基于动作捕捉、压力分布和sEMG技术的办公坐姿舒适性研究

苏娜，热依汗古丽·木沙，木叶赛尔·买买提,李兆波，陶庆*

(1.新疆医科大学第一附属医院医学检验中心，乌鲁木齐 830054；2.新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830047)

腰痛(LBP)是办公室工作人员中最普遍的肌肉骨骼疾病之一[1]，随着计算机和移动技术的不断发展，它改变了许多职业任务的完成方式，导致坐姿工作的时间增加[2]，长时间坐姿工作会给身体健康带来一些问题，它会增加背部、颈部、肩部、手臂和腿部肌肉骨骼疾病的风险[3-4]。研究表明，人体活动减少与肌肉骨骼疼痛的患病率增高有关，并指出肢体行为减少与较高的腰痛发生率相关[5]。

久坐是腰痛加重的重要因素，最佳坐姿的不明确同样也是加重腰痛的因素之一[6]。许多人普遍认为长时间保持一个不好的姿态(如懒散坐姿)与非特异腰痛的发展有关[7]，因为懒散坐姿可能会损害躯干肌肉活动和本体感受[8]，而直立坐姿和靠背支撑坐姿相对更安全[9]，使用座椅靠背可以减少腰椎前凸，更符合办公人群坐姿的需求[10]，因为腰椎前凸会影响肩部的活动范围[11]。座椅靠背的作用是通过放松竖脊肌肌肉组织来减轻施加在脊柱上的应力，同时保持腰椎前凸和增加坐姿舒适度[12]。

Guo等[13]模拟研究了腰椎支撑对坐姿舒适性的影响，指出最佳腰椎支撑厚度在10 mm左右，可以降低人体背部的接触压力和腰椎间盘压力。不同实验表明辅助靠背的增加显著降低了靠背平均压力，也有研究表明30 mm的腰垫能够提供腰部最佳支撑并防止腰椎扁平化，建议办公室工作人员使用靠背以促进良好的脊柱姿势，减少躯干肌肉活动，增加舒适度和减少椎间盘内压力[14]。鉴于目前最佳坐姿选择缺乏共识[15]，因此本次研究对比了2种常见的办公坐姿(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，为办公人员明确最佳的办公坐位姿态。常用分析坐姿舒适性的方法包括：表面肌电信号分析[16-19]，动作捕捉数据对比[20-21]，压力分布测量分析[22-25]，以及主观舒适或不适等级问卷调查研究[26]。在进行压力分布测量实验时，座椅椅面材料的不同会体现出不同的坐姿舒适性[27]，因此本次研究限定椅子变量，只研究坐位姿态对坐姿舒适性的影响。

本次研究对座椅前端直立坐姿(受试者背部挺立与椅面保持垂直及臀部覆盖椅面纵深80%深度，NBSP)、座椅靠背坐姿(实验者臀部全部覆盖椅面纵深及背部靠在座椅后背呈放松状态，BSP)和加入腰垫后靠背坐姿(靠背坐姿后在后背与椅面之间增加15 cm厚度左右市面常见方形海绵腰靠，LPSP)进行了对比实验分析(图1)，通过采集坐姿状态时的肢体运动信息、臀部压力数据和背部指定肌肉的表面肌电信号数据，分析对比不同坐姿状态肢体的参数信息，以期为办工人员选择最佳坐位姿态提供科学依据。

图1 3种坐姿示意图Fig.1 Schematic diagram of three sitting postures

1 试验方法

从大学社区招募20名没有腰痛病史的成年志愿者，其中男女各10名，平均年龄为21.3岁，在实验之前测量并记录下他们的身高和体质量。所有受试者在参与本研究前均签署书面知情同意书且实验方案经过校伦理委员会批准。

光学动作捕捉设备安装在无光线直射的实验室内，避免其他光线直射干扰光感摄像头对标记点反射光线的采集。本次使用的动作数据捕捉系统是Motion Analysis Eagle Digital System(USA)。共使用7台Eagle数字捕捉镜头分布在测试者四周，所有硬件设备的运行都通过EVaRT 5.04实时软件进行控制，并将采集数据进行保存，针对全身人体各个关节部分共设计了41个反射标记点(图2)，将这41个点进行连线可以构成人体球棍骨架模型，可以将大多数肢体动作进行数字化表征，实验时在志愿者全身按照41个标记点位置粘贴反光小球。为了尽可能避免肢体运动时反射标记点被遮挡，7台红外摄像机高低错落分布。

图2 全身41个标记点分布图Fig.2 Placement of 41 markers on the body

人体压力分布测量系统(BPMS)由美国Tekscan公司设计制造，该体压测量垫厚度仅为0.2 mm，最大限度减少实验设备产生的误差影响。压力测量垫通过USB接口与采集电脑终端连接，并通过USB接口为其供电，采样频率设置为10 Hz，数据分辨率8 bit，实验测量时直接将其放置在座椅椅面上。

人体表面肌电信号采集设备使用葡萄牙的Biosignalsplus，单机支持八通道信号采集，使用蓝牙传输将数据发到电脑终端，并通过OpenSignals(r)evolution软件进行数据记录和保存。设置采样频率为1 000 Hz，采集背部左右多裂肌(LMF和RMF)和左右竖脊肌(LES和RES)的肌肉活动。实验时，首先使用75%的医用酒精反复擦拭测量肌肉的皮肤周围，去除皮脂以降低皮肤电阻，然后在每块指定肌肉上粘贴正负2片电极贴片。整个实验场景见图3。

图3 实验场景设置Fig.3 Experimental scene

2 数据计算

2.1 动作捕捉数据研究

动作捕捉实验研究对比了座椅前端直立坐姿和座椅靠背坐姿2种坐姿状态下办公人员上肢活动的灵活性，由于加入腰靠的靠背坐姿对肢体活动的影响可以忽略，因此动作捕捉实验对比了前2种坐姿时人体上肢运动数据。选择了3组办公室常见的工作任务：1)向后转身取物；2)坐姿使用鼠标；3)坐姿敲击键盘。动作一为志愿者首先保持正常指定坐姿，然后通过办公座椅旋转实现转身去拿放置在右后方书柜中的物品，之后回到正常坐姿；动作二为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标，并拖动鼠标完成小范围画圆运动一周模拟使用鼠标状态，之后回到正常坐姿；动作三为志愿者首先保持正常指定坐姿，然后双手伸出放置在正前方桌面上的键盘上，敲击键盘上涂色的按键后，返回正常的坐姿。动作捕捉实验主要研究人体坐位姿态不同对动作完成度的影响，因此每个动作完成任务要求即可。数据采集精度为0.1 mm，每秒进行120帧的拍摄记录。

⟹θ=arccosθ

选取颈部(头后侧2号点、颈部7号点和腰椎27号点连线形成的夹角)、肩部(右上臂9号点、右肩5号点和右骶髂后棘25号点的连线形成的夹角)、肘部(右肩5号点、右肘部10号点和右前臂11号点的连线形成的夹角)和腰部(右大腿28号点与左大腿35号点的中点、腰椎27号点和颈部7号点形成的夹角)4个关键位置进行坐姿运动过程的关节角度变化计算，并定义2个关节角度的评价指标：关节角度变化率(β)和关节角度变化比值(γ)。

式中：f(i)和y(i)分别代表相同工作任务不同坐位姿态时某时刻关节角度值；t代表整个动作任务完成的时间。

2.2 压力分布测量数据研究

先前的研究显示加入腰靠会提升坐姿的舒适性，因此选取座椅前端直立坐姿、靠背坐姿和增加腰靠的靠背坐姿进行臀部压力的对比实验。采集志愿者3种坐位姿态下的静态臀部压力分布数据，因为座椅前端坐姿无靠背处有压力分布，为统一变量分析，本次对比实验只采集研究臀部的体压分布，并计算平均压力和峰值压力。

确定评价坐姿舒适性的体压分布指标为平均压力和峰值压力。峰值压力(P95)定义为全部测试点的第95百分位压力值，即：

式中，Pi为各测试点压力。

平均压力(P50)定义为全部测试点的第50百分位压力值，即全部测试点的算术平均值，为：

2.3 表面肌电信号研究

选取座椅前端直立坐姿和座椅靠背坐姿2种坐姿，增加腰靠后的靠背坐姿会因为腰靠与人体腰部的紧密贴合影响腰部电极贴的肌电信号采集，因此为统一变量分析，只对比了2种坐姿状态靠背和非靠背的表面肌电信号数据。志愿者采用指定坐姿进行相同打字任务，采集时长10 min。首先对信号进行预处理，包括使用四阶巴特沃斯滤波器进行30～500 Hz带通滤波，然后使用49.5～50.5 Hz的带阻滤波器进行工频干扰滤除，之后选用幅度概率分布函数(APDF)作为评价肌肉激活的指标，因为肌电信号的幅度与肌肉所施加的力收缩水平直接相关[28]，这种关系被认为是线性的，相当于对应最大自主收缩(MVC)约30%的水平[29]，也叫力量的量度。本次实验使用电子背力计辅助完成背部最大自主收缩(MVC)测量，以获得30%MVC值，用来计算2种坐姿状态的肌肉激活程度。

3 讨 论

3.1 运动学数据剖析

运用光学动作捕捉设备采集常见3种办公任务2种坐姿的肢体点位空间数据，并选用关节角度变化率和关节角度变化比值来剖析不同状态下颈部、肩部、肘部和腰部关节角度的变化情况(图4)，关节角度变化率表征单关节角度变化情况，即侧面反映该部分肌肉参与肢体活动的程度。

向后转身取物的运动姿态，人体前臂即肩部和肘部的运动轨迹基本一致，不同的坐位姿态对其影响不明显。因为颈部和腰部会跟随人体向后视角的移动而向后转动，数据显示BSP时颈部关节角度变化值比NBSP时低7.5%，而同样腰部关节角度变化值BSP比NBSP低6.2%。

坐在办公桌前使用鼠标的运动姿态，腰部在这个工作任务下运动的幅度相对较小，而更小的运动幅度体现的是更低的肌肉激活即更低的疲劳度，NBSP时腰部关节角度变化率为9.6%，而BSP时仅为5.3%。BSP时颈部关节角度变化值比NBSP时低4.9%，肩部和肘部的运动轨迹基本一致，但总体关节角度变化值BSP比NBSP低18.1%和13.5%。

坐在办公桌前敲击键盘的运动姿态，腰部在这种工作任务下主要是发挥稳定支撑的作用，更小的运动幅度变化能够体现腰部更小的肌肉激活，腰部在NBSP姿态时关节角度变化率为9.4%，而BSP时仅为3%。颈部在BSP时关节角度变化值比NBSP低5%，肩部和肘部的运动轨迹同样基本一致，但总体角度变化值BSP比NBSP低9.7%和7.6%。

靠背坐姿(BSP)相比于座椅前端坐姿(NBSP)，颈部关节角度的变化更小，有效减轻了颈部肌肉的活动压力，提高了颈部的舒适性；腰部的角度变化率也更小，意味着靠背坐姿时腰部肌肉有更小的活动范围，更低的运动激活，腰部舒适性更好；肩部和肘部的关节活动角度也明显更低，更小的活动角度意味着更低的肌肉激活，即更低的肌肉疲劳积累，人体肢体更舒适。

图4 关节角度变化对比图Fig.4 Joint angle change comparison chart

3.2 体压分布剖析

运用压力传感器坐垫测试了2种不同坐姿(座椅前端和靠背坐姿)的臀部压力分布状态，另外将目前办公室常见的腰靠也加入测试过程，检验腰靠能否分担坐姿时臀部的压力分布。实验数据(图5和图6)显示NBSP时臀部压力分布在坐骨结节处呈现2个峰值点，而BSP时臀部2个压力峰值明显弱化，峰值点压力大小对比前者减少了17.2%。加入腰靠后，臀部的2个压力峰值不再明显，逐渐弱化，并且臀部的压力峰值对比靠背坐姿减少12.5%，对比座椅前端坐姿减少27.6%。动态从座椅前端逐步向后直至靠背的坐姿变换实验数据明显可看出压力峰值呈减弱趋势。

局部峰值压力越大，人体臀部感觉越不舒适，即坐姿不舒适，向后的靠背坐姿能减弱臀部的局部压力过大，提高坐姿的舒适性。另外，加入腰靠后的压力分布实验，验证了在人体背部放置一大小适中的腰靠(本次实验采用厚度15 cm方形海绵腰靠)可以分担臀部局部压力过大的情况，更加明显地提高坐姿舒适性水平。

图5 坐姿臀部峰值压力对比图Fig.5 Seat hip peak pressure comparison chart

图6 臀部压力三维分布图 Fig.6 Hip pressure 3D distribution map

3.3 肌电信号剖析

采集2种不同坐姿在进行同样工作任务时背部左右竖脊肌和左右多裂肌的表面肌电信号数据，对比30%MVC进行肌肉激活计算。实验结果(图7和8)明显看出，BSP时背部肌肉激活程度低于NBSP，最为明显的是右竖脊肌(RES)、左多裂肌(LMF)和右多裂肌(RMF)。肌肉激活程度减少意味着更少的肌肉活动或更小的肌肉负荷，座椅靠背坐姿相对座椅前端直立坐姿背部主要坐肌(左右竖脊肌和左右多裂肌)的肌肉疲劳更小，即座椅靠背坐姿为更舒适的坐姿状态。

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

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

4 结 论

通过实验表明，办公室工作人员在允许的条件下，应选择座椅靠背坐姿进行工作，对比座椅前端坐姿更舒适。并且，如果在背部放上合适的腰靠，则会使舒适性更加明显。腰痛现在成为全社会热点问题，除了告诉工作人员选择一个合适的坐姿，还可以去改变其坐姿的状态，如设计坐站式计算机工作站，可以减少不适感[30-31]，或者对长时间坐姿工作的人员进行运动干预措施，可有效预防因久坐引起的腰痛和其他肢体酸痛，并且合理的锻炼计划对预防腰痛方面非常有效[32]，另外行走休息也有助于促进腰部运动并减少久坐诱发的腰痛[33]。尽管许多临床指南都提出了类似的治疗腰痛建议，但理论和实践之间的差距是显著的，他们提供了有效的干预措施和新兴方向，值得更多的关注和更严格的评估[34]。未来的工作可以尝试提高办公桌的高度，设计更加符合人机工程学的站式椅，取代普通的座椅，减少职业人员腰痛的发生频率。