程文達(dá)，申黎明*，張敘俊，葛海林

(1. 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037；2. 浙江圣奧家具制造有限公司，杭州 310000)

長時(shí)間維持單一坐姿會給人的健康帶來影響[1]。近年來，動態(tài)坐姿的概念逐漸取代了長期存在的“盡可能保持直立”的理想坐姿學(xué)說[2]，它強(qiáng)調(diào)多變換坐姿，使承載較大壓力的身體部位得到適度休息，以減少不適感的出現(xiàn)[3-4]。根據(jù)人體在一定坐姿下的身體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)針對性地進(jìn)行座椅研究，能夠減少人的體力消耗和疲勞[5]。因此，進(jìn)行典型辦公坐姿疲勞研究是很有必要的。

以往的研究表明，過度頻繁的運(yùn)動可能是不適和不穩(wěn)定的表現(xiàn)[2]，當(dāng)腰痛產(chǎn)生時(shí)，坐姿宏觀動作幅度變大，且頻率加快[6]。實(shí)驗(yàn)表明體壓變化變量或座椅上移動情況ICM(in-chair movements)的增加就意味著受試者運(yùn)動更頻繁，更大的ICM和增加的不適等級之間存在顯著關(guān)聯(lián)[7-8]。在坐姿疲勞研究方法上，Telfer等[9]采用加速度計(jì)檢測受試者坐姿運(yùn)動，并提議將坐姿運(yùn)動情況作為坐姿不適的潛在指標(biāo)；郭園等[10-11]利用Kinect運(yùn)動捕捉系統(tǒng)分析小學(xué)生坐姿行為中身體關(guān)鍵指標(biāo)變化。此外，肌電圖(EMG)一直以來都是研究肌肉疲勞狀態(tài)有效且可靠的工具[12]，利用坐姿前后中值頻率(MF)或平均功率頻率(MPF)的變化量可以分析出坐姿疲勞情況。盡管壓力分布常被用于分析坐姿舒適度，或判斷人體坐姿是否合理[3,13-14]，通過體壓分布測量系統(tǒng)分析動態(tài)體壓還可評價(jià)人的疲勞情況。確定不適最簡單的方法就是測量受試者在給定坐姿上可持續(xù)的時(shí)間[15]。Wang等[16]通過讓受試者在多種座面下持續(xù)坐姿30 min，檢測軀干運(yùn)動情況來衡量坐姿疲勞。Cascioli等[8]提出如果計(jì)算座椅上移動情況ICM，其坐姿時(shí)間最少應(yīng)為18 min。

在辦公坐姿分類的研究中，少有研究既從真實(shí)辦公環(huán)境中獲取人體行為姿勢，又能通過客觀的數(shù)據(jù)來對坐姿進(jìn)行歸類。因此，筆者通過對實(shí)際辦公場所中44名不同部門和崗位的受試者進(jìn)行錄像觀察，應(yīng)用時(shí)間采樣法對數(shù)據(jù)整理并對人體姿勢編碼，統(tǒng)計(jì)分析后歸納出6種典型辦公坐姿，這6種坐姿是根據(jù)軀干角度及人體與家具之間的關(guān)系來分類的。人的坐姿是不斷變動的，并非固定不變的。辦公坐姿的采用及組合方式多種多樣，坐姿持續(xù)的時(shí)間又有所不同，即使在保持同一種坐姿期間，也存在細(xì)微的動作調(diào)整，這種微動作是錄像觀察不能確定的，需要進(jìn)一步測定。本研究利用表面肌電儀、體壓分布測量系統(tǒng)等設(shè)備，通過30 min的持續(xù)坐姿測試來分析6種典型辦公坐姿，旨在比較長時(shí)間坐姿的疲勞情況以及不同坐姿疲勞發(fā)生的部位，并檢驗(yàn)通過體壓分布測量設(shè)備檢測坐姿疲勞的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

調(diào)整辦公環(huán)境，將其設(shè)置為臺式機(jī)工作站[17]，包含一臺17英寸(約43.2 cm)顯示器和外接鼠標(biāo)、鍵盤(圖1a)。實(shí)驗(yàn)用桌為高度可調(diào)的電動升降桌；辦公椅可調(diào)節(jié)座深、座高、頭枕高度及靠背高度，以適應(yīng)多種人群。

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

共有8名受試者參與本次實(shí)驗(yàn)，年齡(24.25±1.04)歲；男性4名，身高1.69～1.80 m；女性4名，身高1.57～1.69 m。受試者身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)值均在正常范圍內(nèi)(18.5～23.9)。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

表面肌電儀采用美國Noraxon表面肌電儀，電極使用一次性銀/氯化銀凝膠電極(圖1b)。上班族肩頸、腰背部的不適及患病情況相對較多[6]，因此選擇豎脊肌和上斜方肌作為表面肌電的采集部位，以測量不同辦公坐姿對肌肉疲勞的影響。體壓檢測設(shè)備應(yīng)用美國SPI Tactilus座椅壓力分布測試系統(tǒng)(圖1c)。測試每種坐姿30 min持續(xù)記錄，分析6種坐姿的靜態(tài)體壓分布及動態(tài)體壓變化情況。在測試期間實(shí)驗(yàn)者全程通過錄像機(jī)監(jiān)督受試者保持坐姿。

a) 實(shí)驗(yàn)工作站；b) Noraxon表面肌電儀；c) SPI Tactilus體壓分布測量系統(tǒng)。圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置Fig. 1 Experimental environment settings

1.4 坐姿要求

在實(shí)驗(yàn)前向受試者描述并演示坐姿的基本要求，如圖2所示。

圖2 6種典型辦公坐姿示意圖Fig. 2 Six typical office sitting positions

A：脊柱放松的前傾坐姿，座椅離桌面保持適當(dāng)距離，坐在座面上的位置居中/靠前。

B：脊柱放松的前傾坐姿，座椅相對坐姿A離桌面更近，坐在座面上的位置靠后，腰部可以受到靠背的支撐。

C：脊柱相對A、B坐姿挺直，軀干前部緊靠在桌面前端，由桌面支撐部分身體質(zhì)量，座椅離桌面較近，坐在座面上的位置比較靠前；

D：脊柱挺直的坐姿，坐在座面上的位置相對居中/靠前；

E：后仰坐姿，腰部和下背部靠在靠背上，上背部和肩部離開椅背，呈半靠狀態(tài)；坐在座面上的位置相對靠后；

F：后仰坐姿，腰部、背部都靠在靠背上，頭部根據(jù)自己的需要靠或不靠在頭枕上；坐在座面上的位置相對靠后。

1.5 實(shí)驗(yàn)流程

1)信息收集：收集受試者年齡、身高、體質(zhì)量等信息，通過抽簽的方式確定坐姿順序。

2)環(huán)境調(diào)整：對座椅高度進(jìn)行調(diào)整，座高要求設(shè)置為膝腘高度，使得坐下時(shí)水平垂直腿姿勢呈直角；桌高設(shè)置為受試者的坐姿肘高之上8 cm，以控制桌高對坐姿疲勞的影響；靠背高度、頭枕高度、座深等根據(jù)受試者的習(xí)慣及喜好而定。

3)表面肌電儀安裝：要求受試者身穿材質(zhì)柔軟的衣物，采用皮尺測量解剖點(diǎn)距離，選定電極點(diǎn)，用記號筆做好標(biāo)記。酒精擦拭電極區(qū)域，刮去周圍汗毛，以降低皮膚表面阻抗。在標(biāo)記點(diǎn)位置粘貼一次性電極片，采用雙電極法進(jìn)行記錄，參考電極選擇在靠近記錄電極的多骨區(qū)域。粘貼、固定完成后，通過規(guī)定的方法對所有電極進(jìn)行信號檢測。

4)測試要求介紹：在測試某坐姿期間，只可以采用該坐姿進(jìn)行工作，并盡量保持坐姿狀態(tài)不動，肘部搭放在桌面上，腿部姿勢盡量保持垂直平放的姿勢。辦公姿勢由實(shí)驗(yàn)者通過錄像機(jī)全程監(jiān)督。使用改編的Borg CR-10量表評估身體每個(gè)部位的主觀不適程度(圖3)[18]。

圖3 Borg CR-10不適量表Fig. 3 Borg CR-10 Scale

5)坐姿實(shí)驗(yàn)：入座后填寫第1份Borg量表，填寫完畢后開始計(jì)時(shí)并記錄體壓變動，記錄速度50幀/s，每種坐姿持續(xù)30 min。測試期間每隔10 min要求電腦填寫1次Borg量表[7]，測試完成后對該坐姿的整體感受進(jìn)行評價(jià)。每兩種坐姿測試之間設(shè)置10 min的休息時(shí)間[16]，休息方式采用站立+伸展5 min的方式(經(jīng)研究這是最有效的休息方式[12])。

1.6 數(shù)據(jù)的處理和分析

主觀評價(jià)數(shù)據(jù)的處理由SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件完成；表面肌電儀捕捉到的肌電信號以及持續(xù)坐姿期間的體壓變動信息，采用MATLAB自主編程計(jì)算得出肌電頻域指標(biāo)和坐姿變動次數(shù)，并通過SPSS分析其與主觀舒適度評價(jià)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 主觀評價(jià)

2.1.1 坐姿整體評價(jià)

坐姿整體評價(jià)采用7級量表，受試者的主觀評價(jià)情況如圖4所示。其中坐姿穩(wěn)定感、放松感、短時(shí)/長時(shí)/坐感舒適度為正向評價(jià)指標(biāo)，即評分越高，坐姿越穩(wěn)定、越放松、舒適度越高；疲勞感為負(fù)向評價(jià)指標(biāo)，得分越高，表示該坐姿越容易感到疲勞。

1)坐姿穩(wěn)定感 E>F>A>C>B>D。由于B坐姿一部分人不能很好地接觸到腰靠，實(shí)驗(yàn)中總是調(diào)整位置，因此感到穩(wěn)定感不高；而D坐姿由于人保持直立坐姿較長時(shí)間，易感到疲勞，且沒有任何支撐，所以感到坐姿不穩(wěn)定。

2)坐姿舒適度短時(shí)間情況下E=F>A>B>C>D；長時(shí)間情況下坐姿舒適度E>F>B>A>C>D，可以看出長時(shí)間保持某一種坐姿的情況下，舒適度都會下降，應(yīng)用靠背的坐姿E、F、B的舒適度要高于不應(yīng)用靠背的坐姿。且舒適度后仰坐姿>前傾坐姿>直立坐姿。腰靠在長時(shí)間的辦公中起了作用。

3)坐感舒適度E>F>A>B>C>D，與坐姿舒適度情況類似。

4)放松感F>E>A>B=C>D。

5)疲勞感D>C>B>A>E>F，從疲勞感和放松感評價(jià)中可看出，后仰坐姿E、F疲勞感弱，放松感強(qiáng)；前傾坐姿A、B疲勞感和放松感均居中；直立坐姿C、D疲勞感較強(qiáng)，放松感弱。

后仰坐姿E、F在多個(gè)方面的主觀評價(jià)較高；直立坐姿D主觀評分最低；而軀干前部有桌面支撐的直立/前傾坐姿C比起無支撐的坐姿D總體評分更高；前傾坐姿A和B評分均居中，且有腰靠支撐的坐姿B并不如無腰靠支撐的坐姿A評分高。

圖4 辦公坐姿主觀評分情況Fig. 4 Subjective scoring of office sitting posture

2.1.2 坐姿不適情況

對30 min坐姿后的受試者提交的Borg CR-10量表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得出不同坐姿身體各部位的不適評價(jià)情況(圖5)。

圖5 不同坐姿不同身體部位不適情況Fig. 5 Discomfort in different sitting positions

前傾坐姿A、B的不適感主要集中在肩頸、腰部和上背部，坐姿B上背部的不適比坐姿A更強(qiáng)，但由于B坐姿有腰靠支撐，因此腰部不適要略低于坐姿A；直立坐姿C、D的不適同樣集中在肩頸、腰部和上背部，但整體不適程度要比前傾坐姿更強(qiáng)；后仰坐姿E和F的不適感主要集中在肩頸和臀部，這與后仰坐姿重心后移、頭頸向前注視屏幕有很大關(guān)系。而坐姿E的不適感集中在軀干上部，這可能與半后靠狀態(tài)下對上背部和肩頸的拉伸有關(guān)。

2.2 表面肌電

2.2.1 肌電頻域指標(biāo)和主觀評價(jià)間的關(guān)系

在受試者每種坐姿前3 min和最后3 min的肌電數(shù)據(jù)中分別選擇1 min的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)要求相對平穩(wěn)，以獲取坐姿保持最初和最后的疲勞情況，與受試者的主觀評價(jià)部分指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出肌電頻域指標(biāo)與主觀評價(jià)的相關(guān)性，結(jié)果見表1。

表1說明肌電頻域指標(biāo)與主觀坐姿評價(jià)間存在相關(guān)性，尤其與豎脊肌肌電頻域指標(biāo)呈顯著相關(guān)關(guān)系。即長時(shí)間坐姿舒適度、坐感舒適度越高，坐姿疲勞感越弱，則肌肉(尤其是豎脊肌)越不疲勞，MPF和MF值也越高。MPF和MF值由短時(shí)傅里葉變換得到，但由于傅里葉變換僅適用于平穩(wěn)的非突變信號[19]，取樣的1 min內(nèi)可能受試者正在打字，因此對斜方肌的肌電會產(chǎn)生影響，所以相關(guān)性不明顯。

表1 肌電頻域指標(biāo)與坐姿評價(jià)的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of EMG frequency domain index and sitting posture evaluation

2.2.2 肌電頻域特征變化量

肌電頻域特征變化量即坐姿后與坐姿前肌電頻域各指標(biāo)的差值。由于MPF、MF值越低，肌肉越疲勞[19], 因此當(dāng)數(shù)值為正值時(shí)，則坐姿后的MPF/MF要高于坐姿前，說明疲勞減輕；當(dāng)數(shù)值為負(fù)值時(shí)，坐姿后的MPF/MF低于坐姿前，即疲勞增加。辦公坐姿肌電頻域特征變化量測試結(jié)果見圖6。

圖6 辦公坐姿肌電頻域特征變化量Fig. 6 Frequency domain characteristic variation of EMG in office sitting postures

從圖6中可看出，豎脊肌疲勞情況直立坐姿>前傾坐姿>后仰坐姿，后仰坐姿的疲勞情況最弱，直立坐姿D比C疲勞情況嚴(yán)重，坐姿A比B疲勞情況嚴(yán)重。說明有桌面支撐的直立坐姿和有靠背支撐腰部的前傾坐姿要比沒有支撐的直立坐姿和前傾坐姿不易感到疲勞。

2.3 動態(tài)體壓

2.3.1 動態(tài)體壓變動規(guī)律

以常見的幾種坐姿行為為例，對比不同辦公坐姿行為給平均體壓與最大體壓帶來的變動情況，分析動態(tài)體壓變動規(guī)律，壓力記錄速度5幀/s。

1)入座靜坐：入座后靜坐5 min。平均壓力、最大壓力在坐姿穩(wěn)定后波動極微，見圖7a、b。

2)打字：先握住鼠標(biāo)靜止不動，第150幀開始鍵盤上雙手持續(xù)打字至結(jié)束。從圖7c、d中可以看出，當(dāng)人處于打字狀態(tài)時(shí)，平均壓力和最大壓力產(chǎn)生的數(shù)值發(fā)生波動，但依舊保持“動態(tài)平衡的狀態(tài)”。而當(dāng)人的行為從鼠標(biāo)操作切換到鍵盤操作時(shí)，最大壓力會產(chǎn)生一些波動，平均壓力的波動不顯著。

3)轉(zhuǎn)換腿姿勢：每隔100幀變換一次腿姿勢，以平放—伸直—一前一后—雙腿收回—翹腿坐—平放的順序進(jìn)行變換。由于在測試座面壓力時(shí)，臀、腿是與座面直接接觸的身體部位，因此腿部姿勢改變時(shí)，座面壓力就會產(chǎn)生較大改變，見圖7e、f。

4)坐姿調(diào)整：每隔100幀進(jìn)行一次坐姿調(diào)整，由靜坐開始，以不離開座面滑動身體—晃動座面—移動腳輪—重心偏向一側(cè)—重心回到中位—抬起身體調(diào)整為順序進(jìn)行測試?？梢园l(fā)現(xiàn)每一種坐姿調(diào)整都會給最大壓力和平均壓力帶來較大的波動，見圖7g、h。

當(dāng)發(fā)生行為轉(zhuǎn)變時(shí)，如入座、離開、轉(zhuǎn)換腿姿勢、坐姿調(diào)整，平均壓力和最大壓力都會產(chǎn)生變動，平均壓力都會產(chǎn)生局部范圍內(nèi)的波谷，而最大壓力產(chǎn)生波峰/波谷會因行為不同而有所不同。通過對比發(fā)現(xiàn)，最大壓力類似于鍵盤鼠標(biāo)操作的轉(zhuǎn)變往往也會顯示出來，相比平均壓力過于敏感。因此平均壓力更適合作為行為轉(zhuǎn)變的判斷依據(jù)。

圖7 不同坐姿行為體壓變化規(guī)律Fig. 7 Changes of body pressure in different sittings

由于坐姿變動后可能伴隨著調(diào)整不到位而帶來的二次調(diào)整，因此在MATLAB中編程設(shè)定每個(gè)波谷之間的最小距離為5 s，即當(dāng)5 s內(nèi)發(fā)生多次壓力變動情況時(shí)，只認(rèn)定發(fā)生一次壓力變動。設(shè)定突出值為座面平均壓力的5%[7-8]，即當(dāng)壓力變動超過座面平均壓力的5%時(shí)，認(rèn)定為姿勢發(fā)生變動。

2.3.2 坐姿變換次數(shù)與坐姿評價(jià)相關(guān)性分析

對個(gè)人坐姿變動次數(shù)歸一化處理，以消除個(gè)體間坐姿保持能力差異的影響，并進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)性分析(表2)。

表2 坐姿變換次數(shù)與坐姿評價(jià)相關(guān)性分析Table 2 Analysis of the correlation between the number of sitting changes and evaluation

由表2可以看出，體壓變動次數(shù)和坐姿穩(wěn)定感、短時(shí)間舒適度、長時(shí)間舒適度等坐姿評價(jià)指標(biāo)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與疲勞感呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即坐姿變換次數(shù)越多，坐姿穩(wěn)定感、放松感、舒適度越差，疲勞感越強(qiáng)。因此可以通過體壓變動情況判斷坐姿不適情況。

2.3.3 體壓變動次數(shù)

不同坐姿的平均體壓變動次數(shù)見圖8，可發(fā)現(xiàn)坐姿A、B、E和F平均體壓變動次數(shù)相對較少，坐姿C、D平均體壓變動次數(shù)相對較多。除3號受試者選擇的最不適坐姿為F外，其他受試者認(rèn)為最不適的坐姿均為坐姿C或D。所有受試者選擇的最適坐姿均是有靠背的B/E/F坐姿。通過對比最舒適坐姿和最不適坐姿的體壓變動次數(shù)，得到結(jié)果如表3所示。

圖8 坐姿平均體壓變動次數(shù)Fig. 8 Number of changes in average body pressure in sitting postures

表3 8名受試者最適坐姿和最不適坐姿體壓變動次數(shù)Table 3 The number of body pressure changes in the most suitable and most uncomfortable sitting positions

從最適坐姿和最不適坐姿的體壓變動次數(shù)對比情況來看，令人感到不舒適的坐姿有以下幾種特點(diǎn)：

1)隨時(shí)間增加出現(xiàn)變動次數(shù)顯著增加的情況(如1，2，4，6，7，8號受試者)；

2)變動次數(shù)相對于其他坐姿(舒適坐姿)一直都很多(如3，5號受試者)。

由此可以推測，長時(shí)間維持某一坐姿會給身體一些部位帶來不適，促使人們對坐姿進(jìn)行調(diào)整，從而造成體壓變動情況的發(fā)生；而當(dāng)采用的坐姿并不舒服時(shí)，人們也更傾向于調(diào)整自己的坐姿使其更加舒適。因此，將體壓變動次數(shù)作為評價(jià)坐姿不適的指標(biāo)是可行的。

2.4 坐姿疲勞和舒適性結(jié)果分析

綜合主觀評價(jià)、表面肌電和動態(tài)體壓分析的結(jié)果，可得出坐姿的舒適度評價(jià)：后仰坐姿>前傾坐姿>直立坐姿。

前傾坐姿A和B：平均體壓變動次數(shù)接近，坐姿B有了腰靠的支撐，豎脊肌的疲勞程度得到緩解(豎脊肌MPFB>MPFA、MFB>MFA)，腰部的不適感有所下降。但由于該前傾坐姿要求靠到腰靠，則坐在座面上的位置會變得相對靠后，從而造成前傾角度更大、與座面接觸面積更大，因此上肢和下肢的不適感相對于坐姿A更強(qiáng)烈。

直立坐姿C和D：平均體壓變動次數(shù)相對最多，坐姿D整體不適感和C坐姿相似，但下肢部位(臀部、大腿、膝蓋、小腿)的不適感比C坐姿更強(qiáng)，這可能與C坐姿在座面上的位置更加靠前，座面對下肢壓力相對較小相關(guān)。豎脊肌MPFC>MPFD，即腰部的疲勞程度C坐姿小于D坐姿。

后仰坐姿E和F：平均體壓變動次數(shù)相對較少。兩種后仰坐姿的不適感基本來自肩頸和臀部，這是因?yàn)椴捎煤笱鲎藭r(shí)注視電腦屏幕，頭頸就需要向前彎曲一定角度，而操作鍵盤和鼠標(biāo)會使得手臂前伸，從而拉伸到肩膀，引起肩膀的不適發(fā)生。由于頭頸的不適感較強(qiáng)，也有受試者認(rèn)為坐姿F是最不舒服的坐姿。坐姿E因?yàn)樯媳巢?、肩頸離開靠背前伸，從而使這些部位產(chǎn)生比F更強(qiáng)的不適感。此外，后仰坐姿時(shí)人的重心也相對后移集中在臀部，因此，也會給臀部帶來壓迫，增強(qiáng)臀部不適感。

3 結(jié) 論

利用動態(tài)體壓和表面肌電，結(jié)合人的主觀舒適度評價(jià)，對6種典型辦公坐姿進(jìn)行了疲勞和舒適性研究。坐姿舒適度評價(jià)結(jié)果：后仰坐姿>前傾坐姿>直立坐姿，其中身體部位得到支撐坐姿要比無支撐的坐姿長時(shí)間舒適度高，且不易感到疲勞。前傾、直立坐姿的不適感主要來自肩頸和腰部，而后仰坐姿的不適感主要來自頸部、臀部和大腿。人的主觀評價(jià)有時(shí)候會放大某種坐姿存在的問題，從而會因?yàn)槟骋徊课坏牟贿m而否定整個(gè)坐姿。不同坐姿對人身體不同部位有著不同的影響，更加證明了沒有完美的坐姿，應(yīng)當(dāng)多變換坐姿以平衡每一種坐姿的優(yōu)缺點(diǎn)，減少不適感的出現(xiàn)，從而達(dá)到高效、健康的工作狀態(tài)。

本研究驗(yàn)證了動態(tài)體壓與主觀評價(jià)間的相關(guān)性，體壓變動雖然不能像肌電儀一樣精確檢測肌肉的疲勞，但可作為總體疲勞的量化依據(jù)。在辦公椅上應(yīng)用體壓分布測量要比表面肌電儀更加方便，因此未來可考慮利用座墊動態(tài)體壓來智能檢測人的辦公疲勞狀況。今后的研究還可通過動態(tài)體壓向久坐辦公方面開展。