井下支護作業人員頸部肌肉疲勞特性研究*

陳曉琳，陳 立，郭鑫禾，翟韞哲

(河北工程大學 礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056000)

0 引言

礦井下照明差、噪聲嚴重、高溫高濕、工作空間有限等作業條件艱苦，環境惡劣，致使支護人員的疲勞程度增加，不安全行為發生率增高[1-2]。井下支護人員在作業過程中確定錨眼位置和觀察巷道頂部及周圍狀況時常伴有低頭、抬頭和頸部側屈等姿勢，雖然肩頸部負荷小，但是長時間、高頻率的頸部活動極易導致頸部肌群酸痛僵硬，反應遲緩等頸部疲勞特征，長期的慢性損傷便會造成頸部肌肉骨骼損傷。目前，肌肉骨骼損傷已成為我國防控職業病面臨的重點問題之一[3-5]。因此，研究支護作業過程中礦工頸部肌肉疲勞特性，明確頸部疲勞機制，從而降低煤礦行業肌肉骨骼發病率，進一步完善礦工職業病防治技術是當前職業健康保護領域的重要研究內容。

近年來，在針對人體局部肌肉疲勞特性的廣泛研究中，表面肌電(Surface Electromyography,sEMG) 作為1種可以實時準確地反映肌肉活動狀態和功能狀態的人體信號，是研究特定肌肉疲勞特性的有力方法[6-8]。Kang等[9]通過騎行實驗，分析了表面肌電信號與疲勞的相關性；杜云霄等[10]采用表面肌電法，以多種評價指標分析了伏案姿勢下頸部疲勞特征，從而得出有效的頸部肌肉疲勞評價算法；王琳等[11-12]對駕駛員頸腰部疲勞建立評價模型，得出腰頸部最易疲勞的位置；徐勝等[13]以sEMG頻域指標對受限空間下鉆孔工人身體各部位的肌肉疲勞特征研究發現，不同作業姿勢對肌肉的疲勞影響程度不同；Hostens等[14]針對駕駛人員三角肌等肌肉進行sEMG分析，發現駕駛時長對肌電信號影響較大。由此可知，當前sEMG多應用于臨床醫學、體育運動與交通駕駛等領域的人體肌肉研究，而在井下支護人員肌肉疲勞特性方面的研究與應用尚且不足。

因此，本文選用sEMG評價分析井下支護人員頸部肌肉隨活動角度及頻率變化的疲勞特性，以期為該職業群體選取合理的頸部活動角度與頻率，為職業性肌肉骨骼損傷防治提供依據。

1 實驗設計

1.1 實驗條件及被試

實驗選取支護作業過程中支護人員確定錨桿打眼位置及周圍環境檢查等上肢無負荷作業活動為研究對象，此時頸部為間歇性靜態活動，測試頸部伸張和屈曲時角度和頻率變化對頸部疲勞的影響特性。實驗中對頸部角度變化通過被試人員直視固定點位實現，模擬巷道條件為高3 m，寬4 m，設置7個點位，點與點間隔0.5 m，根據頸部角度變化設置固定點位角度，如圖1(a)所示，并設置不同的頸部活動頻率。根據臨床實驗確定的肌肉特征，選擇夾肌、胸鎖乳突肌和斜方肌為實驗測量部位，如圖1(b)所示。

圖1 實驗測量

實驗選取10名男性被試，年齡(22±2)歲，身高(175±1.55) cm，體重(69±5) kg，身體健康，肌肉狀態、關節狀態、體質情況等方面狀況均良好，近期3個月內無肌肉骨骼傷病，實驗期間被試保持一致，無替換。實驗前，所有被試均需進行30 min安靜休息，以保持身體肌肉信號穩定。

1.2 實驗過程

在實驗過程開始前，首先使用酒精棉擦拭皮膚去除角質及污垢，減少皮膚阻抗影響數據采集，然后將電極片按照既定順序粘貼固定在各肌肉部位。被試者按照實驗要求進行頸部活動，并收集肌電信號。實驗過程中高、低作業頻率實驗如下：

1)低頻實驗：對1個固定點位角度直視，保持頸部靜態屈曲或伸張1 min，休息15 s為1組，循環25組為1次實驗。

2)高頻實驗：對1個固定點位角度直視，保持頸部靜態屈曲或伸張20 s，休息5 s為1組，循環75組或力竭為1次實驗。

在采集完1個固定點位后，被試人員充分休息調整后，進行余下固定點位的數據采集。在整個實驗過程中，實驗室內避免其他活動干擾。

1.3 數據測量及處理

實驗通過銀-氯化銀雙電極電極片與肌電信號傳感記錄儀接收頸部肌肉電信號，采用ErgoLAB人機環境同步系統測量分析被試的頸部肌電數據，由計算機軟件Ergo3.0顯示，采樣頻率為1 024 Hz。實驗時使用6個采集通道，同時測試被試人員的左右兩側夾肌、胸鎖乳突肌及斜方肌的肌電信號。

表面肌電的原始信號是一維的時間電壓序列信號，特點是信號弱、頻率低、隨機性強。相關研究表明，積分肌電值(iEMG)對肌肉活動狀態的反映有較好的實時性，中值頻率(MF)有較好的可靠性。因此，本文實驗選用iEMG與MF為肌電信號時域和頻域評價分析的特征性指標[15]。實驗所測得數據經Ergo3.0濾波及歸一化處理后，提取并導出至Excel進行匯總，由Origin軟件將iEMG與MF的趨勢圖導出。

2 實驗結果與討論

頸部肌肉相對于其他身體部位肌肉負荷能力較弱，實驗中被試人員進行低強度的動作反復的頸部活動，屬于間歇性的頸部靜力性姿勢，致使頸部易產生疲勞，主要表現為肌電信號的緩慢變化。在實驗結果分析中，認為當iEMG與中值頻率MF短時間內發生明顯變化并逐漸趨于穩定時，可判斷頸部肌肉為疲勞發生狀態。

根據人體右利性特點，以具有良好特征性的頸部右側肌肉作為主要研究部位，選取疲勞程度變化明顯的1，3，7號點位的實驗結果進行分析。實驗過程中，將實驗時長劃分為40個時段，取各時段平均值為數據點進行分析繪圖。

2.1 積分肌電值結果與討論

通過實驗得到7種不同點位角度的頸部姿態下，各肌肉的疲勞積累程度，如圖2所示。由圖2(a)可知，頸部肌肉隨時間的增長呈現出iEMG值逐漸波動上升的趨勢，并且在疲勞后期相對趨于平緩。10位被試者的iEMG值隨疲勞程度加深而增大，同時表現出由于個體不同而導致的疲勞機制的差異，個別被試者的iEMG上下波動明顯密集，并在波動中逐漸上升，說明該被試頸部肌肉在收縮與舒張的平衡逐漸不穩定，導致疲勞程度逐漸加深，隨時間變化，波動減少，iEMG穩定上升。

經數據處理并繪圖，如圖2(b)～(d)所示，可見低頻實驗中各點位過程中頸部肌肉疲勞發生過程，表現為iEMG值緩慢的波動性增長，前期波動性較大，后期波動性減小并趨于穩定，說明頸部肌肉達到穩定疲勞狀態。

圖 2 低頻與高頻作業頸部肌肉iEMG變化曲線

由低頻實驗中頸部肌肉iEMG變化可知，在同一點位角度的情況下，不同肌肉的易疲勞程度不同。由平視狀態至1號點位，頸部肌肉屈曲程度逐漸增大，胸鎖乳突肌的疲勞積累程度逐漸增加。根據圖3低頻實驗疲勞前后iEMG對比，在5號點處，頸部屈曲程度弱于1號點位，頸部肌肉的疲勞積累程度相對較低，在1號點位頸部屈曲程度最大，疲勞積累程度較大。由平視狀態至7號點可見夾肌的疲勞積累程度明顯，在7號點位，頸部伸展程度最大，夾肌疲勞積累程度最大。

在高頻實驗中，各肌肉疲勞狀態下iEMG發展趨勢與低頻實驗時大致相同，疲勞程度相對提高，較明顯的變化特征為頸部主要肌肉發生顯著疲勞的時段有所提前。經分析圖2可知，在低頻時各個點位實驗中，在20～25個時段(16～19 min)的區間內被試頸部活動的主要肌肉疲勞程度均明顯提高，而高頻實驗時時段提前至18～23個時段(13～17 min)發生。頸部肌肉在達到顯著疲勞后會在短時間內進行疲勞高速積累，后續波動維持在一個較高的疲勞水平，這對于長時間作業人員頸部肌肉健康是非常不利的。因此，綜合高頻與低頻實驗結果來看，將連續作業時段維持在發生顯著疲勞之前，即平均保持在15～20 min，進行間斷性修整，可有效預防頸部肌肉骨骼損傷。

經統計分析，高、低頻實驗中各肌肉在各點位下疲勞前后iEMG對比圖，如圖3所示。由圖3可知，高、低頻實驗中iEMG變化規律大致相同。夾肌和胸鎖乳突肌的疲勞前后iEMG變化程度差異顯著(p<0.01)，愈加趨向1號點位角度，即頸部屈曲程度最大時，胸鎖乳突肌疲勞程度最大。而在伸頸時，點位角度越大，夾肌疲勞積累程度大于其他肌肉。由此可見，在頸部屈曲狀態時主要作用肌肉為胸鎖乳突肌，頸部伸展狀態時主要肌肉為夾肌。斜方肌在實驗過程中未表現出明顯的疲勞變化規律，有研究表明，斜方肌主要對肩部的活動起到控制作用[15]，在無上肢負荷狀態下進行頸部的屈曲和伸展時，對斜方肌的刺激較小，因此，存在斜方肌實驗前、后疲勞程度區別不明顯的情況。總而言之，不同的頸部點位角度下不同的肌肉部位疲勞差異顯著，間接性說明不同的動作中會對應有不同的主動肌，主動肌也是運動過程中最易疲勞和疲勞積累程度最高的肌肉。

圖3 低頻、高頻實驗疲勞前、后iEMG對比

2.2 中值頻率結果與討論

隨著肌肉疲勞程度的增加，表面肌電信號的功率譜會從高頻逐漸向低頻方向移動，即表現出MF值的逐漸下降。經處理得到中值頻率MF，取10位被試MF的平均值，繪制MF變化曲線并進行擬合，如圖4所示。

由圖4可知，頸部屈曲與伸張狀態活動時，各點位角度下各肌肉MF斜率變化不同，頸部肌肉表現與iEMG結果一致。低頻實驗中，由平視狀態至1號點，頸部屈曲角度增大，胸鎖乳突肌的MF下降斜率由0.18增大為0.60；由平視狀態至7號點，頸部伸展角度增大，夾肌的MF下降斜率由0.22增大為0.59；斜方肌未有規律性疲勞表現。高頻實驗中，與低頻實驗的iEMG與MF變化規律呈現相似規律，高頻實驗的肌肉MF下降斜率不同程度上高于低頻實驗(P<0.01)，1號點胸鎖乳突肌MF下降斜率提高至0.93，7號點夾肌MF下降斜率提升至0.84，斜方肌在高頻實驗中疲勞速度提升。

圖4 低頻與高頻作業頸部肌肉MF變化曲線

為了更加清晰地體現高、低頻作業對頸部肌肉疲勞的影響作用，引入斜率比的概念，記高頻實驗MF下降斜率為k1，低頻實驗MF下降斜率為k2，q為下降斜率比，其計算如式(1)所示。

q=k1/k2

(1)

通過計算，得到7種不同點位角度下各頸部肌肉的斜率比，如圖5所示。由圖5可知，高頻實驗下的頸部肌肉MF下降斜率是低頻實驗的1～1.55倍，疲勞積累程度相較低頻實驗顯著提升。在不同的頸部活動角度下，降低作業頻率對不同肌肉的疲勞緩解程度是不同的。

圖5 低頻與高頻頸部肌肉MF下降斜率比

綜上，時域指標iEMG和頻域指標MF均將頸部肌肉的疲勞過程表現出來，已有研究表明，iEMG的上升與MF的下降表示肌肉產生和積累疲勞的過程，頸部肌肉的活動伴隨著肌肉組織的收縮，運動單元在整個過程中為肌肉組織的收縮提供能量[3,12]。在實驗前期，運動單元的數量滿足肌肉收縮的需求，可以維持頸部活動的進行；在實驗中后期，運動單元的放電能力減弱，且數量減少，因而導致iEMG產生隨時間的增長而增大轉而趨于平緩的變化趨勢。高頻實驗比低頻實驗中頸部活動主要肌肉顯著疲勞發生的時間提前，也與相關研究的結果相近[11-12]，是頸部肌肉受高頻活動影響導致能量失衡，從而使疲勞發生時間提前。

在實際的作業環境中，由于支護作業的特殊性，作業過程中會伴隨著不定頻率不定點位角度的頸部活動，作業頻率過低易引起頸部肌肉的血流阻斷，頻率過高則會引起頸部肌肉收縮的供能不足，均會造成頸部的顯著性疲勞。比較分析高頻、低頻實驗，可知在實際作業過程中適當降低作業頻率，改善作業時頸部的點位角度變換頻率，即減小單次作業時長，增加大、小點位角度切換頻率，可以有效降低頸部疲勞產生速度，緩解頸部疲勞積累。

3 結論

1)隨測試點位角度的變化，積分肌電值與中值頻率均表現出良好的敏感性，并將頸部疲勞變化體現為對應肌肉iEMG的上升與MF的下降。

2)頸部屈曲程度增大時(1號點位角度)，胸鎖乳突肌疲勞變化突出，iEMG疲勞前、后差值最大(1.55)，MF下降率分別達到0.60和0.93；頸部伸展程度增大時(7號點位角度)，夾肌疲勞狀態明顯，iEMG疲勞前、后差值最大(1.59)，MF下降率最大分別為0.59和0.84；由于實驗模擬無負荷狀態，并且涉及肩部運動較少，斜方肌疲勞并未展現出規律性變化。

3)高頻實驗中各肌肉MF下降速度為低頻實驗對應肌肉的1～1.55倍，主要肌肉疲勞發生時間由16～19 min提前至13～17 min，頻率高且密集的頸部活動作業導致疲勞快速發生，并造成更大的疲勞積累結果。適當降低作業人員的連續作業頻率，增加休息間隙，將連續作業時長保持在15～20 min，可有效地緩解頸部肌肉疲勞，對預防深度疲勞及肌肉骨骼肌疾患有重大意義。