基于EMG的重復作業人員上肢肌肉疲勞的安全狀態研究

(1.華北科技學院研究生院 北京 101601；2.國家安全生產監督管理總局培訓中心 北京 100012)

引言

近幾十年來，與職業有關的慢性肌肉骨骼疾患問題日趨突出，其影響到半數以上的職業人群。國外報道該病在職業性疾病的發生中占第二位，僅次于職業性皮膚病。尤其是重復作業，大部分工作需要作業人員手動完成。人員機體疲勞時會出現注意力不集中、反應速度變慢、思維遲緩、判斷力下降及操作失誤率增高等情況，因此人在疲勞狀態下，更容易發生不安全行為。國內研究報道，我國重復作業人員的職業性慢性肌肉骨骼疾患率達到64%。肌肉疲勞的嚴重危害已經逐漸引起了很多國家政府和衛生研究機構的普遍關注。因此，如何識別并評價各種危險因素對疾病和失能的獨立或聯合作用,是安全管理工作者的重要任務。

一、測定技術

EMG信號是通過表面電極引導的神經肌肉系統活動時的一維生物電時間序列信號，是中樞神經系統(CNS)的運動控制信息與影響外周肌肉生物電活動的各種理化因素共同作用的結果。利用EMG記錄、研究肌肉疲勞，是勞動生理學中常用的方法。它作為一種簡單、可定量、無創傷的研究方法，可以研究局部肌肉疲勞過程中的變化特征，可以遙測重復作業工人在不同勞動強度負荷下肌電的早期改變，可以更實際地反映出肌肉的工作能力和疲勞程度，其得到的資料更符合受試者當時的生理狀態。

二、表面肌電實驗

(一)實驗對象

受試人員為身體健康的7名男性和3名女性大學生志愿者，實驗前2周無激烈體力活動和肌肉損傷。經示范，他們在了解了實驗目的和操作要領后，在知情同意書簽字，完成全部測試動作。受試者的年齡、身高、體重等人體測量數據的測量數據見表1，測定方法見表2。

表1 受試者人體測量數據

表2 人體測量位點的參考位置

(二)測定最大自主收縮肌電的動作

實驗中研究的4塊肌肉分別為肱橈肌、肱二頭肌、三角肌和斜方肌，實驗前先測定它們的最大自主等長收縮(Maximal Voluntary Isometric Contraction,MVIC)狀態下的肌電信號，該肌電值稱為最大自主收縮肌電(maximal voluntary electrical activation,MVE)。根據各塊肌肉的解剖結構和生理功能，分別設計了不同動作，要求受試者使出其最大肌力。每個動作持續4-5秒，不使用爆發力，重復3次，取最大值的均值為結果。具體動作如下：

1.肱橈肌(Brachioradialis,Br)：利用握力計測定，手臂伸直，緊握握力計用力。

2.肱二頭肌(Biceps,Bi)：上臂緊貼軀干，肘部保持彎曲約90°，手心朝上，套以尼龍布帶為阻力，以上提姿勢用力；布帶的長度可根據受試者的身高作調整，其末端與傳感器相連接，力的大小可由數字萬用表讀出；以類似的方法測定三角肌、斜方肌的最大力。

3.三角肌(Deltoid,De)：雙臂外展約90°，布帶套在上臂中部為阻力，向上抬臂用力。

4.斜方肌(Trapezius,Tr)：雙臂外展約90°，布帶套在上臂中部為阻力，向上聳肩用力。

測定前對受試者進行動作訓練。為了促使其用出最大力，以握力計和傳感器的讀數作反饋信息。每完成一次測定動作休息2分鐘。

(三)模擬重復性操作

受試者坐姿，上身保持直立；桌(工作臺)高74cm，椅高可調，工作臺和椅間距為20cm。按照節拍器，以40個/min的速度，從一個盤子里抓取一個小零件(球形，直徑1cm，重5g)，手臂移動，將零件放置在另一盤子里。兩盤子直徑10cm，間距為30cm。該操作重復、持續進行，但每完成80個零件為一個時間段(約2min)，共需連續完成4段(約8min)。

(四)儀器設備

(1)表面肌電圖儀：型號Biotell 44，德國Glonner公司。

精度：分辨率為10位，共模抑制比>100dB；

電極單元：一共有4個通道，可同時測定4塊肌肉；采用單差分電路設計(single differential circuit)，每個通道使用成對的凝膠電極片，參考電極設于第一通道上；信號的帶寬：通道 1 帶寬為 0.5-520Hz；通道 2-4的帶寬為 17-520Hz；輸入靈敏度：通道1的為±5 mV，通道2-4為±2 mV。

(2)模-數轉換卡：型號DT3003 PGL，美國Data Translation公司。

規格：共有64個單端或32個差分模擬輸入端口；

精度：模擬信號的輸入/輸出分辨率為12位；

速率：模擬信號的輸入頻率為1.25MHz，輸出頻率為500kHz。

(3)數字采集與控制軟件：DIAdem 8.0，美國National Instruments公司。

版本：DIAdem 8.0，有2套功能不同的部分：①Starter Kit with Dac Bundle該部分具有數據采集功能 ②Standard Edition with Signal Analysis Toolset 該部分具有信號分析功能。

(4)其它設備：

計算機1臺：Compaq Evo，P4 2.4GHz，512 Mb RAM；

測力傳感器：德國Entran Sensoren公司，ELF-TC26-1000型；

握力計(測量范圍100 Kg)。

(五)記錄內容

實驗中儀器記錄受試者右臂4塊肌肉的表面肌電信號；除上述動作的肌電外，實驗前先測定各塊肌肉滿負荷(即最大自主等長收縮)時的肌電信號。

三、實驗結果

隨著重復性操作時間的延長，肱橈肌、肱二頭肌、三角肌和斜方肌肌電MVE%呈逐漸升高的趨勢，統計學檢驗，差異無顯著性。結果如表3所示。

表3 重復操作期間肌電 MVE%的變化(x ±s)

肌電MF和MPF隨著重復性操作時間的延長呈現降低的趨勢，即所謂頻譜左移，只是在最后1、2個時段不再下降，反而升高。MF和MPF的變化趨勢相似。

在重復操作開始的第1時段，肱橈肌、肱二頭肌、三角肌和斜方肌肌電MF和MPF的斜率均降低，為負值。隨著操作時間延長，平均頻率和中位頻率的斜率呈現時為負值，時為正值的變動，兩者的變化趨勢一致。此外，肱二頭肌肌電中頻的斜率1次為負值，而在其他肌肉為2次。

四、結論

本實驗模擬坐位重復性操作，肌肉疲勞時，肌電出現的典型變化是肌電幅度(以VE%表示)升高而MF降低，所謂的頻譜左移。然而，此間的勞動負荷應保持恒定。因為肌電幅度升高也可能由于負荷增加(肌力也隨之增加)所致，肌電中頻率降低也可能由于負荷或肌力減小的原故。此外，肌肉疲勞的肌電變化系靜態活動研究的結果，它在重復性操作時的變化尚不確定。本研究結果表明，隨著重復作業時間延長所測肌肉的肌電幅度(以MVE%表示)均逐漸升高。

針對實驗測試反映出的結果，本文在降低疲勞與安全生產方面提出以下建議。第一，改進操作方法，合理應用體力。合理設計作業的用力方法，運用正確的作業姿勢。第二，合理安排作業休息制度，注意勞逸結合。一般性的工作，在上下午各安排一次工間休息，大約20分鐘。第三，改善工作內容，克服單調感。比如，培養多面手、工作延伸、操作再設計或者動態信息報告等。