模拟凿破作业肌肉疲劳恢复的试验研究

唐范，易灿南，李开伟,2，郑艳芳，何佳媛， 彭泓

(1.湖南工学院 安全与环境工程学院，湖南 衡阳 100084；2.台湾中华大学 工业管理系，台湾 新竹 30012；3.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014)

1 引言

随着自动化技术不断革新，机械操作方式日益改善，但仍有许多工作无法避免人工辅助操作；手持凿破设备作业便是常见的一种人工辅助操作作业，广泛存在于建筑工程、维修工程、灾后营救工程中。人工凿破作业中，由于凿破设备笨重造成作业人员体力负荷大，加之作业任务繁重导致长时间、重复性作业，极易导致肌肉骨骼产生累积性伤害(Cumulative Trauma Disorder,CTD)，进而产生肌肉骨骼疾患(Musculoskeletal Disorders,MSDs)[1-2]。

了解并控制肌肉疲劳的积累是防止CTD的方法之一，而控制肌肉疲劳积累的最佳选择是掌握肌肉疲劳恢复发展情况[3]。现有肌肉疲劳恢复研究分为3类：(1)工作/休息比和容许休息时间(Rest allowance,RA)研究[4-6]，该类研究通过设置不同工作/休息比和RA探讨最佳比例，其成果表明工作/休息比是预防和减低CTD的重要因素[4]，且不同作业任务和不同肌肉具有不同的恢复速率；由于肌肉疲劳恢复速率具有任务和人群属性，因此，不同作业肌肉疲劳恢复研究需基于特定的作业姿势。(2)运动性肌肉疲劳恢复研究[7-10]，该类研究对运动性肌肉疲劳恢复生理指标的检测与评价、影响因素的分析以及恢复方法进行了探究；但人工凿破作业属于重复性作业，与运动性肌肉疲劳从疲劳特性到恢复形式与过程都不尽相同。(3)肌肉疲劳恢复规律研究，该类研究有两个关注点，其一为探究不同负荷下肌肉疲劳恢复的sEMG信号变化规律[11-14]，其二为根据恢复过程建立肌肉疲劳恢复模型[15-17]，通过模型预测疲劳恢复变化规律，其中Ma提出的肌肉疲劳恢复模型[15]阐述了恢复过程和恢复时间的关系，适合于工程实践应用，该模型的合理性也得到了试验验证[18]；但此类研究一般是通过负荷设定来研究肌肉疲劳恢复，对于特定的作业任务和作业姿势肌肉疲劳恢复研究鲜有报道。

与肌肉疲劳研究一样，肌肉疲劳恢复可以通过肌力、主观评价值、耐受时间等参数来描述恢复过程[19]。因此，为探究人工凿破作业过程中肌肉疲劳恢复问题，笔者通过设计不同钻孔高度的凿破作业任务，测量作业人员在作业过程和恢复过程中，肌力、RPE指标在时间维度上的变化，探究凿破作业肌肉疲劳恢复期的变化特性，并运用文献[15]的预测模型，建立凿破作业的肌肉疲劳恢复预测模型，以期有助于人工凿破作业CTD的预防，降低其罹患MSDs的风险。

2 对象与方法

2.1 对象

招募20名大学生参与试验，男性，惯用右手，均无CTD和MSDs病史。被试年龄、体质量、身高、身体质量指数(Body Mass Index,BMI)、肩高、肘高、胯高、手功能高、膝盖高分别为19.80(±0.88)岁、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)。所有试验均在实验室内完成，温度22.66(±1.11)℃，相对湿度为42.48(±3.92)%。

2.2 仪器设备

(1)凿破模拟装置：模拟装置由可调解高度的固定支架(40 cm、90 cm、165 cm)和凿破钻面组成，钻面中心位置留有0.5 cm深钻孔，确保试验时钻头垂直进入，保证推力施加方向的一致性，其架构如图1所示，凿破设备为(BOSCH，GSH 500，5.6 kg)。

图1 模拟人工凿破作业

(2)肌力测量设备：握力测量使用握力计(EH101，CAMRY)。

(3)主观疲劳评价：采用RPE量表[20]，测量试验后被试肌肉疲劳或不适的主观感受。

2.3 试验过程

(1)试验准备阶段，被试参与试验前要求24 h无剧烈体育活动，进入实验室后由实验员指导熟悉试验装置和RPE量表，确保理解整个试验流程；试验开始前10 min被试需要进行5 min的肌肉拉伸运动以达热身效果，热身运动有利于被试肌力呈现。

(2)最大握力测量阶段，热身运动结束10 min后，被试测量3个高度下最大握力，每个高度要求测量3次，且要求3次握力值差距不超过10%，最终取握力最大值记为MVC。

(3)凿破作业模拟阶段，被试手持凿破设备将钻头对准钻面中心位置，施加最大推力进行凿破直至不能坚持，其坚持时间为最大耐受时间记为MET，同时汇报结束时RPE，测量结束时刻的握力值记为Fafter。

(4)疲劳恢复阶段，从结束时开始每间隔1 min在试验高度测量一次握力，总共测量5次，每次握力值记为F(t)(t=1、2、3、4、5)；测量握力的同时，汇报一次RPE。

2.4 统计分析

被试要求完成3次试验，每2次试验要求间隔12 h以上，避免由于试验导致肌肉疲劳积累；人群特性、作业任务数据和测量数据导入EXCEL中，利用SPSS 21.0进行分析；其中，钻孔高度对疲劳过程和恢复过程的握力、RPE变化采用方差分析；恢复期不同时点间的握力、RPE差异检验采用方差分析；试验结束时与恢复1 min水平的握力、RPE差异检验采用配对T检验。

3 结果

3.1 作业过程中肌肉疲劳分析

凿破作业后握力显著下降(P<0.001)，握力从静息时的423.46(±64.09)N下降至结束时的309.78(±56.742)N；被试试验时耐受时间平均为1.03min，握力平均下降速率为119.07(±57.23)N/min；对握力下降值归一化处理后，得到FCI((MVC-F)/MVC)为0.27(±0.09)；方差分析结果表明钻孔高度对MVC、F、下降速率和FCI均未显著影响。试验结束时被试感知的RPE值为9.43(±0.77)，所有被试的RPE值均高达7及其以上，其中RPE值达到9及以上人次占比高达86.67%，主观疲劳感达极强；方差分析结果表明钻孔高度并未引起RPE差异显著。

3.2 恢复过程中肌肉疲劳分析

凿破作业任务结束后握力逐步恢复，方差分析表明，结束时和恢复期不同时点的握力差异显著(P<0.001)，而进一步SNK检验分析(表1)可知：结束时握力与恢复期不同时点均存在显著差异，但在恢复期部分时点间差异并不显著，恢复期1 min与2 min没有显著差异，恢复期2 min、3 min和4 min之间也没有显著差异，恢复期3、4和5 min之间也没有显著差异。结束时RPE与恢复期不同时点RPE差异显著(P<0.001)，其SNK检验分析结果表明除恢复期4 min和5 min的RPE差异不显著以外，其他成对比较均显著。凿破作业试验任务结束时到恢复期5 min，通过线性回归分析发现握力呈线性增长(决定系数R2=0.998，P<0.001)，其截距为325.61N，增长斜率为11.20N/min，各参数显著水平P均<0.001；不同于握力的线性增长，RPE则呈曲线递减(R2=0.998，P<0.001)，其二项次方程的截距为2.22，一项式系数-0.741，二项式系数0.048，其显著水平P均<0.01。

表1 握力和RPE的SNK检验分析

3.3 肌肉疲劳预测模型

根据Ma提出的疲劳恢复模型[15]：

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

(1)

式中R为疲劳恢复参数，单位kgf/min。

通过变换可得式(2)：

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

(2)

将t作为自变量，ln((MVC-Fafter)/(MVC-F(t)))作为因变量，对式(2)进行无截距一元线性回归，即可计算疲劳恢复参数R；将试验数据代入式(2)后计算得到R=0.197(P<0.001，决定系数R2=0.997)，故疲劳恢复模型为：

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

(3)

为验证方程的合理性定义平均相对偏差( Mean Absolute Deviation,PMAD)：

(4)

将测量值和根据式(3)计算的预测值代入式(4)，计算得到PMAD=0.13(±0.05)。

4 讨论

文中凿破作业模拟试验设计了40 cm、90 cm和165 cm三个钻孔高度，近似为18-25岁成年人的胫骨点高、手功能高和眼高[21]，分别对应全蹲姿、半蹲姿和站姿，是建筑工程凿破作业中常见的作业高度；模拟试验属于横向凿破作业，不同于纵向凿破、受限空间凿破中四肢姿势差异较大，横向凿破作业主要是下肢姿势存在较大差异，上肢姿势在各高度上差异较小。

凿破作业属于手持电动设备作业，其肌肉产力能力降幅可通过测量作业前后握力的值来获得[22]。凿破作业导致握力显著下降(P<0.001)，产生肌肉疲劳，试验结束时被试主观疲劳感高达9.43(±0.77)；但在文中钻孔高度未引起凿破作业握力变化存在显著差异，这可能与三个高度下的局部肌肉作业姿势有关，被试在三个高度下姿势差异较大的主要是腰部和下肢姿势，上肢和手部姿势差异较小，而握力下降主要是由手部肌肉疲劳所导致，因此，在手部姿势和负荷差异较小的情况下握力的变化并没有显著差异。同时，钻孔高度对RPE值也没有显著影响，其原因主要是被试对疲劳程度的承受能力在每次试验中基本一致，因此不论高度如何，被试要求停止试验时主观疲劳感应该是相似的，这与YI[23-24]等人对静态作业主观评价研究中的结论一致，试验任务参数在耐受时间试验中不能引起RPE显著差异。

凿破作业肌肉疲劳能通过握力变化来反映，同样，其恢复过程中肌肉疲劳变化情况也可采用握力的恢复情况来反映。恢复期握力方差分析结果表明，结束时到恢复期1 min时握力显著提高，1 min后到第3 min进一步显著提高，从第3 min后握力值失去差异显著性。在肌力测量中，当两次肌力测量值差距<10% 时，该差距被认为是可以接受的[23-24]，而文中恢复期5 min时握力值恢复到MVC的90.37%(±6.95%)，与MVC值的差距<10%，且握力值第5 min与第3 min的握力值没有显著差异，因此可认为被试结束试验恢复至第3 min时，握力便恢复到未疲劳状态；RPE在第3min时已经降至1.55(±1.16)也验证了这结论。对比作业过程和恢复过程的握力变化速度情况，作业过程的握力下降速度119.07(±57.23)N/min显著高于恢复期握力恢复速度14.35(±8.04)N/min(P<0.001)，认为此试验情况下，手部握力恢复过程较之疲劳过程更长，即产生一定疲劳后，需要更多的时间进行休息才能恢复疲劳前的握力水平。RPE在结束时和恢复期呈曲线递减，结束时到恢复期1 min下降程度最大，降幅达53.66%，而后下降趋势逐步放缓，恢复期1 min至5 min每间隔1 min的降幅分别为18.77%、11.13%、5.51%和2.97%，并在恢复期4 min后失去差异显著性。钻孔高度对恢复期不同水平组别的握力和RPE均没有显著影响，这可能与在作业过程中握力和RPE没有因钻孔高度存在显著差异有关，在作业过程结束时，Fafter和RPE均无显著差异，而后进入恢复期被试处于无负荷的休息状态，此时握力和RPE的恢复便不在受到钻孔高度影响。

文中利用Ma提出的恢复模型对凿破作业任务肌肉疲劳恢复进行预测，其拟合的方程式的决定系数R2>0.9，方程式合理；根据PMAD计算结果可知预测值和测量值之间相对偏差较小，其偏差值在合理范围[25-26]，所建立恢复模型能较好地预测凿破作业手部疲劳恢复的发展情况，与李佳乐[18]的研究结论一致。模型中参数R描述了不同人群的肌肉恢复特性，也表征人群的肌肉恢复属性[15]；此试验中，手部握力参数R为0.197，该值可为类似人群在手部握力作业疲劳恢复研究提供依据。

5 结论

(1)凿破作业试验任务导致肌肉疲劳，5 min恢复过程中握力随时间显著增长，RPE则显著下降，肌肉疲劳得到显著恢复；试验结束3 min后，握力值恢复至未疲劳状态，此时RPE降至非常轻微的状态；试验中，肌肉疲劳速率显著高于肌肉疲劳恢复速率，作业后需要比作业时间更长的恢复时间来避免肌肉疲劳累积；钻孔高度对疲劳过程和恢复过程的握力、RPE变化均未产生显著影响。

(2)建立的以指数函数为基础的凿破作业肌肉疲劳恢复预测方程，能描绘握力随着时间的变化规律，其测量值与偏差值的相对偏差较小，可用该方程预测评估作业人员凿破作业肌肉疲劳恢复程度。

(3)文中凿破作业试验属于模拟作业，并未开启凿破设备，与凿破实际作业存在一定差异；且文中只讨论了横向凿破作业的3个高度，对于横向其他高度以及纵向、受限空间作业肌肉疲劳恢复呈何种规律还需进一步研究；试验在室内完成，此时温湿度的体感处于舒适状态，在其他环境下是否存在显著差异还需进一步验证。