基于表面肌电和动态体压的办公坐姿疲劳测试

程文达，申黎明*，张叙俊，葛海林

(1. 南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037；2. 浙江圣奥家具制造有限公司，杭州 310000)

长时间维持单一坐姿会给人的健康带来影响[1]。近年来，动态坐姿的概念逐渐取代了长期存在的“尽可能保持直立”的理想坐姿学说[2]，它强调多变换坐姿，使承载较大压力的身体部位得到适度休息，以减少不适感的出现[3-4]。根据人体在一定坐姿下的身体结构特点针对性地进行座椅研究，能够减少人的体力消耗和疲劳[5]。因此，进行典型办公坐姿疲劳研究是很有必要的。

以往的研究表明，过度频繁的运动可能是不适和不稳定的表现[2]，当腰痛产生时，坐姿宏观动作幅度变大，且频率加快[6]。实验表明体压变化变量或座椅上移动情况ICM(in-chair movements)的增加就意味着受试者运动更频繁，更大的ICM和增加的不适等级之间存在显著关联[7-8]。在坐姿疲劳研究方法上，Telfer等[9]采用加速度计检测受试者坐姿运动，并提议将坐姿运动情况作为坐姿不适的潜在指标；郭园等[10-11]利用Kinect运动捕捉系统分析小学生坐姿行为中身体关键指标变化。此外，肌电图(EMG)一直以来都是研究肌肉疲劳状态有效且可靠的工具[12]，利用坐姿前后中值频率(MF)或平均功率频率(MPF)的变化量可以分析出坐姿疲劳情况。尽管压力分布常被用于分析坐姿舒适度，或判断人体坐姿是否合理[3,13-14]，通过体压分布测量系统分析动态体压还可评价人的疲劳情况。确定不适最简单的方法就是测量受试者在给定坐姿上可持续的时间[15]。Wang等[16]通过让受试者在多种座面下持续坐姿30 min，检测躯干运动情况来衡量坐姿疲劳。Cascioli等[8]提出如果计算座椅上移动情况ICM，其坐姿时间最少应为18 min。

在办公坐姿分类的研究中，少有研究既从真实办公环境中获取人体行为姿势，又能通过客观的数据来对坐姿进行归类。因此，笔者通过对实际办公场所中44名不同部门和岗位的受试者进行录像观察，应用时间采样法对数据整理并对人体姿势编码，统计分析后归纳出6种典型办公坐姿，这6种坐姿是根据躯干角度及人体与家具之间的关系来分类的。人的坐姿是不断变动的，并非固定不变的。办公坐姿的采用及组合方式多种多样，坐姿持续的时间又有所不同，即使在保持同一种坐姿期间，也存在细微的动作调整，这种微动作是录像观察不能确定的，需要进一步测定。本研究利用表面肌电仪、体压分布测量系统等设备，通过30 min的持续坐姿测试来分析6种典型办公坐姿，旨在比较长时间坐姿的疲劳情况以及不同坐姿疲劳发生的部位，并检验通过体压分布测量设备检测坐姿疲劳的可靠性。

1 实验内容

1.1 实验环境

调整办公环境，将其设置为台式机工作站[17]，包含一台17英寸(约43.2 cm)显示器和外接鼠标、键盘(图1a)。实验用桌为高度可调的电动升降桌；办公椅可调节座深、座高、头枕高度及靠背高度，以适应多种人群。

1.2 实验对象

共有8名受试者参与本次实验，年龄(24.25±1.04)岁；男性4名，身高1.69～1.80 m；女性4名，身高1.57～1.69 m。受试者身体质量指数(BMI)值均在正常范围内(18.5～23.9)。

1.3 实验仪器

表面肌电仪采用美国Noraxon表面肌电仪，电极使用一次性银/氯化银凝胶电极(图1b)。上班族肩颈、腰背部的不适及患病情况相对较多[6]，因此选择竖脊肌和上斜方肌作为表面肌电的采集部位，以测量不同办公坐姿对肌肉疲劳的影响。体压检测设备应用美国SPI Tactilus座椅压力分布测试系统(图1c)。测试每种坐姿30 min持续记录，分析6种坐姿的静态体压分布及动态体压变化情况。在测试期间实验者全程通过录像机监督受试者保持坐姿。

a) 实验工作站；b) Noraxon表面肌电仪；c) SPI Tactilus体压分布测量系统。图1 实验环境设置Fig. 1 Experimental environment settings

1.4 坐姿要求

在实验前向受试者描述并演示坐姿的基本要求，如图2所示。

图2 6种典型办公坐姿示意图Fig. 2 Six typical office sitting positions

A：脊柱放松的前倾坐姿，座椅离桌面保持适当距离，坐在座面上的位置居中/靠前。

B：脊柱放松的前倾坐姿，座椅相对坐姿A离桌面更近，坐在座面上的位置靠后，腰部可以受到靠背的支撑。

C：脊柱相对A、B坐姿挺直，躯干前部紧靠在桌面前端，由桌面支撑部分身体质量，座椅离桌面较近，坐在座面上的位置比较靠前；

D：脊柱挺直的坐姿，坐在座面上的位置相对居中/靠前；

E：后仰坐姿，腰部和下背部靠在靠背上，上背部和肩部离开椅背，呈半靠状态；坐在座面上的位置相对靠后；

F：后仰坐姿，腰部、背部都靠在靠背上，头部根据自己的需要靠或不靠在头枕上；坐在座面上的位置相对靠后。

1.5 实验流程

1)信息收集：收集受试者年龄、身高、体质量等信息，通过抽签的方式确定坐姿顺序。

2)环境调整：对座椅高度进行调整，座高要求设置为膝腘高度，使得坐下时水平垂直腿姿势呈直角；桌高设置为受试者的坐姿肘高之上8 cm，以控制桌高对坐姿疲劳的影响；靠背高度、头枕高度、座深等根据受试者的习惯及喜好而定。

3)表面肌电仪安装：要求受试者身穿材质柔软的衣物，采用皮尺测量解剖点距离，选定电极点，用记号笔做好标记。酒精擦拭电极区域，刮去周围汗毛，以降低皮肤表面阻抗。在标记点位置粘贴一次性电极片，采用双电极法进行记录，参考电极选择在靠近记录电极的多骨区域。粘贴、固定完成后，通过规定的方法对所有电极进行信号检测。

4)测试要求介绍：在测试某坐姿期间，只可以采用该坐姿进行工作，并尽量保持坐姿状态不动，肘部搭放在桌面上，腿部姿势尽量保持垂直平放的姿势。办公姿势由实验者通过录像机全程监督。使用改编的Borg CR-10量表评估身体每个部位的主观不适程度(图3)[18]。

图3 Borg CR-10不适量表Fig. 3 Borg CR-10 Scale

5)坐姿实验：入座后填写第1份Borg量表，填写完毕后开始计时并记录体压变动，记录速度50帧/s，每种坐姿持续30 min。测试期间每隔10 min要求电脑填写1次Borg量表[7]，测试完成后对该坐姿的整体感受进行评价。每两种坐姿测试之间设置10 min的休息时间[16]，休息方式采用站立+伸展5 min的方式(经研究这是最有效的休息方式[12])。

1.6 数据的处理和分析

主观评价数据的处理由SPSS数理统计软件完成；表面肌电仪捕捉到的肌电信号以及持续坐姿期间的体压变动信息，采用MATLAB自主编程计算得出肌电频域指标和坐姿变动次数，并通过SPSS分析其与主观舒适度评价之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 主观评价

2.1.1 坐姿整体评价

坐姿整体评价采用7级量表，受试者的主观评价情况如图4所示。其中坐姿稳定感、放松感、短时/长时/坐感舒适度为正向评价指标，即评分越高，坐姿越稳定、越放松、舒适度越高；疲劳感为负向评价指标，得分越高，表示该坐姿越容易感到疲劳。

1)坐姿稳定感 E>F>A>C>B>D。由于B坐姿一部分人不能很好地接触到腰靠，实验中总是调整位置，因此感到稳定感不高；而D坐姿由于人保持直立坐姿较长时间，易感到疲劳，且没有任何支撑，所以感到坐姿不稳定。

2)坐姿舒适度短时间情况下E=F>A>B>C>D；长时间情况下坐姿舒适度E>F>B>A>C>D，可以看出长时间保持某一种坐姿的情况下，舒适度都会下降，应用靠背的坐姿E、F、B的舒适度要高于不应用靠背的坐姿。且舒适度后仰坐姿>前倾坐姿>直立坐姿。腰靠在长时间的办公中起了作用。

3)坐感舒适度E>F>A>B>C>D，与坐姿舒适度情况类似。

4)放松感F>E>A>B=C>D。

5)疲劳感D>C>B>A>E>F，从疲劳感和放松感评价中可看出，后仰坐姿E、F疲劳感弱，放松感强；前倾坐姿A、B疲劳感和放松感均居中；直立坐姿C、D疲劳感较强，放松感弱。

后仰坐姿E、F在多个方面的主观评价较高；直立坐姿D主观评分最低；而躯干前部有桌面支撑的直立/前倾坐姿C比起无支撑的坐姿D总体评分更高；前倾坐姿A和B评分均居中，且有腰靠支撑的坐姿B并不如无腰靠支撑的坐姿A评分高。

图4 办公坐姿主观评分情况Fig. 4 Subjective scoring of office sitting posture

2.1.2 坐姿不适情况

对30 min坐姿后的受试者提交的Borg CR-10量表数据进行分析后，得出不同坐姿身体各部位的不适评价情况(图5)。

图5 不同坐姿不同身体部位不适情况Fig. 5 Discomfort in different sitting positions

前倾坐姿A、B的不适感主要集中在肩颈、腰部和上背部，坐姿B上背部的不适比坐姿A更强，但由于B坐姿有腰靠支撑，因此腰部不适要略低于坐姿A；直立坐姿C、D的不适同样集中在肩颈、腰部和上背部，但整体不适程度要比前倾坐姿更强；后仰坐姿E和F的不适感主要集中在肩颈和臀部，这与后仰坐姿重心后移、头颈向前注视屏幕有很大关系。而坐姿E的不适感集中在躯干上部，这可能与半后靠状态下对上背部和肩颈的拉伸有关。

2.2 表面肌电

2.2.1 肌电频域指标和主观评价间的关系

在受试者每种坐姿前3 min和最后3 min的肌电数据中分别选择1 min的数据，数据要求相对平稳，以获取坐姿保持最初和最后的疲劳情况，与受试者的主观评价部分指标进行相关性分析，得出肌电频域指标与主观评价的相关性，结果见表1。

表1说明肌电频域指标与主观坐姿评价间存在相关性，尤其与竖脊肌肌电频域指标呈显著相关关系。即长时间坐姿舒适度、坐感舒适度越高，坐姿疲劳感越弱，则肌肉(尤其是竖脊肌)越不疲劳，MPF和MF值也越高。MPF和MF值由短时傅里叶变换得到，但由于傅里叶变换仅适用于平稳的非突变信号[19]，取样的1 min内可能受试者正在打字，因此对斜方肌的肌电会产生影响，所以相关性不明显。

表1 肌电频域指标与坐姿评价的相关性分析Table 1 Correlation analysis of EMG frequency domain index and sitting posture evaluation

2.2.2 肌电频域特征变化量

肌电频域特征变化量即坐姿后与坐姿前肌电频域各指标的差值。由于MPF、MF值越低，肌肉越疲劳[19], 因此当数值为正值时，则坐姿后的MPF/MF要高于坐姿前，说明疲劳减轻；当数值为负值时，坐姿后的MPF/MF低于坐姿前，即疲劳增加。办公坐姿肌电频域特征变化量测试结果见图6。

图6 办公坐姿肌电频域特征变化量Fig. 6 Frequency domain characteristic variation of EMG in office sitting postures

从图6中可看出，竖脊肌疲劳情况直立坐姿>前倾坐姿>后仰坐姿，后仰坐姿的疲劳情况最弱，直立坐姿D比C疲劳情况严重，坐姿A比B疲劳情况严重。说明有桌面支撑的直立坐姿和有靠背支撑腰部的前倾坐姿要比没有支撑的直立坐姿和前倾坐姿不易感到疲劳。

2.3 动态体压

2.3.1 动态体压变动规律

以常见的几种坐姿行为为例，对比不同办公坐姿行为给平均体压与最大体压带来的变动情况，分析动态体压变动规律，压力记录速度5帧/s。

1)入座静坐：入座后静坐5 min。平均压力、最大压力在坐姿稳定后波动极微，见图7a、b。

2)打字：先握住鼠标静止不动，第150帧开始键盘上双手持续打字至结束。从图7c、d中可以看出，当人处于打字状态时，平均压力和最大压力产生的数值发生波动，但依旧保持“动态平衡的状态”。而当人的行为从鼠标操作切换到键盘操作时，最大压力会产生一些波动，平均压力的波动不显著。

3)转换腿姿势：每隔100帧变换一次腿姿势，以平放—伸直—一前一后—双腿收回—翘腿坐—平放的顺序进行变换。由于在测试座面压力时，臀、腿是与座面直接接触的身体部位，因此腿部姿势改变时，座面压力就会产生较大改变，见图7e、f。

4)坐姿调整：每隔100帧进行一次坐姿调整，由静坐开始，以不离开座面滑动身体—晃动座面—移动脚轮—重心偏向一侧—重心回到中位—抬起身体调整为顺序进行测试。可以发现每一种坐姿调整都会给最大压力和平均压力带来较大的波动，见图7g、h。

当发生行为转变时，如入座、离开、转换腿姿势、坐姿调整，平均压力和最大压力都会产生变动，平均压力都会产生局部范围内的波谷，而最大压力产生波峰/波谷会因行为不同而有所不同。通过对比发现，最大压力类似于键盘鼠标操作的转变往往也会显示出来，相比平均压力过于敏感。因此平均压力更适合作为行为转变的判断依据。

图7 不同坐姿行为体压变化规律Fig. 7 Changes of body pressure in different sittings

由于坐姿变动后可能伴随着调整不到位而带来的二次调整，因此在MATLAB中编程设定每个波谷之间的最小距离为5 s，即当5 s内发生多次压力变动情况时，只认定发生一次压力变动。设定突出值为座面平均压力的5%[7-8]，即当压力变动超过座面平均压力的5%时，认定为姿势发生变动。

2.3.2 坐姿变换次数与坐姿评价相关性分析

对个人坐姿变动次数归一化处理，以消除个体间坐姿保持能力差异的影响，并进行斯皮尔曼相关性分析(表2)。

表2 坐姿变换次数与坐姿评价相关性分析Table 2 Analysis of the correlation between the number of sitting changes and evaluation

由表2可以看出，体压变动次数和坐姿稳定感、短时间舒适度、长时间舒适度等坐姿评价指标呈现显著负相关关系，与疲劳感呈显著正相关关系，即坐姿变换次数越多，坐姿稳定感、放松感、舒适度越差，疲劳感越强。因此可以通过体压变动情况判断坐姿不适情况。

2.3.3 体压变动次数

不同坐姿的平均体压变动次数见图8，可发现坐姿A、B、E和F平均体压变动次数相对较少，坐姿C、D平均体压变动次数相对较多。除3号受试者选择的最不适坐姿为F外，其他受试者认为最不适的坐姿均为坐姿C或D。所有受试者选择的最适坐姿均是有靠背的B/E/F坐姿。通过对比最舒适坐姿和最不适坐姿的体压变动次数，得到结果如表3所示。

图8 坐姿平均体压变动次数Fig. 8 Number of changes in average body pressure in sitting postures

表3 8名受试者最适坐姿和最不适坐姿体压变动次数Table 3 The number of body pressure changes in the most suitable and most uncomfortable sitting positions

从最适坐姿和最不适坐姿的体压变动次数对比情况来看，令人感到不舒适的坐姿有以下几种特点：

1)随时间增加出现变动次数显著增加的情况(如1，2，4，6，7，8号受试者)；

2)变动次数相对于其他坐姿(舒适坐姿)一直都很多(如3，5号受试者)。

由此可以推测，长时间维持某一坐姿会给身体一些部位带来不适，促使人们对坐姿进行调整，从而造成体压变动情况的发生；而当采用的坐姿并不舒服时，人们也更倾向于调整自己的坐姿使其更加舒适。因此，将体压变动次数作为评价坐姿不适的指标是可行的。

2.4 坐姿疲劳和舒适性结果分析

综合主观评价、表面肌电和动态体压分析的结果，可得出坐姿的舒适度评价：后仰坐姿>前倾坐姿>直立坐姿。

前倾坐姿A和B：平均体压变动次数接近，坐姿B有了腰靠的支撑，竖脊肌的疲劳程度得到缓解(竖脊肌MPFB>MPFA、MFB>MFA)，腰部的不适感有所下降。但由于该前倾坐姿要求靠到腰靠，则坐在座面上的位置会变得相对靠后，从而造成前倾角度更大、与座面接触面积更大，因此上肢和下肢的不适感相对于坐姿A更强烈。

直立坐姿C和D：平均体压变动次数相对最多，坐姿D整体不适感和C坐姿相似，但下肢部位(臀部、大腿、膝盖、小腿)的不适感比C坐姿更强，这可能与C坐姿在座面上的位置更加靠前，座面对下肢压力相对较小相关。竖脊肌MPFC>MPFD，即腰部的疲劳程度C坐姿小于D坐姿。

后仰坐姿E和F：平均体压变动次数相对较少。两种后仰坐姿的不适感基本来自肩颈和臀部，这是因为采用后仰坐姿时注视电脑屏幕，头颈就需要向前弯曲一定角度，而操作键盘和鼠标会使得手臂前伸，从而拉伸到肩膀，引起肩膀的不适发生。由于头颈的不适感较强，也有受试者认为坐姿F是最不舒服的坐姿。坐姿E因为上背部、肩颈离开靠背前伸，从而使这些部位产生比F更强的不适感。此外，后仰坐姿时人的重心也相对后移集中在臀部，因此，也会给臀部带来压迫，增强臀部不适感。

3 结 论

利用动态体压和表面肌电，结合人的主观舒适度评价，对6种典型办公坐姿进行了疲劳和舒适性研究。坐姿舒适度评价结果：后仰坐姿>前倾坐姿>直立坐姿，其中身体部位得到支撑坐姿要比无支撑的坐姿长时间舒适度高，且不易感到疲劳。前倾、直立坐姿的不适感主要来自肩颈和腰部，而后仰坐姿的不适感主要来自颈部、臀部和大腿。人的主观评价有时候会放大某种坐姿存在的问题，从而会因为某一部位的不适而否定整个坐姿。不同坐姿对人身体不同部位有着不同的影响，更加证明了没有完美的坐姿，应当多变换坐姿以平衡每一种坐姿的优缺点，减少不适感的出现，从而达到高效、健康的工作状态。

本研究验证了动态体压与主观评价间的相关性，体压变动虽然不能像肌电仪一样精确检测肌肉的疲劳，但可作为总体疲劳的量化依据。在办公椅上应用体压分布测量要比表面肌电仪更加方便，因此未来可考虑利用座垫动态体压来智能检测人的办公疲劳状况。今后的研究还可通过动态体压向久坐办公方面开展。