模擬鑿破作業肌肉疲勞發展實驗研究

易珍，譚倩昱，顏晴瓊，馬雪梅，肖思敏，易燦南，唐范

(湖南工學院 安全與環境工程學院，湖南 衡陽 421102)

1 引言

鑿破作業常見于市政工程、路橋工程、建筑工程和災后破拆營救中，一般用于破拆鋼筋混凝土結構，該作業一般由工人手持笨重的鑿破工具如電鎬來完成，由于器具笨重、建筑結構構件復雜以及設備振動等原因，作業人員體力負荷很大：力量強度大、姿勢不當、長時間勞動、重復次數多以及強烈振動，極易造成肌肉疲勞，甚至會導致工作相關肌肉骨骼損傷(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)[1-4]。

研究作業過程肌肉疲勞，避免作業人員肌肉疲勞累積，是預防WMSDs的重要途徑[5]。經文獻檢索發現，現有鑿破作業相關WMSDs研究主要關注該作業的振動所致病理反應、職業風險或者肌肉活動特征，很少關注作業肌肉疲勞發展：XU等[6]對中國北方煤礦工人鑿破工具使用的職業風險進行調查；MARCHETTI等[7]研究了振動傳導情況；MADEDA等[8]評估了壁面鑿破作業中作業人員手傳振動風險；李文彬等[9-11]研究了油鋸使用過程中振動對掌長肌收縮、振動對手皮膚溫和皮膚阻的影響；RASHID等[12]研究了巴基斯坦工人破石作業前后振動暴露和握力下降情況；ALABDULKARIM等[13]研究了模擬機身鉆孔作業工作績效與職業風險。

通過文獻檢索發現[5-13]，鑿破作業肌肉疲勞相關數據采集一般分為2類：現場研究，一般為WMSDs相關主觀數據采集，如詢問身體各部位疼痛史；實驗研究，采集作業過程主觀肌肉疲勞評分(Ratings of Perceived Exertion,RPE)、肌力、肌肉活動以及振動傳導情況等。與現場研究相比，實驗室通過模擬工作條件研究能夠克服環境、噪聲等影響，可通過采集肌肉疲勞主觀和客觀數據，更加全面和準確的研究肌肉疲勞發展特征和機理。基于此，本實驗關注鑿破作業過程肌肉疲勞發展情況，通過設計模擬鑿破作業，采集作業前后最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contraction,MVC)、作業過程最大耐受時間(Maximum Endurance Time,MET)和RPE數據，剖析肌肉疲勞發展特征，降低WMSDs風險。

2 實驗方案

2.1 被試

招募14名男大學生參與實驗，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，在模擬鑿破實驗支架(圖1)上熟悉鑿破施力作業，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、肩高、肘高、跨高、手功能高和膝蓋高分別為(19.50±0.85)歲，(172.59±5.16)cm，(72.35±18.22)kg，(24.27±5.95)kg/m2，(140.03±4.31)cm，(104.79±4.63)cm，(96.49±4.38)cm，(74.63±2.94)cm，(49.09±2.18)cm。該實驗在實驗室內完成，使用真實鑿破機器在鑿破實驗支架上進行作業，溫度為21.05(±2.58)℃，相對濕度為68.57(±13.46)%。

2.2 儀器設備

(1)模擬鑿破實驗支架：①支架固定于墻面上(圖1)；②3軸拉/壓力傳感器(FH3D-45，深圳耐特恩科技有限公司)；將①和②按照圖1所示安裝，即可測量模擬破拆作業下X，Y，Z三軸方向施力大小。

圖1 模擬鑿破實驗支架子工作臺

(2)鑿破工具，BOSCH多功能電錘沖擊鉆GSH9VC(圖2)。

圖2 鑿破工具

(3)握力計(EH101，CAMRY)。

2.3 實驗步驟

(1)準備階段，被試跟隨視頻進行5 min的身體有氧訓練，休息5 min。

(2)最大握力測量，被試在實驗員指導下測量115 cm和140 cm高度下最大握力大小(圖1中位置A和B)，每位被試測量3次，取最大值為MVC握。

(3)模擬破拆作業階段，被試手持鑿破工具用最大水平力進行鑿破，3軸傳感器記錄X，Y，Z 3個方向施力變化情況，最大水平推力記錄為MVC推，作業結束時刻剩余推力記錄為F推，最大作業時長記為MET，結束后記錄四肢和腰部的RPE。而后被試迅速按照步驟3測量握力，記為F握。一天只進行一次實驗，每2次實驗之間間隔24 h以上，并且實驗前24 h禁止劇烈體力活動。

2.4 數據處理

實驗總共記錄握力和推力數據各56個(14位被試× 2種高度× 2個時刻)；MET數據和RPE數據各28個(14位被試× 2種高度)。利用Excel匯總整理數據，利用SAS 9.0進行統計分析。

3 結果

3.1 握力、推力和MET

被試握力和推力值如表1所示，MVC握和MVC推均顯著大于F握和F推(P<0.0001)。MVC推和F推均顯著大于MVC握和F握(P<0.0001)。

表1 握力、推力和MET值

將被試按照BMI大小分為2組，BMI為18.4-23.99記為“N”組，>23.99記為“H”組，分別分析BMI級別和作業高度對握力和推力的影響。ANOVA分析結果顯示BMI顯著影響MVC握(P=0.029)、MVC推(P=0.025)、F推(P=0.037)和MET(P=0.030)，高度顯著影響MET(P=0.033)，BMI和高度對其他因變量影響不顯著(P>0.05)，且無二階效應。

3.2 RPE

ANOVA分析結果顯示，僅高度顯著影響腰部RPE(P=0.046)，且140 cm高度RPE(4.43±1.34)顯著大于115 cm高度(3.36±1.28)，BMI和高度對其他身體部位RPE影響均不顯著(P>0.05)。不同身體部位RPE差異顯著(P<0.05)，DUNCAN分析結果如表2所示。

表2 不同身體部位DUNCAN分析結果

4 討論

本實驗在實驗室模擬了115 cm和140 cm高度鑿破工作任務，此2個高度的鑿破任務較多存在于建筑工程的房屋裝修工程，市政工程、路橋工程以及災后破拆營救工作中則相對較少出現。根據GB10000-88《中國成年人體尺寸》[14]，此2個高度近似相當于18-60歲男性肘高和肩高，因此此2個高度可反映腰部至肩部高度鑿破工作任務下肌肉疲勞發展特征。

鑿破作業屬于手持振動工具作業，這一類作業肌肉產力能力降幅可通過測量作業前后握力的值來獲得[12,15-16]，因此記錄了實驗前后握力值，握力測量姿勢與實際握持鑿破工具作業姿勢一致，并且隨高度調整。對于壁面鑿破作業而言，不僅需要握持鑿破工具，還需要施加推力才能完成鑿破，如XU等[17]在振動工作臺上的研究中就記錄了實驗過程中握力和推力的變化情況，因此本實驗還測量了推力。在真實鑿破工作中，推力應是X、Y和Z 3軸推力的合成，但通過實地調研和訪談得知，鑿破作業過程中鉆頭與作業面呈90°時，相對較少出現鉆頭打滑的現象，鑿破推進更為平穩、安全，因此在本實驗設計中采取鉆頭90°推進作業面的情況，從所采集數據來看，115 cm和140 cm作業高度上其余2個方向推力相對很小，所以本實驗中沒有分析這2個分力的大小，即只分析鉆頭方向的推力。

LIM[18]研究中男性被試雙手100 cm和150 cm高度下推力值為520(±174)和482(±165)N，而鄭德相[19]測得120 cm和156 cm推力為346(±55)和230(±37)N，采用姿勢均為雙手推固定支架上的把手。LI Kaiway等[20]測得110 cm高度男性被試雙手推力411(±76)N，32.5和42.5 kg負荷任務完成后最大推力分別為309(±84)和305(±84)N，所采用姿勢為雙手推活動拉桿。本實驗中所采用姿勢為雙手握持鑿破工具一值用最大推力推，在姿勢上與前三個研究有較大區別，作業前后最大推力值分別為100.49(±27.08)和63.39(±33.38)N，均顯著小于前三個研究，推力降幅約為37 N。前三個研究與本實驗推力上的差異可能與姿勢、施力方式以及使用工具有關：前三個研究中，雙手施力力點均位于同一水平高度；本實驗中被試右手握持鑿破工具手柄、左手握持輔助手柄并施最大力，重量約為12 kg(117.6 N)，被試需要托舉設備并用最大力進行作業，從而導致最大推力小于其他實驗。RASHID等[12]的研究中，作業前后握力下降為57N，本實驗中MVC握和F握分別為435.4(±57.5)N、328.44(±58.44)N，下降幅度約為107 N，這可能與實驗設計有關，前者為1 h破石作業，本實驗為最大耐力實驗，因此造成了肌力的急劇下降。實際作業中可將推力降幅37 N和握力降幅107 N作為判斷鑿破肌肉疲勞的參考依據。

本實驗中140 cm和115 cm下推力和握力差距不顯著(P>0.05)，這可能與施力高度有關，此2個高度近似相當于肘高和肩高，施力姿勢和所調用肌群差異不大，這與2種高度下身體各部位RPE差異不大基本保持一致：140 cm高度下右手、左手、腰部、左腿和右腿RPE分別為5.71(±2.23)、3.50(±1.16)、4.43(±1.34)、1.86(±1.10)和3.86(±1.17)，115 cm高度下則為6.21(±1.58)、3.29(±1.38)、3.36(±1.28)、2.36(±1.74)和3.64(±1.60)，僅腰部RPE存在顯著差異(P=0.046)，140 cm高度為“有點強”而115 cm高度為“中等”，這可能與高度有關，高度越高，被試為支撐工具而身體往后仰的幅度增大，腰部施力增大。本實驗施力姿勢下，右手RPE最高(5.96±1.91，強)，腰(3.89±1.40，中等)、右腿(3.75±1.38，中等)和左手(3.39±1.26，中等)次之，左腿(2.11±1.45，弱)最低，可見右手最疲勞，這也與施力姿勢有關，右手不僅需要握持設備，還需要用最大力往前推進，由此可見本作業中右手是WMSDs風險最高部位。

高度顯著影響MET(P=0.033)，140 cm和115 cm高度下MET分別為68.29(±22.34)s和96.43(±44.80)s，說明140cm高度下肌肉疲勞累積更快。140cm高度將近肩膀高度，被試需要托舉鑿破工具并施力，因此所能堅持時間更短，推力也更小(表1)。本實驗結果顯示：①BMI越高者肌肉產力能力越大，“H”組MVC握、F握、MVC推和F推分別為459.48(±37.16)N、342.37(±44.28)N、107.15(±33.07)N和74.13(±31.76)N，而“N”組則分別為411.32(±65.09)N、314.51(±68.66)N、80.41(±2.52)N和49.59(±24.27)，2組間，“H”組MVC握、MVC推和F推均顯著大于“N”組(P<0.0001)，雖F握差異雖未達顯著，但“H”組稍大于“N”組；②“H”組和“N”組之間身體各部位RPE影響不顯著；③BMI顯著影響MET(P=0.030)，且“H”組(67.93±22.81 s)顯著小于“N”組(96.79±44.32 s)，這可能與耐受力有關，MET為一次連續作業所能堅持的最長時間，體現了被試的耐受程度，文獻檢索也發現肥胖與耐受力的負相關性，如李新等[21]發現肥胖與心肺耐力負相關，閆曉晉等[22]發現13-18歲漢族學生肥胖與耐力負相關，李瀅柯等[23]以及胡正春等[24]的研究也發現了超重青少年BMI與耐力跑的負相關性。本實驗中BMI與肌力以及RPE的關系與易燦南等[25]研究結果一致，而BMI“H”組MET小于BMI“N”組，在其他施力作業或者其他BMI分級是否出現同種情況，還需要進一步研究。

鑿破作業姿勢因作業地點和高度而異，本實驗僅模擬了115 cm和140 cm壁面高度下鑿破作業過程，雖然這2個高度的研究成果能為腰部以及肩膀附近高度的鑿破作業肌肉疲勞提供實際指導，但是其他作業地點如地面作業、天花板作業、狹窄空間作業以及其他高度如圖1中所示40 cm、65 cm、90 cm以及165 cm高度下會呈現何種特征還需要進一步研究。另外，本實驗為模擬靜態鑿破作業，并沒有開啟設備，與真實作業還存在一定差別，施力方式也與真實作業存在差異，為獲得更加貼近實際的研究成果，還需要進一步深入研究。

5 結論

(1)鑿破作業前后推力、握力存在顯著差異，降幅分別為37 N和107 N；高度對MET和腰部RPE影響顯著，對握力、推力以及四肢RPE影響不顯著，140cm高度下肌肉疲勞累積更快；鑿破作業WMSDs風險最高部位是右手，實際作業過程中應重點關注右手的肌肉疲勞累積問題。可通過研究推力、握力、MET和RPE來分析其他鑿破作業及類似手持振動工具作業肌肉疲勞問題。

(2)鑿破作業中BMI“H”組擁有更大推力和握力，即肌肉爆發力強，但是耐受力差，顯著低于“N”組。實際鑿破作業中，可根據工作任務難度來合理安排作業人員。

(3)本實驗僅對比分析了115cm和140cm 2個高度和“H”和“N”2類BMI下靜態鑿破作業肌肉疲勞發展特征，其他高度、其他BMI分類、動態作業以及振動因素影響下肌肉疲勞發展呈現何種特征，還需要更進一步研究。