基于表面肌电信号及视距的儿童作业状态下跪式坐姿分析

王斯秋， 王生泽， 唐 智,1b， 姜鑫玉， 陈晓燕， 王 倩， 鲍文岚

(1.东华大学 a. 机械工程学院，b. 纺织装备教育部工程研究中心， 上海 201620；2.上海市第一人民医院 儿内科， 上海 200080)

我国近视人数约占总人口的50%，青少年近视率全球第一，小学生近视率接近40%[1]，近视现状亟需干预。陈晓琴等[2]研究表明，近视发展最快的阶段约在8岁，这种快速发展趋势将持续到十五六岁，可见儿童已成为近视高发人群。目前尚无彻底治疗近视的有效手段，因此，儿童的近视防治主要依靠早发现和早干预[3]。普遍认为近距离阅读及读写姿势不当会导致近视[4]。人机工程学桌椅能够减少近视、视疲劳和双眼异常的发生，帮助儿童更好地阅读[5]。Bao等[6]指出在近端工作期间视距减小会增加患近视的风险，选用合适的桌椅纠正近端姿势，将会缓解近视的发展。

挪威设计师彼得·奥布斯威克基于人机工程学设计的“Balans”座椅除具有倾斜的座面以外，还有腿部支撑，该座椅能使人体的脊椎处于最接近自然直立状态的姿势，有望减轻坐姿疲劳[7]。Bettany-Saltikov等[8]研究18～35岁的成年人在人体工学跪椅和标准电脑椅上的腰椎弯曲度时发现，使用基于人体工程学设计的跪式座椅能够更大程度地保持同站立时相似的腰部弯曲度。Alamin等[9]研究发现，20名成年男性跪式坐姿下的腰椎情况最接近站立时的状态，因腰椎负荷因素引起坐姿疼痛的患者坐在跪椅上的舒适度最高。然而，Lander等[10]研究发现，对于健康的成年人而言，相比普通坐姿，跪式坐姿下腰部和颈部的肌电测量均值更高，表明跪式座椅的舒适度较低。综上所述，跪式坐姿可以使脊柱自然直立，进而增加人体近端工作时的视距，帮助预防近视，但对于成年人而言舒适度不高。

表面肌电(surface electromyography，sEMG)信号是从人体骨骼肌表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发生的生物电信号，反映了骨骼肌的活跃程度，其与肌力大小及肌肉疲劳程度有着较高的相关性[11-12]。利用sEMG技术分析坐姿肌肉疲劳情况的研究非常多。宋超等[13]观察女性受试者以不同坐姿久坐前后腰部肌肉sEMG信号的变化，探讨不同坐姿下久坐对竖脊肌功能状态的影响；徐明伟等[14]利用sEMG技术分析颈部前屈状态下肌肉的疲劳情况。

纵观目前的文献报道，关于跪式坐姿的研究主要是针对成人，鲜有关于儿童书写作业状态下的跪式坐姿研究，针对儿童的跪式座椅设计研究更是少见。虽有研究表明跪式坐姿会增加成人近端工作时的视距，但对儿童视距的影响不明。若将跪椅应用到儿童学习椅中，也需对其舒适度进行研究。本文通过试验对比分析了跪式坐姿和普通坐姿对儿童视距及舒适度的影响，以期为儿童跪式座椅设计提供更多研究基础，便于今后针对儿童进行预防近视的人机工程学座椅设计。

1 试验方法与过程

1.1 试验方法

1.1.1 sEMG分析

分析、识别sEMG信号特征的常用方法主要有时域分析法和频域分析法等[15]。时域分析法主要是在时间维度上对sEMG信号进行描述与分析，主要观察信号振幅变化。采用时域指标的肌电积分值(integral electromyography，IEMG)监测肌电信号。IEMG是一定活动时间内所有参与活动的运动单位动作电位的放电总量[15]。在相同时间内，振幅越大，IEMG值越大。IEMG计算公式如下：

(1)

式中：EMG(t)为表面肌电值。

频域分析法主要是获取频率维度上的肌电信号特征，在计算时需要对肌电信号进行傅里叶转换。采用频域指标的平均功率频率(mean power frequency，MPF)进行分析，计算公式如下：

(2)

式中：PSD(f)为肌电功率谱密度函数。

在分析MPF时，一般将MPF的降低作为肌肉疲劳的标志，而在使用MPF分析坐姿肌肉疲劳时，一般会对MPF做线性回归分析。参考杨静[11]、Areeudomwong等[16]的研究，对MPF和时间t进行线性拟合，用MPF-t曲线的斜率评价肌肉疲劳程度，回归直线斜率为负值时表示肌肉发生疲劳。

1.1.2 坐姿舒适度主观评价

主观评价法是通过记录试验者的主观心理感受进而判断舒适度的方法，主要使用主观量表和调查表进行评判。在心理学、人体工程学、家具设计、建筑与室内设计等领域广泛应用语义微分法(semantic differential，SD)进行主观评价[17]。SD法又称心理量表法，是一种将人的感觉量化的主观评价方法。采用语义微分法中的七级评价标准，受试者可用0～6的整数评定舒适程度，数值由小到大依次对应非常不舒适、不舒适、较不舒适、一般、较舒适、舒适、非常舒适。通过数据处理得到各种特征参数，实现主观感受的量化评价。

1.1.3 视距测量

人体尺寸数据的测量方法有丈量法、摄像法、问卷法和自动仪器测量法。考虑被试的安全和仪器使用的便利性，采用摄像法测量视距。摄像法主要通过CCD或CMOS成像实现人体尺寸的非接触测量，原理上属于光电法的拓展，即通过捕捉受试图像，运用软件在计算机中对图像进行处理从而获取被试的身体数据[18]。为避免图像数据分析产生过大的误差，将SONY NEX 5R型相机置于距被试直线距离120 mm、高80 mm的位置，镜头与桌面平行，试验中在被试的左眼眼尾处粘贴直径10 mm的黄色标记圆点，便于视距定位。拍摄人体在书写作业状态下的姿势，每位被试每组试验拍摄60张图片。利用Python软件随机抽取每组图片，每组抽取5张，并将其导入Photoshop 2020软件纠正图片的几何畸变,最后将图片导入Image J软件，测量视距。

视距的定义参照Wang等[5]定义视距的方法，将左眼到书本中点的直线距离定义为写作业坐姿下的视距，如图1所示。测量视距时，先用Image J软件设定标尺，以课桌侧边长度400 mm为基础，然后选定左眼标记点和书本中点，测得视距。

图1 视距定义及测量Fig.1 Definition and measurement of visual distance

1.2 试验设计

为研究跪式坐姿和普通坐姿对写作业坐姿下的视距和人体舒适度的影响，设置对照组(普通坐姿)和试验组(跪式坐姿)，如图2所示。每位被试均参与两组试验。为保证试验时被试的身体肌肉处于正常状态，两组试验间隔超过24 h，且保证试验开始前1周所有被试均不参与剧烈运动。

图2 普通坐姿和跪式坐姿示意图Fig.2 Schematic of ordinary sitting and kneeling sitting

1.3 被试信息

邀请6名小学生作为被试，均为女性，年龄为(8±1)岁，体重为(29.6±10.6)kg，身高为(130.3±8.8)cm，膝腘高为(38.57±3.88)cm。为控制试验变量，所有被试身体健康，均无近视，无关节或骨骼损伤，无腰背疼痛情况。

1.4 试验器材

试验座椅采用的原型机为一款市售跪式座椅，主要包括座面、腿部支撑和支架部分。座面内部为高回弹记忆棉，外部由针织布包裹。左右腿部支撑均由两块独立包裹针织布的记忆棉组成。跪式坐姿组使用的座椅座面角度及腿部支撑角度设置为厂家建议角度，座面前倾角为10°，腿部支撑倾角为30°。普通坐姿组采用普通座椅角度设置，座面倾角为0°，不使用腿部支撑。试验使用标准6号课桌，桌子高610 mm，桌面宽400 mm、长600 mm。

采用Mangold-10型无线蓝牙多导生理仪(德国Mangold International GmbH)采集肌电信号，采样频率为2 048 Hz。采用SONY NEX 5R型相机捕捉记录坐姿图像，三脚架用于保持相机的稳定性。

1.5 试验过程

试验前，向6名被试及其家长详细阐述相关事项，确保被试方完全了解试验目的、基本要求、试验潜在风险及试验涉及的器材与设备的用法。选择竖脊肌和腓肠肌作为监测肌群，采用一次性Ag-AgCl电极片，贴电极片前用75%酒精棉球清洁皮肤，去除皮肤表面的油污及坏死的角质层以降低皮肤阻抗。待皮肤完全干燥后将电极片固定于皮肤上，电极沿肌纤维行走方向平行放置，间隔2～3 cm，如图3所示。此外，还需给被试粘贴标记圆点。

图3 表面肌电信号测试点Fig.3 Test points for sEMG signal

试验开始时要求被试保持左右大腿大致平行，双肩放松，双手放置于桌面上。试验中所有被试执行相同的试验任务，即在A4纸上抄写文本，并且保持文本在书桌上放置的位置一致。

侯建军[19]研究发现，使用跪式坐姿约在40 min时产生疲劳。为记录肌肉疲劳，每组测试时间设置为60 min，每隔1 min拍摄一张坐姿图片，每隔6 min进行1 min的肌电信号记录。试验员通过询问法，每15 min记录被试对坐姿舒适感的主观评价。

1.6 数据分析

通过MATLAB_R2016b软件计算肌电信号，用Image J软件测得视距。将上述数据导入IBM SPSS Statistics 26软件中进行显著性分析，采用配对样本T检验。

2 结果和讨论

2.1 视距

视距测试结果显示，跪式坐姿组和普通坐姿组的视距均值分别为27.98 和23.37 cm，前者比后者高16.49%。显著性分析结果显示，p=0.001<0.05，即跪式坐姿与普通坐姿下测得的视距具有显著性差异。由此可知，相比无倾角和无腿部支撑的普通学习座椅，使用跪式坐姿可显著增大书写作业状态下的视距。这可能是因为跪式坐姿能改变人体重心，使得脊柱尽量保持自然直立，从而增大视距。

2.2 坐姿舒适度

2.2.1 肌电积分值IEMG分析

首先对普通坐姿组和跪式坐姿组的IEMG数据进行配对样本T检验，结果显示：对于竖脊肌IEMG，p=0.001<0.05；对于腓肠肌IEMG，p=5.16×10-9<0.05。表明普通坐姿和跪式坐姿在60 min内的坐姿肌疲劳具有显著差异。

由徐明伟等[14]和王琳等[20]的研究可知：随着肌肉疲劳的产生，肌肉收缩功能减弱，此时IEMG值会有所下降。但是为维持特定的坐姿，随着肌肉负荷持续增加，肌肉逐渐处于紧张状态，疲劳程度加重，参与动作的运动单元数量逐渐增加，肌电信号振幅增大，肌肉运动单位能量消耗增加，IEMG随之增大。

图4为普通坐姿组和跪式坐姿组的竖脊肌IEMG变化趋势。由图4可以看出，随着书写作业时间的增加，两组试验的IEMG均呈波动状态。普通坐姿组的竖脊肌IEMG在6～12 min增大，表明此时竖脊肌出现疲劳，需调动更多肌肉维持坐姿；跪式坐姿组在36 min出现IEMG峰值随后下降，而普通坐姿组在42 min出现峰值随后下降，表明跪式坐姿组比普通坐姿组更早出现深度疲劳，进而出现自我调节。两组的竖脊肌IEMG均在54 min再次出现最低点，表示两种坐姿下竖脊肌再次出现疲劳。

图4 竖脊肌的IEMG变化趋势Fig.4 The change trend of IEMG in erector spinae muscle

图5为腓肠肌IEMG的变化趋势。由图5可以看出：跪式坐姿组的IEMG初始值高于普通坐姿组。随着书写作业时间的增加，跪式坐姿组的IEMG先减小，再在24～36 min增大，而普通坐姿组的IEMG在12～18 min和24～48 min呈增大趋势。

图5 腓肠肌的IEMG变化趋势Fig.5 The change trend of IEMG in gastrocnemius muscle

表1为两组坐姿竖脊肌和腓肠肌IEMG均值。由表1可知：竖脊肌的IEMG表现为跪式坐姿组比普通坐姿组高3.004 μV(45.91%)，这可能是因为跪式坐姿需用更多的肌力维持自然直立状态的脊柱姿势;腓肠肌的IEMG表现为跪式坐姿组比普通坐姿组高0.207 μV(12.67%)，说明跪式坐姿调用的肌肉更多，这与膝后腿部肌肉的肌力变大有关。

表1 竖脊肌和腓肠肌的IEMG均值

2.2.2 平均功率频率MPF分析

平均功率频率MPF已成为目前公认的评价肌肉疲劳的指标。随着疲劳的产生，总体上MPF值呈下低趋势。对MPF值进行显著性分析发现，竖脊肌p=0.781>0.05，腓肠肌p=0.424>0.05，均不具有显著性。竖脊肌和腓肠肌的MPF随时间的变化趋势如图6所示，难以直观地判断肌肉疲劳情况。

图6 竖脊肌和腓肠肌的MPF变化趋势Fig.6 Trend of MPF change of erector spinae muscle and gastrocnemius muscle

利用MPF和时间t的拟合曲线分析肌肉疲劳。MPF-t斜率体现了久坐对于竖脊肌抗疲劳能力的影响。为直观判断竖脊肌MPF的整体变化趋势，对竖脊肌MPF和时间t进行拟合，结果如图7所示。由图7可知，普通坐姿组拟合曲线斜率为0.088 7，跪式坐姿组拟合曲线斜率为-0.502 4，表明跪式坐姿组竖脊肌发生疲劳。

图7 竖脊肌的MPF-t拟合曲线Fig.7 MPF-t fitting curve of erector spinae muscle

为了更直观地判断腓肠肌的MPF整体变化趋势，对腓肠肌的MPF和时间t进行拟合，如图8所示，普通坐姿组斜率为-0.259 3，跪式坐姿组为-0.342 2，可见跪式坐姿组MPF下降更多，腓肠肌肌肉活跃度相对更高，疲劳程度更高。

图8 腓肠肌的MPF-t拟合曲线Fig.8 MPF-t fitting curve of gastrocnemius muscle

2.2.3 主观舒适度分析

主观舒适度分析按照主观评价的评分原理对试验所得主观评价表进行资料统计，取6名被试的均值，结果如图9所示。由图9可以看出，普通坐姿的整体舒适度高于跪式坐姿，具体表现在普通坐姿组背部、腰部、臀部、大腿和小腿的舒适度均高于跪式坐姿组。跪式坐姿组下肢舒适度低的主要原因是腿部承担了更多的压力，导致舒适度下降。

图9 两种坐姿的主观舒适度分析表Fig.9 Subjective comfort analysis table of two sitting postures

两种坐姿身体向前滑动趋势和腿部压迫感主观评价得分见表2。由表2可知，普通坐姿的腿部压迫感和向前滑动的趋势明显低于跪式坐姿。这主要是因为跪姿座椅座面前倾一定角度后，人体由于重力的影响身体自主前倾，导致身体有了更大的向前滑动的趋势。

表2 身体向前滑动趋势和腿部压迫感评分Table 2 Body sliding forward and leg pressure score

3 结 语

对比研究了儿童在60 min作业状态下使用跪式坐姿和普通坐姿时视距及舒适度的变化情况。使用摄像法分析视距，使用sEMG和主观评价相结合的方式评价坐姿舒适度。得到的主要结论如下：

(1)在写作业时，儿童使用跪式坐姿时的视距比普通坐姿长16.49%，表明儿童使用跪式坐姿可有效增加视距，有助于实现预防近视的目的，并为预防近视产品提供理论支持。

(2)对于儿童来说，在60 min的作业坐姿状态下，不论是使用跪式坐姿还是普通坐姿，都会产生一定的疲劳，但跪式坐姿下竖脊肌和腓肠肌疲劳度更高，其中跪式坐姿组的竖脊肌和腓肠肌的IEMG均值比普通坐姿组分别高45.91%和12.67%，MPF均比普通坐姿组下降得多。同时跪式坐姿的主观舒适度更低，身体向前滑动趋势和腿部压迫感也更大。

预防近视是缓解儿童近视的重要手段，控制视距是预防近视的有效手段。为帮助儿童预防近视，可以考虑在书写作业时使用跪式坐姿。考虑到跪式坐姿的舒适度，后续需对跪式座椅的座面、腿部支撑等做进一步研究，以期提高坐姿舒适度。