基于sEMG的拉物行走作业肌肉疲劳发展机理研究

易灿南，唐范，左华丽，李开伟,2，胡鸿，刘澳

(1.湖南工学院 安全与管理工程学院，湖南 衡阳 421102;2.台湾中华大学 工业管理系，台湾 新竹 30012)

1 引言

拉物行走作业作为典型人工物料搬运作业之一，由于其省力、便捷等优点，广泛存在于工业制造、农业生产、物料运输等场所。拉物行走作业由于姿势特殊、工作时间长、劳动负荷大等特点，容易造成上肢及腰背肌肉疲劳，容易引发工作相关肌肉骨骼疾患 ( Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)[1]。研究拉物行走作业过程肌肉疲劳发展特征，可为该作业WMSDs预防提供理论支持和方法指导。关于肌肉疲劳发展研究，一般基于作业人员肌肉疲劳发展过程的生理、心理、体能等方面来进行评估，通常分为客观数据测量和主观数据测量2个方面，前者如肌肉放电现象、PH值和Ca2+浓度变化情况、肌力以及最大耐受时间(Maximum Endurance Time，MET)，后者一般为主观肌肉疲劳评分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)等等[2-3]。在实际研究中，为了全面评估肌肉疲劳发展情况，一般采用客观测量和主观测量的方式进行。近些年以来，表面肌电(Surface electromyography，sEMG)通过无创获取作业过程中枢神经系统支配肌肉活动时伴随的生物电变化，被广泛用于评估人体工程学、临床医学、运动医学、康复医学等领域[4]。现有研究表明，当肌肉疲劳时，运动单元募集策略改变，sEMG功率谱发生改变[3,5]，因此sEMG被广泛用来评估体力作业肌肉疲劳水平[6]，与肌力、MET等描述肌肉疲劳外在表现的客观数据相比，该指标更能如实反映作业过程中局部肌肉疲劳发展情况。

通过文献检索发现，目前拉物行走作业肌肉疲劳发展研究一般通过测量肌力、MET、RPE以及sEMG来进行。王雨馨等[7]研究了单手拉物(被试背向叉车施力)作业下肌力、MET和RPE的基本情况。BENNETT等[8]通过EMG对比了单手拉(被试背向叉车施力)以及双手拉(被试面向叉车施力)不同负荷重物行走作业过程中不同肌群(肱二头肌，前三角肌，斜方肌，背阔肌，竖脊肌，股直肌，股二头肌，腓肠肌内侧和胫前肌)肌肉活动的区别，但是没有探讨作业过程中不同肌群随时间而变化发展的特征。OHNISHI等[9]基于sEMG和RPE研究双手拉四轮小车(被试面向小车施力)行走作业中肱二头肌和肱三头肌肌肉活动特征。KAO等[10]基于sEMG和RPE研究了拉护士医疗器具小车(被试面向小车施力)指伸肌、斜方肌、浅屈指肌、竖脊肌等的肌肉活动情况。CARISA等[11]研究了单手(被试侧向叉车施力)、双手(被试背向叉车施力)拉物行走作业斜方肌、胸大肌、趾浅屈肌和趾伸肌肌肉活动情况，并分析对应身体部位施力情况。从现有研究成果来看[7-11]：拉物的工具主要为叉车、四轮小车；拉的形式主要为背向工具拉、面向工具拉；研究的肌群涉及上肢、腰背和下肢；研究的关注点在于各肌群工作过程中放电情况；虽有文献从主观和客观2个方面进行研究，但没有同时采用具体作业的施力(如拉力)和sEMG进行研究；没有确定具体行走速度。因此，现有拉物行走作业肌肉疲劳研究存在以下欠缺：没有一定行走速度下作业过程肌肉活动相关研究；当负荷不太重的情况下，作业人员一般采用背向叉车拉物朝前走，虽然BENNETT等[8]有研究这种作业姿势，但被试为南非某大学学生，且没有探讨肌肉活动随时间而变化的特征；没有利用肌力和sEMG进行肌肉疲劳综合评价。现有相关研究成果表明，行走速度影响肌肉疲劳发展[12-13]，不同人种之间由于身型、文化背景等原因，在肌力上存在差异[14]，因此基于我国实际情况探讨拉物行走作业肌肉疲劳发展特征及肌肉活动相关情况，对促进安全生产有着一定的现实意义。

基于此，本研究关注一定行走速度下单手拉叉车行走作业肌肉疲劳发展情况，通过测量试验前后肌力、作业时长以及作业过程中施力手臂与拉力相关主要肌群的肌肉放电信号，探究拉物行走作业过程肌肉疲劳发展特征，减少肌肉疲劳累积并降低WMSDs风险。

2 方法

2.1 实验方案设计

单手拉物行走作业中，作业人员采用姿势一般为施力手臂抓住手柄并行走，手臂作为直接对抗重物的肢体，其主观肌肉疲劳评分显著高于其他身体部位[7]：手臂最高，腰部、腿部最低。本试验主要关注与肘部屈曲与伸展有关的肱二头肌和肱三头肌在拉物行走中肌肉放电现象。sEMG分析通常包括时域分析和频域分析，常用指标包括电活动水平(Electrical Activity,EA) 、积分肌电值 (Integrated Electromyogram,iEMG) 、均方根值 (Root Mean Square,RMS)、平均功率频率(Mean Power Frequency,MPF)和中位频率(Median Frequency,MF)。肌肉疲劳过程中运动肌sEMG信号的振幅增加，频率下降，RMS、iEMG、AEMG增大功率谱左移，MPF和MF下降[15]，本研究选取指标为RMS和MF。

基于前期试验[7]，本试验选择疲劳诱发更快的2 km/h行走速度，负荷定为30和40 kg。前期试验的试验时长均为MET试验[7]，即被试报告过于疲劳而不能继续坚持时即停止试验，30和40 kg负荷下MET分别为4.73(±0.81)min和3.38±(0.64)min，因此在本试验中，将试验时长设定为5 min，试验过程中不断鼓励被试继续坚持试验，直至难以坚持才终止。

本研究提出以下试验假设：5 min时长试验能够诱发30和40 kg负荷下拉物行走作业肌肉疲劳；肱二头肌和肱三头肌在拉物行走过程中肌肉疲劳明显；不同负荷下，2肌群肌肉疲劳发展存在显著差异。

2.2 实验组织

2.2.1 被试

招募6名男大学生参与试验，右手惯用手，身体健康且无WMSDs病史。被试于试验之前了解试验目的与过程，签署试验知情书并登记个人基本信息，而后在试验员的指导下独立完成试验。为降低被试身高不同而造成拉车角度改变给试验带来的影响，筛选身高在165 cm-175 cm之间的被试，以模仿真实拉叉车作业。被试年龄、身高、体质量和身体质量指数分别为(21.00±2.09)岁，(169.17±2.48)cm，(60.92±8.79)kg，(21.30±3.09)kg/m2。该试验均在实验室内完成，负荷分别为30和40 kg，温度为26(±0)℃，相对湿度为76(±0)%。

2.2.2 仪器设备

(1)拉物行走模拟测量装置：①拉力测量仪器，将S型测力计、铁链和直径为3 cm的手柄相连接，测量肌力；②拉物行走模拟装置：基于真实手动叉车，设计便于试验实施的模拟叉车拉杆(图1)，总重1.5 kg，钢丝绳1和2固定在天花板上，试验过程，拉杆与地面夹角为36°，拉杆中间(即图1中40.5 cm处)悬挂重物；③跑步机(盛步SP-1008)：被试于跑步机上拉拉杆行走；④秒表，测量被试拉车持续时间。

图1 模拟手拉叉车装置

(2)无线表面肌电测量装置：包括ErgoLAB人机环境同步系统2.2.1.0(北京津发科技股份有限公司)、16导无线表面肌电传感器v5.5(北京津发科技股份有限公司)、摄像头、固定绑带，一次性使用心电电极片(力康)和笔记本电脑一台，肌电数据采集频率1024 Hz。

2.2.3 试验步骤

(1)准备阶段，被试跟随视频进行5 min的身体有氧训练，休息5 min，之后试验人员给被试贴电极片：先去除毛发，再用75%医用酒精棉球反复擦拭以上3个肌群皮肤，将电极片成对贴于惯用手肱二头肌和肱三头肌2个肌群肌腹处的皮肤表面(沿肌纤维纵轴方向贴)，每对电极片间隔2 cm，参考电极贴于肘关节肌腱处，电极用绷带进行固定。

(2)肌力测量阶段，肌群最大肌电测量阶段完成后，被试休息5 min，利用拉力测量仪器测量最大拉力，所测得拉力为被试的MVC。

(3)拉物行走作业阶段，被试于跑步机上用惯用手拉模拟手拉叉车装置(拉杆上悬挂重物为30 和 40 kg)，跑步机时速2 km/h，试验时长5 min，试验过程中，试验人员不断鼓励被试，拉物行走任务完成后或时长不足5 min但被试不能再坚持时终止，记录试验时长；而后被试迅速按照步骤3测量肌力。一天只进行一次试验，每2次试验之间间隔24 h以上，并且试验前24 h禁止剧烈体力活动。

2.3 数据处理

试验总共记录12个(6位被试× 2种负荷)作业时长数据；24个(6位被试× 2种负荷×2个时刻)肌力数据；12组(6位被试× 2种负荷)无线表面肌电数据。对于无线表面肌电数据，对其进行降噪、整流、滤波(0-500Hz)、平滑等处理，按照试验总时长进行5等分，截取每个时段起始以及最后一个时间段5 s内的数据，共6个时段，记为t1，t2，t3，t4，t5和t6，分析不同时段下时域指标RMS和频域指标MF的特征。利用Excel汇总整理数据，利用SAS 9.0进行统计分析。

3 结果

3.1 肌力和试验时长

被试MVC为268.03(±45.77)N，2种实验条件下，剩余肌力差异不显著(P=0.38)：30 和40 kg负荷下肌力分别为190.86(±36.50)N和169.30(±34.59)N。

所有被试完成30 kg负荷下5 min拉物行走任务，试验时长5.05(±0.07)min；仅2位被试完成40 kg负荷下5 min拉物行走任务，试验时长3.78(±1.22)min。不同负荷下试验时长差异显著(P=0.03)。

3.2 无线表面肌电数据

对t1和t6时段下RMS和MF进行配对t检验，结果显示：RMS1与RMS6差异显著(P=0.0032)，RMS与时段有关，且RMS1MF6。

不同负荷下肱二头肌和肱三头肌RMS和MF变化趋势如图2所示：①RMS随着时间的推进呈现上升趋势，40 kg负荷下2个肌群特别是肱二头肌的RMS上升斜率明显大于30 kg负荷；②MF随着时间的推进呈现下降趋势，40 kg下肱二头肌和肱三头肌MF下降斜率均大于30 kg；③30 kg下，2个肌群RMS上升斜率差异不明显；肱二头肌MF下降斜率大于肱三头肌；④40 kg下，肱二头肌RMS上升斜率以及MF下降斜率明显大于肱三头肌。

图2 30和40kg负荷下各肌群时域和频率趋势图

4 讨论

本试验研究一定拉物行走速度条件、不同负荷下肌肉疲劳发展问题。本试验中，手臂需要对抗重物所造成的后摆力以实现拉物行走作业，30和40 kg负荷下被试需要在施力方向分别施力96.53N和120.54N，对于本试验参与被试来说，分别相当于36.01%MVC和44.97%MVC，体力负荷大，容易引发肌肉疲劳[16-17]。

围绕拉物行走作业肌肉疲劳研究，课题组进行了2期试验，本期试验是前期试验[7]的延续，以前期试验为基础确定本期试验肌电量测肌群。2期试验中，被试完全不同，试验条件和试验控制也存在差别：①前期为MET试验，即连续作业至不能坚持即停止试验，将所持续时间记录为MET，本试验为固定试验时长试验，即设定试验时长5 min，若被试不能坚持可停止试验；②前期试验试验人员只控制试验姿势，本期试验中试验人员口头鼓励试验人员尽可能坚持并完成试验。对比2期试验肌力和试验时长结果：

从肌力来看，前期试验中被试MVC为245.29(±35.23)N，2km/h行走速度、30和40kg负荷下剩余肌力分别为183.55(±31.90)N和174.05(±19.23)N[7]，三个肌力与本试验结果偏差分别为8.48%，3.83%和2.73%。2种负荷条件下2期试验数据之间的低偏差说明：①2期试验均诱发了肌肉疲劳，且累积程度相当，验证了研究假设；②虽然本期试验中2种负荷下肌力平均值存在较大差异，但方差分析结果显示差异并不显著，这可能与被试数量相对较少有关，但是YI等[18]的试验中被试多于本试验，也出现了不同试验条件下肌力差异不显著的情况，因此推断肌力与作业姿势紧密相关，在一定作业姿势下，即使诱发疲劳的条件发生改变，但在身体过于疲劳而放弃继续作业的情况下，肌力基本保持不变。

从作业时长来看，前期试验中30和40 kg负荷下MET分别为4.73(±0.81) min和3.38±(0.64)min[7]，本试验中固定试验时长为5 min，所有被试均完成30 kg下5 min 试验任务，仅2名被试完成40 kg下相应任务，试验时长分别为5.05(±0.07)min和3.78(±1.22)min：30 和40 kg负荷下2期试验作业时长偏差分别为6.3%和10.6%，且均大于前期试验，该试验诱发了肌肉疲劳，验证了研究假设。另外，本期试验2种负荷下MET均大于前期试验，这可能和提前设定并告知试验时长以及试验过程中的鼓励有关，在体力测量试验中，由于负荷较大，为了减少被试由于心理等其他原因选择停止试验，而造成测量数据(主要为工作时长数据)上的偏差，一般在试验过程中不断进行鼓励[19]，课题组2期试验结果之对比也验证了这种情况。因此建议，在体力作业过程中或者进行体力作业工作时长测量时，可进行适当的口头鼓励。

现有研究成果表明，无论是静态作业还是动态作业，肌肉疲劳累积过程中，运动肌表面肌电信号的振幅增加，频率下降，时域指标如iEMG、AEMG和RMS呈现上升趋势，频域指标如MF和MPF呈现下降趋势[5,15,20]，本试验中也出现了这种趋势(图2)。根据RMS可分析作业过程中肌电的平均变化特征，其值反映作业过程中所有振幅的均方根，具体反应肌电的有效放电量[21]，RMS振幅的变化反映肌纤维募集程度。从图2可以看出，2种作业负荷下：①作业前后2个肌群的RMS振幅都增加，说明随着作业的推进，起初收缩的肌纤维(快肌)开始疲劳，为了维持既定的肌力输出，新的运动单位(快肌或慢肌)相继被募集而参与收缩[22]；②作业前后，MF出现下降趋势，说明肌肉从未疲劳前到疲劳时，高频成分变少，低频成分变多[23]，其原因和机制为肌肉疲劳时肌内压升高，使血流受阻，引起肌膜兴奋，传导速度降低[20]，肌肉收缩时血流受阻，使 H+ 积累并引起肌纤维动作电位传导速度下降[15,24]。对比2种负荷条件下RMS和MF图形：

①40 kg负荷2个肌群RMS上升斜率均大于30 kg，这可能与负荷及姿势有关。本试验中，30 和40 kg负荷下被试需要施力分别为96.53N(36.01%MVC)和120.54N(44.97%MVC)，根据周前祥等[25]的研究，这2种负荷对应的疲劳能量和Borg CR-10分别为(3.5，4.8)和(4.74，5.45)，疲劳能量显著增加，Borg 评分则由中等到强。随着负荷增大，需要施更大力才能维持试验姿势，大量快肌达到疲劳，需要募集更多慢肌参与收缩，因此造成40 kg负荷下RMS振幅快速增大。另外，肱二头肌与肱三头肌分别与曲肘和伸肘动作有关，本试验中由于负荷较大(均大于1/3负荷，容易产生疲劳累积[17])，试验过程中存在由于手部出汗较多而抓不住手柄的情况，而为了诱发疲劳，允许被试在对抗负荷前提下调整手部，负荷越大，姿势调整越频繁，而姿势调整与曲肘动作有关，这也可能是肱二头肌RMS上升斜率大于肱三头肌以及肱二头肌RMS在t3时段后振幅突然变大的原因。

②40 kg负荷下2个肌群MF下降斜率均大于30 kg，说明此2个肌群疲劳发展与负荷显著相关，负荷越大，肌肉疲劳发展越快。

③30 kg负荷下，2个肌群RMS上升斜率无明显差异，这可能与相对负荷(肌群施力/肌群最大肌力)不太大有关，施力不太大时，快肌收缩对抗外力，募集慢肌速度较慢；肱二头肌MF下降速率大于肱三头肌，这可能与调整抓取姿势有关。

④40 kg下，肱二头肌RMS上升斜率与MF下降斜率均大于肱三头肌，如前所分析，出现这种情况的原因可能与更大负荷更加频繁的调整抓取姿势有关。

综上，负荷显著影响拉物行走作业肌肉疲劳发展，由于作业过程中被试频繁调整抓取姿势的原因，肱二头肌收缩强度和募集肌群数量以及肌肉疲劳发展均大于肱三头肌，实际工作中，需要重点关注肱二头肌的肌肉疲劳累积问题，预防WMSDs的发生。

本研究仅分析了1种速度以及2种负荷之下拉物行走作业肌力降幅、作业时长以及肱二头肌和肱三头肌的肌肉活动情况，其他速度、更重负荷之下，肌肉疲劳相关表征参数是否还与本试验保持一致，仍需进一步研究。同时，仅获取了2个肌群的活动特征，而根据解剖学研究，与该作业可能有关的肌群可能还包括屈指肌、三角肌和胸大肌，也需要开展更多的试验来获取不同试验条件下的肌肉活动情况。另外，本文为方便测量sEMG数据，行走试验在跑步机上完成，虽然利用跑步机进行动态作业肌肉疲劳相关研究在一些研究中广泛使用[13,26]，但是与实际拉物行走作业还是存在差别，试验过程中部分被试反应的不适宜情况也反应了这一点，后期将尽量创造条件，进行实际拉物行走作业揭示这种规律。

5 结论

(1)拉物行走作业中，负荷显著影响作业时长，但不显著影响肌力。肌力可作为该类作业不同作业条件下肌肉疲劳的判断指标之一；在实际工作中，36%MVC和45%MVC拉物行走作业下，不宜安排连续工作时长分别达到5和3.3 min。

(2)拉物行走作业中，肱二头肌肌肉收缩以及肌纤维募集较多，肌肉疲劳发展较快，需要重点关注该作业中此肌群的肌肉疲劳累积问题。

(3)本研究仅关注2km/h、30和40kg负荷下肌肉疲劳发展特征，仅分析了肱二头肌和肱三头肌的肌肉活动特征，还需要开展更多的试验研究进行深入探讨研究。