勞數(shù)據(jù)較少?；诖?本文旨在通過(guò)分析志愿消防員背負(fù)正壓式呼吸器狀態(tài)下的表面肌電信號(hào)(surface electromyography signal,sEMG)、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)及其主觀感受評(píng)分,研究背負(fù)正壓式呼吸器對(duì)志愿消防員肌肉疲勞的影響,為減少志愿消防員肌肉疲勞、促進(jìn)職業(yè)健康提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)被試

試驗(yàn)招募的被試為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院昌平試驗(yàn)基地志愿消防員,共測(cè)試60人次。被試平均年齡、身高、體重分別為:(22.6±1.82)歲、(176.2±7.22)cm、(72.8±10.27)kg。所有被試無(wú)神經(jīng)損傷,半年內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)性損傷,試驗(yàn)前24h未劇烈運(yùn)動(dòng),在充分了解試驗(yàn)方案后自愿參加試驗(yàn),能夠在試驗(yàn)人員指導(dǎo)下獨(dú)立完成試驗(yàn),且測(cè)試前充分熱身。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

(1)表面肌電信號(hào)采集設(shè)備。選用美國(guó)Noraxon公司的Ultium EMG無(wú)線表面肌電儀對(duì)sEMG信號(hào)進(jìn)行采集,16導(dǎo)Ultium-DASH無(wú)線接收器接收并同步處理采集得到的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)耗材包括表面肌電電極片、75%醫(yī)用酒精棉球、醫(yī)用磨砂膏。磨砂膏及酒精棉球用于降低皮膚電阻,保證肌電信號(hào)采集。

(2)體壓測(cè)量設(shè)備。選用德國(guó)NOVEL公司的多點(diǎn)壓力分布測(cè)量系統(tǒng)pliance xf-32,進(jìn)行壓強(qiáng)的測(cè)量。

(3)跑臺(tái)。選用德國(guó)H/P/COSMOS公司的運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)mercury及懸掛式安全保護(hù)支架,用于被試運(yùn)動(dòng)及安全防護(hù)。

(4)溫濕度計(jì)。使用德圖608-H1式室內(nèi)溫濕度計(jì),用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在溫度為26℃,濕度為60%的室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)分為2部分:肌肉疲勞測(cè)試、背負(fù)呼吸器體壓測(cè)試。其中,肌肉疲勞測(cè)試包括:徒手奔跑肌肉疲勞測(cè)試、背負(fù)呼吸器奔跑肌肉疲勞測(cè)試。

(1)準(zhǔn)備階段。對(duì)被試待測(cè)肌肉表面皮膚進(jìn)行消毒、剃毛、磨砂處理后,固定電極和傳感器,如圖1。

圖1 電極與傳感器的貼放位置Fig.1 Schematic diagram of the placement position of electrodes and sensors

(2)肌肉疲勞測(cè)試。設(shè)置跑臺(tái)初始速度為4km/h,被試行走60s后,每2s提高0.1km/h,直至8km/h,此后每1s提高0.1km/h,直至10km/h,被試以此速度奔跑420s。在運(yùn)動(dòng)開始前采集20s的sEMG數(shù)據(jù)。在跑臺(tái)速度到達(dá)10km/h時(shí),開始采集sEMG數(shù)據(jù),每60s采集一次sEMG數(shù)據(jù),每次采集時(shí)長(zhǎng)為20s,間隔時(shí)間為40s;每60s進(jìn)行一次主觀疲勞評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)量表,見(jiàn)表1。

表1 主觀疲勞評(píng)價(jià)量表Tab.1 Subjective fatigue assessment scale

(3)背負(fù)呼吸器體壓測(cè)試。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,選擇被試的左右斜方肌、左右豎脊肌作為壓強(qiáng)的測(cè)量點(diǎn)。被試在實(shí)驗(yàn)人員的輔助下背負(fù)正壓式空氣呼吸器,調(diào)節(jié)背帶至合適長(zhǎng)度,并在被試的左右肩部、左右腰部放置壓力傳感器,對(duì)應(yīng)肌群為斜方肌和豎脊肌。接著被試保持站立姿態(tài),維持10s后實(shí)驗(yàn)人員開始采集數(shù)據(jù),采集時(shí)長(zhǎng)10s。被試在跑臺(tái)上以4km/h的速度開始行走,10s后采集數(shù)據(jù),采集時(shí)長(zhǎng)10s,以每秒提高0.1km/h的加速度提速至10km/h,奔跑10s后采集數(shù)據(jù),采集時(shí)長(zhǎng)為10s。每位被試每種姿態(tài)數(shù)據(jù)采集3次,取平均值作為最終值。

為防止試驗(yàn)對(duì)被試造成疲勞累積,每次試驗(yàn)間隔時(shí)間至少為24h,且被試的徒手、背負(fù)測(cè)試均在每天的同一時(shí)間段進(jìn)行。若被試奔跑速度無(wú)法維持10km/h則提前結(jié)束測(cè)試。

1.4 數(shù)據(jù)收集整理

(1)sEMG數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)共記錄60人次6組肌群的sEMG數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、整流、濾波、平滑和標(biāo)準(zhǔn)化等處理后,選用頻域特征分析中的中值頻率MF作為特征參數(shù)。方案設(shè)計(jì)為被試以10km/h速度奔跑7min,在實(shí)際測(cè)試中,鮮有被試能夠背負(fù)正壓式空氣呼吸器維持10km/h奔跑7min。因此根據(jù)實(shí)際情況,取被試以10km/h奔跑的0、1、2、3、4、5、6min共7個(gè)時(shí)間段的MF值進(jìn)行分析。為消除個(gè)體肌電信號(hào)的差異性,對(duì)所有被試的相同時(shí)間段MF求平均值。

由于測(cè)量誤差和個(gè)體差異等諸多原因,使用表面肌電法測(cè)量人體肌肉的MF標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)在±30范圍內(nèi)[8]。本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差介于0.01～20.47,屬于可接受波動(dòng)范圍。

(2)主觀疲勞評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)。本試驗(yàn)共收集60人次的12個(gè)時(shí)刻主觀疲勞評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù),將所有被試在徒手與負(fù)重狀態(tài)下各時(shí)刻主觀評(píng)分,分別取平均值,得到本次試驗(yàn)的主觀疲勞評(píng)分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

(3)體壓數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)共記錄60人次2組肌群的壓強(qiáng)數(shù)據(jù),對(duì)采集的體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理,將數(shù)據(jù)中明顯異常值剔除。對(duì)剩下所有被試的不同姿態(tài)不同肌群壓強(qiáng)數(shù)據(jù)分別取平均數(shù)和峰值,得到被試背負(fù)正壓式空氣呼吸器站立、行走與奔跑時(shí)斜方肌和豎脊肌處的平均壓強(qiáng)與峰值壓強(qiáng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 sEMG數(shù)據(jù)分析結(jié)果

將得到的各肌肉的MF繪制成點(diǎn)狀圖,并進(jìn)行非線性擬合,因篇幅限制,本文給出最具代表性的斜方肌和股二頭肌2處肌群的擬合圖,如圖2。

(a)斜方肌

(b)股二頭肌圖2 MF的擬合曲線Fig.2 The fitting curve of MF

左斜方肌徒手狀態(tài)下MF擬合曲線先上升,2min后下降,并在5min后重新上升;負(fù)重狀態(tài)下曲線在3min前較為平緩,之后呈下降趨勢(shì),且下降斜率不斷增大。右斜方肌徒手時(shí)MF擬合曲線先下降再上升,且上升斜率不斷減小;負(fù)重時(shí)先上升后下降,拐點(diǎn)均出現(xiàn)在2min處。這代表負(fù)重使兩側(cè)斜方肌在達(dá)到10km/h前已進(jìn)入疲勞狀態(tài),并隨時(shí)間發(fā)展疲勞不斷加重,徒手狀態(tài)下兩側(cè)斜方肌在2min左右出現(xiàn)疲勞。負(fù)重狀態(tài)下,右斜方肌比左斜方肌更易疲勞。

左股二頭肌在2種狀態(tài)下的擬合曲線都呈現(xiàn)先降后升復(fù)又降的趨勢(shì),且負(fù)重時(shí)的升降幅度更大,拐點(diǎn)出現(xiàn)的更早。右股二頭肌徒手狀態(tài)下先下降后上升,拐點(diǎn)出現(xiàn)在2～3min,負(fù)重時(shí)則是先降,2min時(shí)開始平緩上升后復(fù)降。負(fù)重狀態(tài)左右股二頭肌疲勞程度相對(duì)于徒手狀態(tài)更重。負(fù)重狀態(tài)下左右股二頭肌的肌電中值頻率變化趨勢(shì)相似,右股二頭肌的曲線相較左側(cè)更平緩,表明負(fù)重使左股二頭肌更易疲勞。

對(duì)于試驗(yàn)的其他肌群而言,負(fù)重狀態(tài)下左豎脊肌及右腓腸肌在速度達(dá)到10km/h時(shí)已進(jìn)入疲勞狀態(tài),右豎脊肌及左腓腸肌在運(yùn)動(dòng)3min后開始疲勞,且隨時(shí)間推移疲勞程度逐漸加重,表明左豎脊肌及右腓腸肌更易于疲勞;左右股直肌則在10km/h運(yùn)動(dòng)2min后出現(xiàn)疲勞,左右脛骨前肌在速度達(dá)到10km/h時(shí)逐漸進(jìn)入疲勞狀態(tài),負(fù)重對(duì)左右股直肌及脛骨前肌的疲勞影響較為相似。相對(duì)于徒手狀態(tài),負(fù)重對(duì)于肌肉疲勞有明顯加重的效果,進(jìn)入疲勞狀態(tài)的時(shí)間均早于徒手狀態(tài),且疲勞會(huì)積累至更深程度。同時(shí),在負(fù)重狀態(tài)下保持高速運(yùn)動(dòng)5min后,各肌群MF值均呈現(xiàn)更快的下降趨勢(shì),說(shuō)明已進(jìn)入較深程度的疲勞狀態(tài)。

2.2 主觀評(píng)分分析

得到的主觀疲勞評(píng)分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),見(jiàn)表3。因本試驗(yàn)主要研究空氣呼吸器對(duì)被試肌肉疲勞的影響,故對(duì)歸一化后的負(fù)重狀態(tài)MF和主觀疲勞評(píng)分進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)性檢驗(yàn),見(jiàn)表4。負(fù)重情況下,左豎脊肌、左右腓腸肌、右脛骨前肌的MF和主觀疲勞評(píng)分的相關(guān)性均大于0.8,相關(guān)性高于其他肌群,即負(fù)重對(duì)被試這幾組肌群的主觀疲勞感受有較大的影響;相關(guān)性系數(shù)均為負(fù)值說(shuō)明MF與主觀疲勞評(píng)分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著MF值的下降,被試的主觀疲勞感受在不斷加深。

表3 主觀疲勞評(píng)分統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical Table of Subjective Fatigue Scores

表4 斯皮爾曼相關(guān)性系數(shù)Tab.4 Spearman correlation coefficient

從主觀疲勞評(píng)分統(tǒng)計(jì)看,被試在負(fù)重奔跑4min后評(píng)分大于5,表示被試此時(shí)進(jìn)入主觀疲勞狀態(tài)。從被試主觀感受來(lái)看,96.6%的被試表示,負(fù)重測(cè)試結(jié)束后小腿有明顯酸脹感,肩部、背部與腰部肌肉的疼痛感也加劇了疲勞感;65%的被試表示,休息使小腿的酸脹感得到緩解,然而肩部的疼痛感依然存在;41.6%的被試反映,負(fù)重測(cè)試次日自身肩部的疼痛感加重。

2.3 體壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果

被試背負(fù)呼吸器站立、行走與奔跑時(shí)斜方肌和豎脊肌的平均壓強(qiáng)與峰值壓強(qiáng),如圖3。

(a)平均

(b)峰值圖3 不同狀態(tài)下壓強(qiáng)差異Fig.3 Average pressure under different states

從圖3可以看出,當(dāng)被試行走時(shí),呼吸器對(duì)豎脊肌產(chǎn)生的平均壓強(qiáng)高于斜方肌,而奔跑時(shí)相反,斜方肌承受更高壓強(qiáng)。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)中呼吸器無(wú)法與人體背部完全貼緊,當(dāng)被試背負(fù)呼吸器奔跑時(shí),呼吸器會(huì)對(duì)肩部和腰部產(chǎn)生間歇性壓力,這也是平均壓強(qiáng)和峰值壓強(qiáng)出現(xiàn)較大差異的原因。

3 討論

(1)曲線擬合相較于線性擬合而言具有更強(qiáng)的擬合能力,能夠更準(zhǔn)確地表現(xiàn)出MF與時(shí)間之間的關(guān)系。以往類似研究中在描述MF變化時(shí)大多采用線性回歸的方法,但由于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)原因,曲線回歸擬合效果更好,故選用曲線回歸。

(2)對(duì)于被試進(jìn)入疲勞狀態(tài)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)而言,主觀疲勞評(píng)分表明在高速運(yùn)動(dòng)4min后已處于主觀疲勞狀態(tài),而MF得出其后5min才進(jìn)入較深程度的疲勞狀態(tài)。由于主觀感受存在一定偏差,此處認(rèn)為高速運(yùn)動(dòng)5min進(jìn)入較深疲勞狀態(tài)更具參考價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)相比志愿消防員徒手奔跑,在背負(fù)空氣呼吸器奔跑時(shí)大部分測(cè)試肌肉更快進(jìn)入疲勞,并且隨時(shí)間變化疲勞程度不斷加深。同位不同側(cè)肌肉的疲勞特性存在差異,對(duì)于斜方肌群、腓腸肌群,右側(cè)比左側(cè)更易感到疲勞;而對(duì)于豎脊肌群、股二頭肌則相反。同時(shí),兩側(cè)股直肌及脛骨前肌的疲勞差異較小。背負(fù)空氣呼吸器對(duì)志愿消防員兩側(cè)股二頭肌、腓腸肌與脛骨前肌的影響最大,給肩部和腰部帶來(lái)較高壓力,使肌肉出現(xiàn)疼痛感。

(2)志愿消防員背負(fù)空氣呼吸器運(yùn)動(dòng)時(shí),左豎脊肌、左右腓腸肌與右脛骨前肌的疲勞與主觀疲勞感受相關(guān)性密切。志愿消防員在高速運(yùn)動(dòng)5min后進(jìn)入較深疲勞狀態(tài),此時(shí)肌肉疲勞很難在短時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù),若仍繼續(xù)運(yùn)動(dòng),處于肌肉疼痛、運(yùn)動(dòng)極其吃力的狀態(tài)。

(3)本次試驗(yàn)招募被試年齡范圍小于實(shí)際志愿消防員,且僅從徒手與負(fù)重2種狀態(tài)對(duì)比志愿消防員的肌肉疲勞特性,未從不同運(yùn)動(dòng)速度和不同運(yùn)動(dòng)形式等方面,分析不同工作強(qiáng)度下志愿消防員背負(fù)呼吸器的疲勞情況,在未來(lái)的研究中可以多招募其他年齡段被試,并嘗試其他運(yùn)動(dòng)形式,模擬更多樣的工作強(qiáng)度。