模擬鑿破作業(yè)肌肉疲勞恢復(fù)的試驗(yàn)研究

唐范，易燦南，李開(kāi)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(yáng) 100084；2.臺(tái)灣中華大學(xué) 工業(yè)管理系，臺(tái)灣 新竹 30012；3.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)不斷革新，機(jī)械操作方式日益改善，但仍有許多工作無(wú)法避免人工輔助操作；手持鑿破設(shè)備作業(yè)便是常見(jiàn)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(yíng)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(zhǎng)時(shí)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]?，F(xiàn)有肌肉疲勞恢復(fù)研究分為3類(lèi)：(1)工作/休息比和容許休息時(shí)間(Rest allowance,RA)研究[4-6]，該類(lèi)研究通過(guò)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(shì)。(2)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞恢復(fù)研究[7-10]，該類(lèi)研究對(duì)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞恢復(fù)生理指標(biāo)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)、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(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞從疲勞特性到恢復(fù)形式與過(guò)程都不盡相同。(3)肌肉疲勞恢復(fù)規(guī)律研究，該類(lèi)研究有兩個(gè)關(guān)注點(diǎn)，其一為探究不同負(fù)荷下肌肉疲勞恢復(fù)的sEMG信號(hào)變化規(guī)律[11-14]，其二為根據(jù)恢復(fù)過(guò)程建立肌肉疲勞恢復(fù)模型[15-17]，通過(guò)模型預(yù)測(cè)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(guò)程和恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系，適合于工程實(shí)踐應(yīng)用，該模型的合理性也得到了試驗(yàn)驗(yàn)證[18]；但此類(lèi)研究一般是通過(guò)負(fù)荷設(shè)定來(lái)研究肌肉疲勞恢復(fù)，對(duì)于特定的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)姿勢(shì)肌肉疲勞恢復(fù)研究鮮有報(bào)道。

與肌肉疲勞研究一樣，肌肉疲勞恢復(fù)可以通過(guò)肌力、主觀評(píng)價(jià)值、耐受時(shí)間等參數(shù)來(lái)描述恢復(fù)過(guò)程[19]。因此，為探究人工鑿破作業(yè)過(guò)程中肌肉疲勞恢復(fù)問(wèn)題，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)不同鉆孔高度的鑿破作業(yè)任務(wù)，測(cè)量作業(yè)人員在作業(yè)過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程中，肌力、RPE指標(biāo)在時(shí)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(yùn)用文獻(xiàn)[15]的預(yù)測(cè)模型，建立鑿破作業(yè)的肌肉疲勞恢復(fù)預(yù)測(cè)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(xiǎn)。

2 對(duì)象與方法

2.1 對(duì)象

招募20名大學(xué)生參與試驗(yàn)，男性，慣用右手，均無(wú)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(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，溫度22.66(±1.11)℃，相對(duì)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(yàn)時(shí)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(cè)量設(shè)備：握力測(cè)量使用握力計(jì)(EH101，CAMRY)。

(3)主觀疲勞評(píng)價(jià)：采用RPE量表[20]，測(cè)量試驗(yàn)后被試肌肉疲勞或不適的主觀感受。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，被試參與試驗(yàn)前要求24 h無(wú)劇烈體育活動(dòng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后由實(shí)驗(yàn)員指導(dǎo)熟悉試驗(yàn)裝置和RPE量表，確保理解整個(gè)試驗(yàn)流程；試驗(yàn)開(kāi)始前10 min被試需要進(jìn)行5 min的肌肉拉伸運(yùn)動(dòng)以達(dá)熱身效果，熱身運(yùn)動(dòng)有利于被試肌力呈現(xiàn)。

(2)最大握力測(cè)量階段，熱身運(yùn)動(dòng)結(jié)束10 min后，被試測(cè)量3個(gè)高度下最大握力，每個(gè)高度要求測(cè)量3次，且要求3次握力值差距不超過(guò)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(duì)準(zhǔn)鉆面中心位置，施加最大推力進(jìn)行鑿破直至不能堅(jiān)持，其堅(jiān)持時(shí)間為最大耐受時(shí)間記為MET，同時(shí)匯報(bào)結(jié)束時(shí)RPE，測(cè)量結(jié)束時(shí)刻的握力值記為Fafter。

(4)疲勞恢復(fù)階段，從結(jié)束時(shí)開(kāi)始每間隔1 min在試驗(yàn)高度測(cè)量一次握力，總共測(cè)量5次，每次握力值記為F(t)(t=1、2、3、4、5)；測(cè)量握力的同時(shí)，匯報(bào)一次RPE。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

被試要求完成3次試驗(yàn)，每2次試驗(yàn)要求間隔12 h以上，避免由于試驗(yàn)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(cè)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(duì)疲勞過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程的握力、RPE變化采用方差分析；恢復(fù)期不同時(shí)點(diǎn)間的握力、RPE差異檢驗(yàn)采用方差分析；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)與恢復(fù)1 min水平的握力、RPE差異檢驗(yàn)采用配對(duì)T檢驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 作業(yè)過(guò)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(shí)的423.46(±64.09)N下降至結(jié)束時(shí)的309.78(±56.742)N；被試試驗(yàn)時(shí)耐受時(shí)間平均為1.03min，握力平均下降速率為119.07(±57.23)N/min；對(duì)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(duì)MVC、F、下降速率和FCI均未顯著影響。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(qiáng)；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(guò)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(shí)和恢復(fù)期不同時(shí)點(diǎn)的握力差異顯著(P<0.001)，而進(jìn)一步SNK檢驗(yàn)分析(表1)可知：結(jié)束時(shí)握力與恢復(fù)期不同時(shí)點(diǎn)均存在顯著差異，但在恢復(fù)期部分時(shí)點(diǎn)間差異并不顯著，恢復(fù)期1 min與2 min沒(méi)有顯著差異，恢復(fù)期2 min、3 min和4 min之間也沒(méi)有顯著差異，恢復(fù)期3、4和5 min之間也沒(méi)有顯著差異。結(jié)束時(shí)RPE與恢復(fù)期不同時(shí)點(diǎn)RPE差異顯著(P<0.001)，其SNK檢驗(yàn)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(duì)比較均顯著。鑿破作業(yè)試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束時(shí)到恢復(fù)期5 min，通過(guò)線性回歸分析發(fā)現(xiàn)握力呈線性增長(zhǎng)(決定系數(shù)R2=0.998，P<0.001)，其截距為325.61N，增長(zhǎng)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(zhǎng)，RPE則呈曲線遞減(R2=0.998，P<0.001)，其二項(xiàng)次方程的截距為2.22，一項(xiàng)式系數(shù)-0.741，二項(xiàng)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(yàn)分析

3.3 肌肉疲勞預(yù)測(cè)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(guò)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(duì)式(2)進(jìn)行無(wú)截距一元線性回歸，即可計(jì)算疲勞恢復(fù)參數(shù)R；將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)后計(jì)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(yàn)證方程的合理性定義平均相對(duì)偏差( Mean Absolute Deviation,PMAD)：

(4)

將測(cè)量值和根據(jù)式(3)計(jì)算的預(yù)測(cè)值代入式(4)，計(jì)算得到PMAD=0.13(±0.05)。

4 討論

文中鑿破作業(yè)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)了40 cm、90 cm和165 cm三個(gè)鉆孔高度，近似為18-25歲成年人的脛骨點(diǎn)高、手功能高和眼高[21]，分別對(duì)應(yīng)全蹲姿、半蹲姿和站姿，是建筑工程鑿破作業(yè)中常見(jiàn)的作業(yè)高度；模擬試驗(yàn)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(shì)差異較大，橫向鑿破作業(yè)主要是下肢姿勢(shì)存在較大差異，上肢姿勢(shì)在各高度上差異較小。

鑿破作業(yè)屬于手持電動(dòng)設(shè)備作業(yè)，其肌肉產(chǎn)力能力降幅可通過(guò)測(cè)量作業(yè)前后握力的值來(lái)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(yàn)結(jié)束時(shí)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(gè)高度下的局部肌肉作業(yè)姿勢(shì)有關(guān)，被試在三個(gè)高度下姿勢(shì)差異較大的主要是腰部和下肢姿勢(shì)，上肢和手部姿勢(shì)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(shì)和負(fù)荷差異較小的情況下握力的變化并沒(méi)有顯著差異。同時(shí)，鉆孔高度對(duì)RPE值也沒(méi)有顯著影響，其原因主要是被試對(duì)疲勞程度的承受能力在每次試驗(yàn)中基本一致，因此不論高度如何，被試要求停止試驗(yàn)時(shí)主觀疲勞感應(yīng)該是相似的，這與YI[23-24]等人對(duì)靜態(tài)作業(yè)主觀評(píng)價(jià)研究中的結(jié)論一致，試驗(yàn)任務(wù)參數(shù)在耐受時(shí)間試驗(yàn)中不能引起RPE顯著差異。

鑿破作業(yè)肌肉疲勞能通過(guò)握力變化來(lái)反映，同樣，其恢復(fù)過(guò)程中肌肉疲勞變化情況也可采用握力的恢復(fù)情況來(lái)反映?；謴?fù)期握力方差分析結(jié)果表明，結(jié)束時(shí)到恢復(fù)期1 min時(shí)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(cè)量中，當(dāng)兩次肌力測(cè)量值差距<10% 時(shí)，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(shí)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(méi)有顯著差異，因此可認(rèn)為被試結(jié)束試驗(yàn)恢復(fù)至第3 min時(shí)，握力便恢復(fù)到未疲勞狀態(tài)；RPE在第3min時(shí)已經(jīng)降至1.55(±1.16)也驗(yàn)證了這結(jié)論。對(duì)比作業(yè)過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程的握力變化速度情況，作業(yè)過(guò)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(yàn)情況下，手部握力恢復(fù)過(guò)程較之疲勞過(guò)程更長(zhǎng)，即產(chǎn)生一定疲勞后，需要更多的時(shí)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(shí)和恢復(fù)期呈曲線遞減，結(jié)束時(shí)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(shì)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(duì)恢復(fù)期不同水平組別的握力和RPE均沒(méi)有顯著影響，這可能與在作業(yè)過(guò)程中握力和RPE沒(méi)有因鉆孔高度存在顯著差異有關(guān)，在作業(yè)過(guò)程結(jié)束時(shí)，F(xiàn)after和RPE均無(wú)顯著差異，而后進(jìn)入恢復(fù)期被試處于無(wú)負(fù)荷的休息狀態(tài)，此時(shí)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(duì)鑿破作業(yè)任務(wù)肌肉疲勞恢復(fù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(jì)算結(jié)果可知預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間相對(duì)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(cè)鑿破作業(yè)手部疲勞恢復(fù)的發(fā)展情況，與李佳樂(lè)[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(yàn)中，手部握力參數(shù)R為0.197，該值可為類(lèi)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(yàn)任務(wù)導(dǎo)致肌肉疲勞，5 min恢復(fù)過(guò)程中握力隨時(shí)間顯著增長(zhǎng)，RPE則顯著下降，肌肉疲勞得到顯著恢復(fù)；試驗(yàn)結(jié)束3 min后，握力值恢復(fù)至未疲勞狀態(tài)，此時(shí)RPE降至非常輕微的狀態(tài)；試驗(yàn)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(shí)間更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間來(lái)避免肌肉疲勞累積；鉆孔高度對(duì)疲勞過(guò)程和恢復(fù)過(guò)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(cè)方程，能描繪握力隨著時(shí)間的變化規(guī)律，其測(cè)量值與偏差值的相對(duì)偏差較小，可用該方程預(yù)測(cè)評(píng)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(yàn)屬于模擬作業(yè)，并未開(kāi)啟鑿破設(shè)備，與鑿破實(shí)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(gè)高度，對(duì)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(yàn)在室內(nèi)完成，此時(shí)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(yàn)證。