人工破拆壁面作業(yè)肌肉疲勞實驗研究

易燦南教授 唐 范講師 李開偉,2教授 何佳媛 鄭艷芳講師

(1.湖南工學院 安全與環(huán)境工程學院，湖南 衡陽 421102；2.臺灣中華大學 工業(yè)管理系，臺灣 新竹 30012)

0 引言

由于操作靈活、對作業(yè)空間依賴小、破拆效率高等特點，人員手持振動工具進行人工破拆的作業(yè)廣泛存在于房屋建筑工程、路橋工程、市政維修工程以及災后破拆營救等各類施工及救援任務中。人工破拆作業(yè)具有以下風險：特殊作業(yè)姿勢導致工作相關肌肉骨骼損傷(Work-related Musculoskeletal Disorders, WMSDs)風險高，如蹲姿、仰姿等；多種施力同時存在，且體力負荷大，不僅需要握住手柄與支撐器具，還可能存在壓、推或提舉等施力方式；長時間作業(yè)造成肌肉疲勞累積；作業(yè)過程存在強烈振動，振動導致過大施力并影響肌肉調用策略，可能導致振動WMSDs。在我國，從事人工破拆作業(yè)主要是路橋和建筑施工工人、地震及其他自然災害搜救人員以及公安消防部隊、武警官兵等，雖然目前沒有這些人員從事人工破拆作業(yè)所導致WMSDs的具體數(shù)據(jù)，但相關研究結果顯示，施工工人和消防官兵WMSDs風險很高。

現(xiàn)有人工破拆相關作業(yè)WMSDs研究一般通過問卷調查、醫(yī)學檢測以及振動測量來探討礦工、建筑企業(yè)工人以及道路維修工等作業(yè)人員WMSDs風險。運用人因風險分析方法分析作業(yè)過程風險，如Alabdulkarim等模擬飛機制造靜態(tài)電鉆作業(yè)，發(fā)現(xiàn)不同作業(yè)姿勢下，人因風險和作業(yè)績效均存在顯著差異。基于表面肌電(Surface Electromyography, sEMG)分析作業(yè)過程肌肉活動特征，如Widia和Dawal分析手持電鉆鉆孔作業(yè)中肌肉疲勞發(fā)展情況；Maciukiewicz等研究手持電鉆斜上方鉆孔作業(yè)的肌肉活動情況；Li等分析模擬地面破拆作業(yè)中最大耐受時間(Maximum Endurance Time, MET)和sEMG的變化來研究作業(yè)過程中肌肉疲勞發(fā)展問題。分析作業(yè)過程肌力的變化來研究肌肉疲勞發(fā)展，如Ma等研究模擬坐姿鉆孔作業(yè)過程疲勞速率發(fā)展變化。以上研究中，研究對象都非壁面破拆作業(yè)，所使用工具都是小型電鉆，如Widia和Dawal研究中所使用電鉆僅重1.5kg，所鉆材料為木質工件；Maciukiewicz等研究中所采用電鉆約為2～3kg，且作業(yè)面高于頭頂；Ma等研究的對象為模擬電鉆，約重2.5kg；Maeda等研究中為Makita小型電鉆，未告知重量。使用中大型設備進行壁面人工破拆作業(yè)導致的WMSDs預防還需進一步研究。

肌肉疲勞作為預防WMSDs的重要手段，一直是職業(yè)衛(wèi)生醫(yī)學、工效學、運動學與安全工程等領域的重要研究課題，其定義為“任何生理動作所導致的肌肉最大力量輸出(或最大能量輸出)的減小”。一般從主觀和客觀方面進行研究，其測量量一般包括主觀肌肉疲勞評分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)(如Borg CR-10等)、生物力學分析法、生理信號分析(如sEMG、心電與腦電等)、生化指標分析法(如氧耗量、呼吸速度等)、操作任務測量(如最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contractions，MVC)、MET)。工效學領域一般綜合運用上述幾種方法研究作業(yè)過程的肌肉疲勞問題。

基于此，本實驗以人工使用中型破拆器具破拆壁面作業(yè)為研究對象，從主觀和客觀2個方面獲取作業(yè)過程肌肉疲勞相關數(shù)據(jù)，記錄作業(yè)前后最大肌力變化、作業(yè)過程MET和主要施力肌群sEMG信號以及作業(yè)完成后RPE數(shù)據(jù)，探討壁面人工破拆作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展問題。

1 方法

1.1 實驗方案設計

人工破拆壁面作業(yè)破拆位置隨工作任務而定，由于需要手持振動工具進行破拆，破拆高度一般為人體站姿或其他姿勢下可及范圍。前期實驗測試的115和140cm高度分別近似相當于18-60歲男性肘高和肩高，本次實驗選擇測試較低高度，40和90cm高度，分別近似于脛骨點高和會陰高，研究成果可為較低位置人工破拆作業(yè)肌肉疲勞預防提供理論支持。測量量包括主觀測量和客觀測量2個維度，主觀測量采用Borg CR-10進行RPE打分；客觀測量包括肌力、MET和sEMG。基于文獻[5,25-27]經驗，肌力測試確定為握力和推力。前期115和140cm高度破拆實驗中被試RPE最高出現(xiàn)在右手(5.96)，其次為腰、右腿、左手(3.39～3.89)，再次為左腿(2.11)。以前期實驗為基礎進行預實驗，根據(jù)解剖學相關知識、sEMG信號以及詢問被試主觀肌肉疼痛和疲勞感覺，考慮到人工手持振動工具進行破拆作業(yè)MSDs風險主要集中于上肢，最終確定測量作業(yè)過程右手尺側腕屈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌前束以及左手肱二頭肌、三角肌前束6個肌群的活動特征。

1.2 實驗組織

1.2.1 被試

招募8名大學男生參與實驗，慣用右手，身體健康且無WMSDs病史。被試于正式實驗之前了解實驗目的與過程，在實驗支架(如圖1)上熟悉破拆施力作業(yè)，簽署實驗知情書并登記個人基本信息，而后在實驗員的指導下獨立完成實驗。被試年齡、身高、體質量、身體質量指數(shù)、肩高、肘高、跨高、手功能高和膝蓋高分別為(19.75±0.68)歲，(173.25±2.52)cm，(66.05±8.51)kg，(22.01±2.87)kg/m，(142.19±3.70)cm，(107.75±3.59)cm，(97.00±4.13)cm，(75.00±2.84)cm，(54.06±1.28)cm。該實驗在實驗室內完成，使用真實破拆器具在破拆實驗支架上進行作業(yè)，溫度為(23.06±0.81)℃，相對濕度為(39.69±5.07)%。

1.2.2 儀器設備

(1)實驗支架：制作實驗支架，支架正面有小孔用于固定3軸拉/壓力傳感器(FH3D-45，深圳耐特恩科技有限公司)，該傳感器可實時傳輸作業(yè)過程中

X

，

Y

，

Z

方向施力大小，如圖1。

圖1 不同高度下人工破拆壁面作業(yè)Fig.1 Manual wall-demolishing operation at different height

(2)破拆工具BOSCH電鎬 GSH500，如圖1。

(3)握力計(EH101，CAMRY)。

(4)無線表面肌電測量裝置：ErgoLAB人機環(huán)境同步系統(tǒng)3.1(北京津發(fā)科技股份有限公司)，8導無線表面肌電傳感器v5.5(北京津發(fā)科技股份有限公司)，攝像頭，固定綁帶，一次性使用心電電極片(康任)，筆記本電腦1臺，肌電數(shù)據(jù)采集頻率1 024Hz。

1.2.3 實驗過程

(1)準備階段，被試跟隨視頻進行5min的身體有氧訓練，休息5min。

(2)最大握力測量，被試在實驗員指導下按照圖1姿勢在握力計上分別測量40和90cm高度下的最大握力，每位被試測量3次，取最大值為MVC，每次握力測量間隔2min。

(3)最大推力測量，被試握持GSH500在實驗支架上測量40和90cm高度處的最大推力，要求在3～6s內施出最大力并維持最大力3s，取最大水平推力(

Z

方向分量)為MVC，每次推力測量間隔2min。(4)模擬壁面破拆實驗階段。①貼電極片，實驗人員先去除被試右手尺側腕屈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌前束以及左手肱二頭肌、三角肌前束6個肌群皮膚表面的毛發(fā)，再用75%醫(yī)用酒精棉球反復擦拭，將電極片成對貼于各個肌群肌腹處的皮膚表面(沿肌纖維縱軸方向貼)，每對電極片間隔2cm，參考電極貼于各關節(jié)、骨骼或肌腱處，電極用繃帶進行固定，用醫(yī)用膠帶固定傳感器電線；②模擬壁面破拆作業(yè)，被試握持GSH500始終用最大力推實驗支架上木塊中心直至被試反饋無法堅持，無法堅持前2～3s告知RPE值，3軸拉/壓力傳感器全程記錄破拆作業(yè)過程推力大小，實驗停止時的剩余水平推力(

Z

方向分量)記為

F

，所維持時間記錄為MET。按照步驟(2)再測量剩余握力，記為

F

。1天只進行1次實驗，每2次實驗之間間隔24h以上，并且實驗前24h禁止劇烈體力活動。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗總共記錄16個(8位被試×2個高度)MET和RPE數(shù)據(jù)；32個(8位被試×2個高度×2個時刻)握力和推力數(shù)據(jù)；16組(8位被試×2個高度)無線表面肌電數(shù)據(jù)。對于無線表面肌電數(shù)據(jù)，對其進行降噪、整流、濾波(0-500Hz)、平滑、標準化等處理，標準化處理方式為計算每位被試當次實驗的最大值并將該值作為標準化的基準值，按照實驗總時長將每位被試MET進行5等分，記為時段

t

1，

t

2，

t

3，

t

4和

t

5，分析不同時段下時域指標電活動水平(Electrical Activity, EA)和頻域指標中位頻率(Median Frequency，MF)的特征。利用Excel匯總整理數(shù)據(jù)，利用SPSS進行統(tǒng)計分析。

2 結果

2.1 握力、推力、MET及RPE

方差分析結果顯示(見下表)：作業(yè)前后握力(

p

<0.0001，

p

值代表數(shù)據(jù)差異的顯著性，

p

值大于0.05說明數(shù)據(jù)差異不顯著，

p

值在0.01到0.05之間說明數(shù)據(jù)差異顯著，

p

值小于0.01說明數(shù)據(jù)差異極其顯著)和推力(

p

<0.0001)差異皆極其顯著，且作業(yè)前握力和推力均顯著大于作業(yè)后握力和推力；作業(yè)高度僅顯著影響MVC(

p

=0.049)和

F

(

p

=0.007)，90cm高度MVC顯著大于40cm高度，但40cm高度

F

顯著大于90cm高度，作業(yè)高度對MET、RPE、MVC和

F

影響不顯著(

p

>0.05)。

表 不同高度下握力、推力、MET及RPE差異Tab. The difference among grip force, push force, MET and RPE at different height

2.2 各肌群EA(%)和MF

將EA進行標準化后獲得EA(%)，40和90cm作業(yè)高度不同時段時域EA(%)和頻域MF變化趨勢(如圖2)，不同高度下EA(%)均隨時段而升高，40cm高度下僅左手肱二頭肌MF有較明顯降幅；90cm高度下，左手肱二頭肌、左手三角肌前束以及右手三角肌前束降幅明顯。

t

1和

t

5時段配對T檢驗結果顯示：①40cm高度下，右手尺側腕屈肌(

p

=0.035)及右手肱二頭肌(

p

=0.022)EA(%)均存在顯著差異，右手肱三頭肌EA(%)(

p

=0.03)和MF(

p

<0.000 1)均存在顯著差異；②90cm高度下，右手尺側腕屈肌(

p

=0.032)、左手三角肌前束(

p

=0.016)EA(%)存在顯著差異，左手肱二頭肌MF存在顯著差異(

p

=0.033)，右手肱三頭肌EA(%)(

p

<0.000 1)和MF(

p

<0.000 1)差異極其顯著，右手三角肌前束EA(

p

=0.032)和MF(

p

=0.004)差異顯著。

圖2 不同高度作業(yè)下不同時段各肌群EA(%)和MFFig.2 EA(%)and MF during different phases at different height

3 討論

本實驗通過測量客觀和主觀肌肉疲勞數(shù)據(jù)，探討壁面破拆作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展問題。從實驗結果來看：40和90cm高度人工破拆作業(yè)產生肌肉疲勞，實驗結束后握力和推力都顯著小于實驗前，被試RPE達到9.0以上；40和90cm高度下雖然作業(yè)前后推力存在顯著差異，但是握力和RPE差異不顯著，40和90cm高度下肌肉疲勞發(fā)展可能不存在顯著差異。

本期實驗是前期140和115cm高度破拆實驗的延續(xù)，加入sEMG設備探討作業(yè)過程中相關施力肌群肌肉活動特征并分析局部肌肉疲勞發(fā)展問題。前期破拆實驗中，140和115cm高度下，MVC和

F

分別為(439.46±65.07N，334.32±67.87N)，(431.34±50.95N，322.56±49.11N)；MVC和

F

分別為(87.07±25.29N，60.34±28.32N)和(100.49±27.08N，63.39±33.38N)；MET分別為(68.29±22.34)s和(96.43±44.80)s。本期實驗采用設備為BOSCH GSH500，工具重量相差3kg，握持手柄大小一致。2期實驗不同高度不同設備下，MVC和

F

差異相對較小，可能與以下因素有關：Imrhan發(fā)現(xiàn)雙手靜態(tài)握力作業(yè)的握力大小隨間距大小呈線性變化，這說明握力大小受握距影響，2期實驗設備屬于同一生產廠家，型號雖不同，但手柄大小一致，因此導致差異較小;2期實驗4個作業(yè)高度握力測試所采用姿勢都與不同高度下實際握持破拆工具姿勢一致(如圖1)，雖都為握力測量，但同時參加2期實驗的被試反映本次測試相對較難施展最大握力，這也可能是本期實驗中握力較上期實驗較小的原因。本期實驗的推力與上期實驗差異較大，這可能與以下因素有關：工具的重量，上期實驗工具GSH9VC約12kg，本期實驗工具約為9kg，實驗中被試需要托舉并施最大推力，工具越重，托舉力越大，影響到最大水平推力大小；作業(yè)位置越高，被試需要做更大功才能維持托舉，所消耗能量越多，影響到最大水平推力的施展；高度對施力策略的影響，高度越高，尤其在腰部以上位置，較少調用腰背肌群施力，而位置較低如40和90cm情況下，腰背和下肢肌群調用較多，施力相對較大，但位置太低尤其在40cm高度時，破拆姿勢相對較難維持，也影響到推力的施展；水平推力受高度影響，實驗設定的前提是鉆頭與壁面呈90°的條件下，不容易打滑，相對較安全，上期實驗中被試能夠較容易維持90°破拆，但本期實驗中，雖然不斷鼓勵被試讓鉆頭90°推進木塊，但是仍然存在夾角變化情況，3軸拉/壓力數(shù)據(jù)顯示約60%和75%的被試能夠近似控制好

X

方向和

Y

方向(

X

和

Y

方向推力分量與

Z

方向推力分量比值0.15)近似90°夾角，但也有被試不能，例如一位被試

X

方向推力分量/

Z

方向推力分量比值達到0.61，而另外一位被試

Y

方向比值達到0.40。由此可見，當破拆位置過低或者過高時，作業(yè)人員需要特別注意鉆頭打滑問題，需要施加更多力才能保證作業(yè)過程破拆平穩(wěn)順利進行。現(xiàn)有研究表明，肌肉產生疲勞時，由于需要募集更多運動單位參與收縮，疲勞產生部位相關肌群的sEMG功率譜發(fā)生改變，sEMG振幅增加，頻率下降，通常用時頻聯(lián)合分析(Joint Analysis of the Spectra and Amplitudes, JASA)方法來研究疲勞(如圖3)，當數(shù)據(jù)處于Ⅳ象限時，說明此處肌肉產生疲勞。由于被試需要托舉工具在蹲姿和半蹲姿(如圖1)下用最大推力進行作業(yè)，所能堅持時間較短(MET為60s左右)，RPE值很高(超過9)。根據(jù)

t

1和

t

5 2個時段EA(%)和MF配對T檢驗結果，40cm高度下右手肱三頭肌、90cm高度右手肱三頭肌和右手三角肌前束的EA(%)和MF均存在顯著差異，但是根據(jù)圖2，僅90cm高度下右三角肌前束EA(%)上升、MF下降。用JASA方法進一步分析6個肌群活動特征(如圖4)：40cm高度時較多數(shù)據(jù)落在Ⅰ和Ⅳ象限，主要施力肌群為右手尺側腕屈肌、右手肱二頭肌和左手三角肌前束，8名被試右手尺側腕屈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌前束及左手肱二頭肌、三角肌前束疲勞的人數(shù)分別占25%、25%、25%、12.5%、0%和25%；90cm高度下主要施力肌群為右手肱二頭肌、左手和右手三角肌前束，8名被試右手尺側腕屈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌前束及左手肱二頭肌、三角肌前束疲勞的人數(shù)分別占25%、37.5%、12.5%、62.5%、50%和62.5%。可見2個姿勢下主要施力肌群存在差異：40cm高度由于被試需要采用蹲姿進行作業(yè)，更加依賴手腕力量穩(wěn)定設備，而同時需要用最大力，被試不自覺調整姿勢，身體左側更加往前傾(如圖1)，左手三角肌前束施力更大；90cm高度身體相對水平，左右三角肌前束施力都較大；2個高度的右手肱二頭肌施力都較大，這與手肘屈曲有關；40cm高度蹲姿作業(yè)與90cm高度半蹲姿作業(yè)相比，穩(wěn)定性更好，所能堅持時間相對較長(MET=67.0±21.9 s)但較難施力(MVC=144.1±28.8N)，2個高度施力策略也存在差異，被試也反應40cm高度時的肢肌肉酸痛相對較為明顯，但本次實驗中沒有測量此部分肌肉活動特征，后期將調整實驗設計進一步測量。2個高度的各肌群疲勞產生存在差異：40cm高度時各肌群疲勞產生不明顯，僅4個肌群產生疲勞且人數(shù)僅占25%；90cm高度左右手三角肌產生疲勞的人數(shù)占62.5%，這說明此高度時較多依賴肩膀處力量。各肌群局部肌肉疲勞的低產生與實驗結束后的高RPE值(超過9)存在矛盾，可能原因是：所堅持時間較短，肌肉疲勞累積還不夠明顯；姿勢的特殊性是造成RPE高的主要原因，基于工作姿勢分析系統(tǒng)，此2個高度下背部彎曲且扭轉施力(值為4)，手臂雙臂均低于肩(值為1)，雙腿彎曲(值為4)，所握持設備為BOSCH GSH500(9kg)，作業(yè)過程施力約120N，10～20kg之間(值為2)，即4 142，是AC4等級，姿勢有極端的危害，需立即采取改善措施。因此推測：姿勢不良可能影響較低作業(yè)高度時人工破拆壁面作業(yè)肌肉疲勞；較低高度或受限空間內人工作業(yè)肌肉疲勞可能非局部肌肉疲勞的耦合疊加。

圖3 JASAFig.3 JASA

圖4 人工破拆壁面作業(yè)不同高度下肌電數(shù)據(jù)JASA分析Fig.4 JASA analysis on the myoelectricity data of manual wall-demolishing operation at different height

本實驗作業(yè)過程肌群活動與現(xiàn)有研究存在差異，如Widia和Dawal研究中使用BOSCH GBM 450鉆10cm×10cm×3cm木塊，5和15min工作任務下，右手前臂橈骨伸肌疲勞最明顯，肱三頭肌施力增大，肱三頭肌肌電信號受姿勢影響。Li等模擬地面破拆作業(yè)中疲勞累積最明顯肌群為肱二頭肌、肱三頭肌和胸大肌。這種差異可能與作業(yè)姿勢有關，這2個研究中作業(yè)姿勢都與本實驗存在很大區(qū)別，Widia和Dawal研究中為站姿手持小型電鉆進行鉆孔作業(yè)，而Li等則為站姿抵抗重物作業(yè)。實際中，人工破拆作業(yè)姿勢因破拆對象而異，本實驗所設計垂直壁面破拆雖屬于典型破拆作業(yè)，但在實際工作尤其是災后破拆營救作業(yè)中，可能會出現(xiàn)傾斜壁面破拆甚至出現(xiàn)狹窄受限空間內天花板破拆等姿勢受限作業(yè)，在這些特殊環(huán)境中，鉆頭與破拆對象可能無法近似保持90°鉆入，從而造成施力策略方面的差異，對于這些作業(yè)還需要進一步調研與實驗研究。其次，本實驗為最大推力作業(yè)，設備也沒有正式開啟，與實際作業(yè)存在一定差別，后期將設計更加貼近真實作業(yè)的實驗，獲取相關指標來評估作業(yè)過程肌肉疲勞發(fā)展問題。再次，本實驗僅探討上肢相關肌群的肌肉活動特征，后期將分析軀干和下肢肌群相關肌群的局部肌肉疲勞發(fā)展情況。

4 結論

(1)人工破拆壁面作業(yè)肌肉疲勞累積明顯，具體體現(xiàn)在推力下降和握力下降以及高RPE值。

(2)40和90cm高度時肌肉疲勞產生主要受作業(yè)姿勢影響；因高度僅影響作業(yè)前后推力，因此推斷2個高度的疲勞產生差異可能并不顯著；40cm破拆高度的局部肌肉疲勞累積不明顯，90cm高度時左手和右手三角肌前束是疲勞累積最為明顯的肌群；人工破拆壁面較低位置要特別注意不良作業(yè)姿勢帶來的風險并注意三角肌前束疲勞累積問題。

(3)40cm破拆高度主要施力肌群為右手尺側腕屈肌、右手肱二頭肌和左手三角肌前束；90cm破拆高度主要施力肌群為右手肱二頭肌、左手和右手三角肌前束。在進行較低位置破拆作業(yè)時，可重點關注這些肌群的活動特征，為WMSDs預防提供理論支持。