基于動(dòng)作捕捉、壓力分布和sEMG技術(shù)的辦公坐姿舒適性研究

蘇娜，熱依汗古麗·木沙，木葉賽爾·買買提,李兆波，陶慶*

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中心，烏魯木齊 830054；2.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

腰痛(LBP)是辦公室工作人員中最普遍的肌肉骨骼疾病之一[1]，隨著計(jì)算機(jī)和移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它改變了許多職業(yè)任務(wù)的完成方式，導(dǎo)致坐姿工作的時(shí)間增加[2]，長時(shí)間坐姿工作會(huì)給身體健康帶來一些問題，它會(huì)增加背部、頸部、肩部、手臂和腿部肌肉骨骼疾病的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。研究表明，人體活動(dòng)減少與肌肉骨骼疼痛的患病率增高有關(guān)，并指出肢體行為減少與較高的腰痛發(fā)生率相關(guān)[5]。

久坐是腰痛加重的重要因素，最佳坐姿的不明確同樣也是加重腰痛的因素之一[6]。許多人普遍認(rèn)為長時(shí)間保持一個(gè)不好的姿態(tài)(如懶散坐姿)與非特異腰痛的發(fā)展有關(guān)[7]，因?yàn)閼猩⒆丝赡軙?huì)損害軀干肌肉活動(dòng)和本體感受[8]，而直立坐姿和靠背支撐坐姿相對更安全[9]，使用座椅靠背可以減少腰椎前凸，更符合辦公人群坐姿的需求[10]，因?yàn)檠登巴箷?huì)影響肩部的活動(dòng)范圍[11]。座椅靠背的作用是通過放松豎脊肌肌肉組織來減輕施加在脊柱上的應(yīng)力，同時(shí)保持腰椎前凸和增加坐姿舒適度[12]。

Guo等[13]模擬研究了腰椎支撐對坐姿舒適性的影響，指出最佳腰椎支撐厚度在10 mm左右，可以降低人體背部的接觸壓力和腰椎間盤壓力。不同實(shí)驗(yàn)表明輔助靠背的增加顯著降低了靠背平均壓力，也有研究表明30 mm的腰墊能夠提供腰部最佳支撐并防止腰椎扁平化，建議辦公室工作人員使用靠背以促進(jìn)良好的脊柱姿勢，減少軀干肌肉活動(dòng)，增加舒適度和減少椎間盤內(nèi)壓力[14]。鑒于目前最佳坐姿選擇缺乏共識(shí)[15]，因此本次研究對比了2種常見的辦公坐姿(座椅靠背坐姿或座椅前端坐姿)以及加入腰靠后的靠背坐姿，為辦公人員明確最佳的辦公坐位姿態(tài)。常用分析坐姿舒適性的方法包括：表面肌電信號(hào)分析[16-19]，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)對比[20-21]，壓力分布測量分析[22-25]，以及主觀舒適或不適等級(jí)問卷調(diào)查研究[26]。在進(jìn)行壓力分布測量實(shí)驗(yàn)時(shí)，座椅椅面材料的不同會(huì)體現(xiàn)出不同的坐姿舒適性[27]，因此本次研究限定椅子變量，只研究坐位姿態(tài)對坐姿舒適性的影響。

本次研究對座椅前端直立坐姿(受試者背部挺立與椅面保持垂直及臀部覆蓋椅面縱深80%深度，NBSP)、座椅靠背坐姿(實(shí)驗(yàn)者臀部全部覆蓋椅面縱深及背部靠在座椅后背呈放松狀態(tài)，BSP)和加入腰墊后靠背坐姿(靠背坐姿后在后背與椅面之間增加15 cm厚度左右市面常見方形海綿腰靠，LPSP)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)分析(圖1)，通過采集坐姿狀態(tài)時(shí)的肢體運(yùn)動(dòng)信息、臀部壓力數(shù)據(jù)和背部指定肌肉的表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)，分析對比不同坐姿狀態(tài)肢體的參數(shù)信息，以期為辦工人員選擇最佳坐位姿態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 3種坐姿示意圖Fig.1 Schematic diagram of three sitting postures

1 試驗(yàn)方法

從大學(xué)社區(qū)招募20名沒有腰痛病史的成年志愿者，其中男女各10名，平均年齡為21.3歲，在實(shí)驗(yàn)之前測量并記錄下他們的身高和體質(zhì)量。所有受試者在參與本研究前均簽署書面知情同意書且實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過校倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

光學(xué)動(dòng)作捕捉設(shè)備安裝在無光線直射的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，避免其他光線直射干擾光感攝像頭對標(biāo)記點(diǎn)反射光線的采集。本次使用的動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)是Motion Analysis Eagle Digital System(USA)。共使用7臺(tái)Eagle數(shù)字捕捉鏡頭分布在測試者四周，所有硬件設(shè)備的運(yùn)行都通過EVaRT 5.04實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行控制，并將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，針對全身人體各個(gè)關(guān)節(jié)部分共設(shè)計(jì)了41個(gè)反射標(biāo)記點(diǎn)(圖2)，將這41個(gè)點(diǎn)進(jìn)行連線可以構(gòu)成人體球棍骨架模型，可以將大多數(shù)肢體動(dòng)作進(jìn)行數(shù)字化表征，實(shí)驗(yàn)時(shí)在志愿者全身按照41個(gè)標(biāo)記點(diǎn)位置粘貼反光小球。為了盡可能避免肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)反射標(biāo)記點(diǎn)被遮擋，7臺(tái)紅外攝像機(jī)高低錯(cuò)落分布。

圖2 全身41個(gè)標(biāo)記點(diǎn)分布圖Fig.2 Placement of 41 markers on the body

人體壓力分布測量系統(tǒng)(BPMS)由美國Tekscan公司設(shè)計(jì)制造，該體壓測量墊厚度僅為0.2 mm，最大限度減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的誤差影響。壓力測量墊通過USB接口與采集電腦終端連接，并通過USB接口為其供電，采樣頻率設(shè)置為10 Hz，數(shù)據(jù)分辨率8 bit，實(shí)驗(yàn)測量時(shí)直接將其放置在座椅椅面上。

人體表面肌電信號(hào)采集設(shè)備使用葡萄牙的Biosignalsplus，單機(jī)支持八通道信號(hào)采集，使用藍(lán)牙傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)到電腦終端，并通過OpenSignals(r)evolution軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和保存。設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz，采集背部左右多裂肌(LMF和RMF)和左右豎脊肌(LES和RES)的肌肉活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使用75%的醫(yī)用酒精反復(fù)擦拭測量肌肉的皮膚周圍，去除皮脂以降低皮膚電阻，然后在每塊指定肌肉上粘貼正負(fù)2片電極貼片。整個(gè)實(shí)驗(yàn)場景見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置Fig.3 Experimental scene

2 數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)研究

動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)研究對比了座椅前端直立坐姿和座椅靠背坐姿2種坐姿狀態(tài)下辦公人員上肢活動(dòng)的靈活性，由于加入腰靠的靠背坐姿對肢體活動(dòng)的影響可以忽略，因此動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)對比了前2種坐姿時(shí)人體上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。選擇了3組辦公室常見的工作任務(wù)：1)向后轉(zhuǎn)身取物；2)坐姿使用鼠標(biāo)；3)坐姿敲擊鍵盤。動(dòng)作一為志愿者首先保持正常指定坐姿，然后通過辦公座椅旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身去拿放置在右后方書柜中的物品，之后回到正常坐姿；動(dòng)作二為志愿者首先保持正常指定坐姿，然后右手伸出握住放置在桌面右前方的鼠標(biāo)，并拖動(dòng)鼠標(biāo)完成小范圍畫圓運(yùn)動(dòng)一周模擬使用鼠標(biāo)狀態(tài)，之后回到正常坐姿；動(dòng)作三為志愿者首先保持正常指定坐姿，然后雙手伸出放置在正前方桌面上的鍵盤上，敲擊鍵盤上涂色的按鍵后，返回正常的坐姿。動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)主要研究人體坐位姿態(tài)不同對動(dòng)作完成度的影響，因此每個(gè)動(dòng)作完成任務(wù)要求即可。數(shù)據(jù)采集精度為0.1 mm，每秒進(jìn)行120幀的拍攝記錄。

?θ=arccosθ

選取頸部(頭后側(cè)2號(hào)點(diǎn)、頸部7號(hào)點(diǎn)和腰椎27號(hào)點(diǎn)連線形成的夾角)、肩部(右上臂9號(hào)點(diǎn)、右肩5號(hào)點(diǎn)和右骶髂后棘25號(hào)點(diǎn)的連線形成的夾角)、肘部(右肩5號(hào)點(diǎn)、右肘部10號(hào)點(diǎn)和右前臂11號(hào)點(diǎn)的連線形成的夾角)和腰部(右大腿28號(hào)點(diǎn)與左大腿35號(hào)點(diǎn)的中點(diǎn)、腰椎27號(hào)點(diǎn)和頸部7號(hào)點(diǎn)形成的夾角)4個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行坐姿運(yùn)動(dòng)過程的關(guān)節(jié)角度變化計(jì)算，并定義2個(gè)關(guān)節(jié)角度的評價(jià)指標(biāo)：關(guān)節(jié)角度變化率(β)和關(guān)節(jié)角度變化比值(γ)。

式中：f(i)和y(i)分別代表相同工作任務(wù)不同坐位姿態(tài)時(shí)某時(shí)刻關(guān)節(jié)角度值；t代表整個(gè)動(dòng)作任務(wù)完成的時(shí)間。

2.2 壓力分布測量數(shù)據(jù)研究

先前的研究顯示加入腰靠會(huì)提升坐姿的舒適性，因此選取座椅前端直立坐姿、靠背坐姿和增加腰靠的靠背坐姿進(jìn)行臀部壓力的對比實(shí)驗(yàn)。采集志愿者3種坐位姿態(tài)下的靜態(tài)臀部壓力分布數(shù)據(jù)，因?yàn)樽吻岸俗藷o靠背處有壓力分布，為統(tǒng)一變量分析，本次對比實(shí)驗(yàn)只采集研究臀部的體壓分布，并計(jì)算平均壓力和峰值壓力。

確定評價(jià)坐姿舒適性的體壓分布指標(biāo)為平均壓力和峰值壓力。峰值壓力(P95)定義為全部測試點(diǎn)的第95百分位壓力值，即：

式中，Pi為各測試點(diǎn)壓力。

平均壓力(P50)定義為全部測試點(diǎn)的第50百分位壓力值，即全部測試點(diǎn)的算術(shù)平均值，為：

2.3 表面肌電信號(hào)研究

選取座椅前端直立坐姿和座椅靠背坐姿2種坐姿，增加腰靠后的靠背坐姿會(huì)因?yàn)檠颗c人體腰部的緊密貼合影響腰部電極貼的肌電信號(hào)采集，因此為統(tǒng)一變量分析，只對比了2種坐姿狀態(tài)靠背和非靠背的表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)。志愿者采用指定坐姿進(jìn)行相同打字任務(wù)，采集時(shí)長10 min。首先對信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括使用四階巴特沃斯濾波器進(jìn)行30～500 Hz帶通濾波，然后使用49.5～50.5 Hz的帶阻濾波器進(jìn)行工頻干擾濾除，之后選用幅度概率分布函數(shù)(APDF)作為評價(jià)肌肉激活的指標(biāo)，因?yàn)榧‰娦盘?hào)的幅度與肌肉所施加的力收縮水平直接相關(guān)[28]，這種關(guān)系被認(rèn)為是線性的，相當(dāng)于對應(yīng)最大自主收縮(MVC)約30%的水平[29]，也叫力量的量度。本次實(shí)驗(yàn)使用電子背力計(jì)輔助完成背部最大自主收縮(MVC)測量，以獲得30%MVC值，用來計(jì)算2種坐姿狀態(tài)的肌肉激活程度。

3 討 論

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)剖析

運(yùn)用光學(xué)動(dòng)作捕捉設(shè)備采集常見3種辦公任務(wù)2種坐姿的肢體點(diǎn)位空間數(shù)據(jù)，并選用關(guān)節(jié)角度變化率和關(guān)節(jié)角度變化比值來剖析不同狀態(tài)下頸部、肩部、肘部和腰部關(guān)節(jié)角度的變化情況(圖4)，關(guān)節(jié)角度變化率表征單關(guān)節(jié)角度變化情況，即側(cè)面反映該部分肌肉參與肢體活動(dòng)的程度。

向后轉(zhuǎn)身取物的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，人體前臂即肩部和肘部的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，不同的坐位姿態(tài)對其影響不明顯。因?yàn)轭i部和腰部會(huì)跟隨人體向后視角的移動(dòng)而向后轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)據(jù)顯示BSP時(shí)頸部關(guān)節(jié)角度變化值比NBSP時(shí)低7.5%，而同樣腰部關(guān)節(jié)角度變化值BSP比NBSP低6.2%。

坐在辦公桌前使用鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，腰部在這個(gè)工作任務(wù)下運(yùn)動(dòng)的幅度相對較小，而更小的運(yùn)動(dòng)幅度體現(xiàn)的是更低的肌肉激活即更低的疲勞度，NBSP時(shí)腰部關(guān)節(jié)角度變化率為9.6%，而BSP時(shí)僅為5.3%。BSP時(shí)頸部關(guān)節(jié)角度變化值比NBSP時(shí)低4.9%，肩部和肘部的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，但總體關(guān)節(jié)角度變化值BSP比NBSP低18.1%和13.5%。

坐在辦公桌前敲擊鍵盤的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，腰部在這種工作任務(wù)下主要是發(fā)揮穩(wěn)定支撐的作用，更小的運(yùn)動(dòng)幅度變化能夠體現(xiàn)腰部更小的肌肉激活，腰部在NBSP姿態(tài)時(shí)關(guān)節(jié)角度變化率為9.4%，而BSP時(shí)僅為3%。頸部在BSP時(shí)關(guān)節(jié)角度變化值比NBSP低5%，肩部和肘部的運(yùn)動(dòng)軌跡同樣基本一致，但總體角度變化值BSP比NBSP低9.7%和7.6%。

靠背坐姿(BSP)相比于座椅前端坐姿(NBSP)，頸部關(guān)節(jié)角度的變化更小，有效減輕了頸部肌肉的活動(dòng)壓力，提高了頸部的舒適性；腰部的角度變化率也更小，意味著靠背坐姿時(shí)腰部肌肉有更小的活動(dòng)范圍，更低的運(yùn)動(dòng)激活，腰部舒適性更好；肩部和肘部的關(guān)節(jié)活動(dòng)角度也明顯更低，更小的活動(dòng)角度意味著更低的肌肉激活，即更低的肌肉疲勞積累，人體肢體更舒適。

圖4 關(guān)節(jié)角度變化對比圖Fig.4 Joint angle change comparison chart

3.2 體壓分布剖析

運(yùn)用壓力傳感器坐墊測試了2種不同坐姿(座椅前端和靠背坐姿)的臀部壓力分布狀態(tài)，另外將目前辦公室常見的腰靠也加入測試過程，檢驗(yàn)腰靠能否分擔(dān)坐姿時(shí)臀部的壓力分布。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖5和圖6)顯示NBSP時(shí)臀部壓力分布在坐骨結(jié)節(jié)處呈現(xiàn)2個(gè)峰值點(diǎn)，而BSP時(shí)臀部2個(gè)壓力峰值明顯弱化，峰值點(diǎn)壓力大小對比前者減少了17.2%。加入腰靠后，臀部的2個(gè)壓力峰值不再明顯，逐漸弱化，并且臀部的壓力峰值對比靠背坐姿減少12.5%，對比座椅前端坐姿減少27.6%。動(dòng)態(tài)從座椅前端逐步向后直至靠背的坐姿變換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯可看出壓力峰值呈減弱趨勢。

局部峰值壓力越大，人體臀部感覺越不舒適，即坐姿不舒適，向后的靠背坐姿能減弱臀部的局部壓力過大，提高坐姿的舒適性。另外，加入腰靠后的壓力分布實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在人體背部放置一大小適中的腰靠(本次實(shí)驗(yàn)采用厚度15 cm方形海綿腰靠)可以分擔(dān)臀部局部壓力過大的情況，更加明顯地提高坐姿舒適性水平。

圖5 坐姿臀部峰值壓力對比圖Fig.5 Seat hip peak pressure comparison chart

圖6 臀部壓力三維分布圖 Fig.6 Hip pressure 3D distribution map

3.3 肌電信號(hào)剖析

采集2種不同坐姿在進(jìn)行同樣工作任務(wù)時(shí)背部左右豎脊肌和左右多裂肌的表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)，對比30%MVC進(jìn)行肌肉激活計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7和8)明顯看出，BSP時(shí)背部肌肉激活程度低于NBSP，最為明顯的是右豎脊肌(RES)、左多裂肌(LMF)和右多裂肌(RMF)。肌肉激活程度減少意味著更少的肌肉活動(dòng)或更小的肌肉負(fù)荷，座椅靠背坐姿相對座椅前端直立坐姿背部主要坐肌(左右豎脊肌和左右多裂肌)的肌肉疲勞更小，即座椅靠背坐姿為更舒適的坐姿狀態(tài)。

圖7 NBSP肌肉激活程度Fig.7 The degree of muscle activation in NBSP

圖8 BSP肌肉激活程度Fig.8 The degree of muscle activation in BSP

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)表明，辦公室工作人員在允許的條件下，應(yīng)選擇座椅靠背坐姿進(jìn)行工作，對比座椅前端坐姿更舒適。并且，如果在背部放上合適的腰靠，則會(huì)使舒適性更加明顯。腰痛現(xiàn)在成為全社會(huì)熱點(diǎn)問題，除了告訴工作人員選擇一個(gè)合適的坐姿，還可以去改變其坐姿的狀態(tài)，如設(shè)計(jì)坐站式計(jì)算機(jī)工作站，可以減少不適感[30-31]，或者對長時(shí)間坐姿工作的人員進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)措施，可有效預(yù)防因久坐引起的腰痛和其他肢體酸痛，并且合理的鍛煉計(jì)劃對預(yù)防腰痛方面非常有效[32]，另外行走休息也有助于促進(jìn)腰部運(yùn)動(dòng)并減少久坐誘發(fā)的腰痛[33]。盡管許多臨床指南都提出了類似的治療腰痛建議，但理論和實(shí)踐之間的差距是顯著的，他們提供了有效的干預(yù)措施和新興方向，值得更多的關(guān)注和更嚴(yán)格的評估[34]。未來的工作可以嘗試提高辦公桌的高度，設(shè)計(jì)更加符合人機(jī)工程學(xué)的站式椅，取代普通的座椅，減少職業(yè)人員腰痛的發(fā)生頻率。