模擬鑿破作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)的試驗研究

唐范，易燦南，李開偉,2，鄭艷芳，何佳媛， 彭泓

(1.湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽 100084；2.臺灣中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺灣 新竹 30012；3.湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院，湖南 長沙 410014)

1 引言

隨著自動化技術(shù)不斷革新，機械操作方式日益改善，但仍有許多工作無法避免人工輔助操作；手持鑿破設(shè)備作業(yè)便是常見的一種人工輔助操作作業(yè)，廣泛存在于建筑工程、維修工程、災(zāi)后營救工程中。人工鑿破作業(yè)中，由于鑿破設(shè)備笨重造成作業(yè)人員體力負(fù)荷大，加之作業(yè)任務(wù)繁重導(dǎo)致長時間、重復(fù)性作業(yè)，極易導(dǎo)致肌肉骨骼產(chǎn)生累積性傷害(Cumulative Trauma Disorder,CTD)，進(jìn)而產(chǎn)生肌肉骨骼疾患(Musculoskeletal Disorders,MSDs)[1-2]。

了解并控制肌肉疲勞的積累是防止CTD的方法之一，而控制肌肉疲勞積累的最佳選擇是掌握肌肉疲勞恢復(fù)發(fā)展情況[3]。現(xiàn)有肌肉疲勞恢復(fù)研究分為3類：(1)工作/休息比和容許休息時間(Rest allowance,RA)研究[4-6]，該類研究通過設(shè)置不同工作/休息比和RA探討最佳比例，其成果表明工作/休息比是預(yù)防和減低CTD的重要因素[4]，且不同作業(yè)任務(wù)和不同肌肉具有不同的恢復(fù)速率；由于肌肉疲勞恢復(fù)速率具有任務(wù)和人群屬性，因此，不同作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)研究需基于特定的作業(yè)姿勢。(2)運動性肌肉疲勞恢復(fù)研究[7-10]，該類研究對運動性肌肉疲勞恢復(fù)生理指標(biāo)的檢測與評價、影響因素的分析以及恢復(fù)方法進(jìn)行了探究；但人工鑿破作業(yè)屬于重復(fù)性作業(yè)，與運動性肌肉疲勞從疲勞特性到恢復(fù)形式與過程都不盡相同。(3)肌肉疲勞恢復(fù)規(guī)律研究，該類研究有兩個關(guān)注點，其一為探究不同負(fù)荷下肌肉疲勞恢復(fù)的sEMG信號變化規(guī)律[11-14]，其二為根據(jù)恢復(fù)過程建立肌肉疲勞恢復(fù)模型[15-17]，通過模型預(yù)測疲勞恢復(fù)變化規(guī)律，其中Ma提出的肌肉疲勞恢復(fù)模型[15]闡述了恢復(fù)過程和恢復(fù)時間的關(guān)系，適合于工程實踐應(yīng)用，該模型的合理性也得到了試驗驗證[18]；但此類研究一般是通過負(fù)荷設(shè)定來研究肌肉疲勞恢復(fù)，對于特定的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)姿勢肌肉疲勞恢復(fù)研究鮮有報道。

與肌肉疲勞研究一樣，肌肉疲勞恢復(fù)可以通過肌力、主觀評價值、耐受時間等參數(shù)來描述恢復(fù)過程[19]。因此，為探究人工鑿破作業(yè)過程中肌肉疲勞恢復(fù)問題，筆者通過設(shè)計不同鉆孔高度的鑿破作業(yè)任務(wù)，測量作業(yè)人員在作業(yè)過程和恢復(fù)過程中，肌力、RPE指標(biāo)在時間維度上的變化，探究鑿破作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)期的變化特性，并運用文獻(xiàn)[15]的預(yù)測模型，建立鑿破作業(yè)的肌肉疲勞恢復(fù)預(yù)測模型，以期有助于人工鑿破作業(yè)CTD的預(yù)防，降低其罹患MSDs的風(fēng)險。

2 對象與方法

2.1 對象

招募20名大學(xué)生參與試驗，男性，慣用右手，均無CTD和MSDs病史。被試年齡、體質(zhì)量、身高、身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index,BMI)、肩高、肘高、胯高、手功能高、膝蓋高分別為19.80(±0.88)歲、65.65(±9.98)kg、1.73(±0.02)m、21.85(±3.24)kg/m2、142.64(±2.94)cm、108.35(±3.26)cm、98.30(±3.35)cm、76.66(±2.79)、53.14(±1.85)。所有試驗均在實驗室內(nèi)完成，溫度22.66(±1.11)℃，相對濕度為42.48(±3.92)%。

2.2 儀器設(shè)備

(1)鑿破模擬裝置：模擬裝置由可調(diào)解高度的固定支架(40 cm、90 cm、165 cm)和鑿破鉆面組成，鉆面中心位置留有0.5 cm深鉆孔，確保試驗時鉆頭垂直進(jìn)入，保證推力施加方向的一致性，其架構(gòu)如圖1所示，鑿破設(shè)備為(BOSCH，GSH 500，5.6 kg)。

圖1 模擬人工鑿破作業(yè)

(2)肌力測量設(shè)備：握力測量使用握力計(EH101，CAMRY)。

(3)主觀疲勞評價：采用RPE量表[20]，測量試驗后被試肌肉疲勞或不適的主觀感受。

2.3 試驗過程

(1)試驗準(zhǔn)備階段，被試參與試驗前要求24 h無劇烈體育活動，進(jìn)入實驗室后由實驗員指導(dǎo)熟悉試驗裝置和RPE量表，確保理解整個試驗流程；試驗開始前10 min被試需要進(jìn)行5 min的肌肉拉伸運動以達(dá)熱身效果，熱身運動有利于被試肌力呈現(xiàn)。

(2)最大握力測量階段，熱身運動結(jié)束10 min后，被試測量3個高度下最大握力，每個高度要求測量3次，且要求3次握力值差距不超過10%，最終取握力最大值記為MVC。

(3)鑿破作業(yè)模擬階段，被試手持鑿破設(shè)備將鉆頭對準(zhǔn)鉆面中心位置，施加最大推力進(jìn)行鑿破直至不能堅持，其堅持時間為最大耐受時間記為MET，同時匯報結(jié)束時RPE，測量結(jié)束時刻的握力值記為Fafter。

(4)疲勞恢復(fù)階段，從結(jié)束時開始每間隔1 min在試驗高度測量一次握力，總共測量5次，每次握力值記為F(t)(t=1、2、3、4、5)；測量握力的同時，匯報一次RPE。

2.4 統(tǒng)計分析

被試要求完成3次試驗，每2次試驗要求間隔12 h以上，避免由于試驗導(dǎo)致肌肉疲勞積累；人群特性、作業(yè)任務(wù)數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL中，利用SPSS 21.0進(jìn)行分析；其中，鉆孔高度對疲勞過程和恢復(fù)過程的握力、RPE變化采用方差分析；恢復(fù)期不同時點間的握力、RPE差異檢驗采用方差分析；試驗結(jié)束時與恢復(fù)1 min水平的握力、RPE差異檢驗采用配對T檢驗。

3 結(jié)果

3.1 作業(yè)過程中肌肉疲勞分析

鑿破作業(yè)后握力顯著下降(P<0.001)，握力從靜息時的423.46(±64.09)N下降至結(jié)束時的309.78(±56.742)N；被試試驗時耐受時間平均為1.03min，握力平均下降速率為119.07(±57.23)N/min；對握力下降值歸一化處理后，得到FCI((MVC-F)/MVC)為0.27(±0.09)；方差分析結(jié)果表明鉆孔高度對MVC、F、下降速率和FCI均未顯著影響。試驗結(jié)束時被試感知的RPE值為9.43(±0.77)，所有被試的RPE值均高達(dá)7及其以上，其中RPE值達(dá)到9及以上人次占比高達(dá)86.67%，主觀疲勞感達(dá)極強；方差分析結(jié)果表明鉆孔高度并未引起RPE差異顯著。

3.2 恢復(fù)過程中肌肉疲勞分析

鑿破作業(yè)任務(wù)結(jié)束后握力逐步恢復(fù)，方差分析表明，結(jié)束時和恢復(fù)期不同時點的握力差異顯著(P<0.001)，而進(jìn)一步SNK檢驗分析(表1)可知：結(jié)束時握力與恢復(fù)期不同時點均存在顯著差異，但在恢復(fù)期部分時點間差異并不顯著，恢復(fù)期1 min與2 min沒有顯著差異，恢復(fù)期2 min、3 min和4 min之間也沒有顯著差異，恢復(fù)期3、4和5 min之間也沒有顯著差異。結(jié)束時RPE與恢復(fù)期不同時點RPE差異顯著(P<0.001)，其SNK檢驗分析結(jié)果表明除恢復(fù)期4 min和5 min的RPE差異不顯著以外，其他成對比較均顯著。鑿破作業(yè)試驗任務(wù)結(jié)束時到恢復(fù)期5 min，通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)握力呈線性增長(決定系數(shù)R2=0.998，P<0.001)，其截距為325.61N，增長斜率為11.20N/min，各參數(shù)顯著水平P均<0.001；不同于握力的線性增長，RPE則呈曲線遞減(R2=0.998，P<0.001)，其二項次方程的截距為2.22，一項式系數(shù)-0.741，二項式系數(shù)0.048，其顯著水平P均<0.01。

表1 握力和RPE的SNK檢驗分析

3.3 肌肉疲勞預(yù)測模型

根據(jù)Ma提出的疲勞恢復(fù)模型[15]：

F(t)=Fafter+(MVC-Fafter)(1-e-Rt)

(1)

式中R為疲勞恢復(fù)參數(shù)，單位kgf/min。

通過變換可得式(2)：

ln((MVC-Fafter)/(MVC-F(t)))=Rt

(2)

將t作為自變量，ln((MVC-Fafter)/(MVC-F(t)))作為因變量，對式(2)進(jìn)行無截距一元線性回歸，即可計算疲勞恢復(fù)參數(shù)R；將試驗數(shù)據(jù)代入式(2)后計算得到R=0.197(P<0.001，決定系數(shù)R2=0.997)，故疲勞恢復(fù)模型為：

F(t)=Fafter+(MVC-Fafter)(1-e-0.197t)

(3)

為驗證方程的合理性定義平均相對偏差( Mean Absolute Deviation,PMAD)：

(4)

將測量值和根據(jù)式(3)計算的預(yù)測值代入式(4)，計算得到PMAD=0.13(±0.05)。

4 討論

文中鑿破作業(yè)模擬試驗設(shè)計了40 cm、90 cm和165 cm三個鉆孔高度，近似為18-25歲成年人的脛骨點高、手功能高和眼高[21]，分別對應(yīng)全蹲姿、半蹲姿和站姿，是建筑工程鑿破作業(yè)中常見的作業(yè)高度；模擬試驗屬于橫向鑿破作業(yè)，不同于縱向鑿破、受限空間鑿破中四肢姿勢差異較大，橫向鑿破作業(yè)主要是下肢姿勢存在較大差異，上肢姿勢在各高度上差異較小。

鑿破作業(yè)屬于手持電動設(shè)備作業(yè)，其肌肉產(chǎn)力能力降幅可通過測量作業(yè)前后握力的值來獲得[22]。鑿破作業(yè)導(dǎo)致握力顯著下降(P<0.001)，產(chǎn)生肌肉疲勞，試驗結(jié)束時被試主觀疲勞感高達(dá)9.43(±0.77)；但在文中鉆孔高度未引起鑿破作業(yè)握力變化存在顯著差異，這可能與三個高度下的局部肌肉作業(yè)姿勢有關(guān)，被試在三個高度下姿勢差異較大的主要是腰部和下肢姿勢，上肢和手部姿勢差異較小，而握力下降主要是由手部肌肉疲勞所導(dǎo)致，因此，在手部姿勢和負(fù)荷差異較小的情況下握力的變化并沒有顯著差異。同時，鉆孔高度對RPE值也沒有顯著影響，其原因主要是被試對疲勞程度的承受能力在每次試驗中基本一致，因此不論高度如何，被試要求停止試驗時主觀疲勞感應(yīng)該是相似的，這與YI[23-24]等人對靜態(tài)作業(yè)主觀評價研究中的結(jié)論一致，試驗任務(wù)參數(shù)在耐受時間試驗中不能引起RPE顯著差異。

鑿破作業(yè)肌肉疲勞能通過握力變化來反映，同樣，其恢復(fù)過程中肌肉疲勞變化情況也可采用握力的恢復(fù)情況來反映。恢復(fù)期握力方差分析結(jié)果表明，結(jié)束時到恢復(fù)期1 min時握力顯著提高，1 min后到第3 min進(jìn)一步顯著提高，從第3 min后握力值失去差異顯著性。在肌力測量中，當(dāng)兩次肌力測量值差距<10% 時，該差距被認(rèn)為是可以接受的[23-24]，而文中恢復(fù)期5 min時握力值恢復(fù)到MVC的90.37%(±6.95%)，與MVC值的差距<10%，且握力值第5 min與第3 min的握力值沒有顯著差異，因此可認(rèn)為被試結(jié)束試驗恢復(fù)至第3 min時，握力便恢復(fù)到未疲勞狀態(tài)；RPE在第3min時已經(jīng)降至1.55(±1.16)也驗證了這結(jié)論。對比作業(yè)過程和恢復(fù)過程的握力變化速度情況，作業(yè)過程的握力下降速度119.07(±57.23)N/min顯著高于恢復(fù)期握力恢復(fù)速度14.35(±8.04)N/min(P<0.001)，認(rèn)為此試驗情況下，手部握力恢復(fù)過程較之疲勞過程更長，即產(chǎn)生一定疲勞后，需要更多的時間進(jìn)行休息才能恢復(fù)疲勞前的握力水平。RPE在結(jié)束時和恢復(fù)期呈曲線遞減，結(jié)束時到恢復(fù)期1 min下降程度最大，降幅達(dá)53.66%，而后下降趨勢逐步放緩，恢復(fù)期1 min至5 min每間隔1 min的降幅分別為18.77%、11.13%、5.51%和2.97%，并在恢復(fù)期4 min后失去差異顯著性。鉆孔高度對恢復(fù)期不同水平組別的握力和RPE均沒有顯著影響，這可能與在作業(yè)過程中握力和RPE沒有因鉆孔高度存在顯著差異有關(guān)，在作業(yè)過程結(jié)束時，F(xiàn)after和RPE均無顯著差異，而后進(jìn)入恢復(fù)期被試處于無負(fù)荷的休息狀態(tài)，此時握力和RPE的恢復(fù)便不在受到鉆孔高度影響。

文中利用Ma提出的恢復(fù)模型對鑿破作業(yè)任務(wù)肌肉疲勞恢復(fù)進(jìn)行預(yù)測，其擬合的方程式的決定系數(shù)R2>0.9，方程式合理；根據(jù)PMAD計算結(jié)果可知預(yù)測值和測量值之間相對偏差較小，其偏差值在合理范圍[25-26]，所建立恢復(fù)模型能較好地預(yù)測鑿破作業(yè)手部疲勞恢復(fù)的發(fā)展情況，與李佳樂[18]的研究結(jié)論一致。模型中參數(shù)R描述了不同人群的肌肉恢復(fù)特性，也表征人群的肌肉恢復(fù)屬性[15]；此試驗中，手部握力參數(shù)R為0.197，該值可為類似人群在手部握力作業(yè)疲勞恢復(fù)研究提供依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)鑿破作業(yè)試驗任務(wù)導(dǎo)致肌肉疲勞，5 min恢復(fù)過程中握力隨時間顯著增長，RPE則顯著下降，肌肉疲勞得到顯著恢復(fù)；試驗結(jié)束3 min后，握力值恢復(fù)至未疲勞狀態(tài)，此時RPE降至非常輕微的狀態(tài)；試驗中，肌肉疲勞速率顯著高于肌肉疲勞恢復(fù)速率，作業(yè)后需要比作業(yè)時間更長的恢復(fù)時間來避免肌肉疲勞累積；鉆孔高度對疲勞過程和恢復(fù)過程的握力、RPE變化均未產(chǎn)生顯著影響。

(2)建立的以指數(shù)函數(shù)為基礎(chǔ)的鑿破作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)預(yù)測方程，能描繪握力隨著時間的變化規(guī)律，其測量值與偏差值的相對偏差較小，可用該方程預(yù)測評估作業(yè)人員鑿破作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)程度。

(3)文中鑿破作業(yè)試驗屬于模擬作業(yè)，并未開啟鑿破設(shè)備，與鑿破實際作業(yè)存在一定差異；且文中只討論了橫向鑿破作業(yè)的3個高度，對于橫向其他高度以及縱向、受限空間作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)呈何種規(guī)律還需進(jìn)一步研究；試驗在室內(nèi)完成，此時溫濕度的體感處于舒適狀態(tài)，在其他環(huán)境下是否存在顯著差異還需進(jìn)一步驗證。