空气呼吸器对志愿消防员肌肉疲劳的影响研究

郭旭阳, 王 洁, 罗 玲, 欧阳立昕, 赵 赛

(1.首都经济贸易大学管理工程学院,北京 100070;2.中国标准化研究院人类工效学实验室,北京 100191;3.国家市场监管重点实验室(人因工效学),北京 100820)

0 引言

近年来,随着微型消防站的建设,越来越多的非专业人员加入消防志愿者队伍,形成了志愿消防员群体。相对于职业消防员,志愿消防员因为缺乏长期高强度锻炼及专业的训练,在肌肉强度及体能上处于劣势。因此,研究训练强度及实战最长持续时间对非专业志愿消防员的影响具有重要意义。从以往的试验中可知,正压式空气呼吸器是志愿消防员负荷的主要来源,会增加志愿消防员的生理压力,降低工作能力,增加工伤风险[1]。此外,志愿消防员的工作特点决定他们极易处于疲劳状态,长期处于疲劳状态会增加骨骼肌、心血管等疾病和发生事故的风险[2]。

目前已有一些关于志愿消防员肌肉疲劳的研究,例如,Drewson等[3]招募30名志愿消防员进行调研,发现疲劳感在消防工作中尤其难控制;Oka等[4]通过分析心电图信息,实时监控消防人员的疲劳状态,减少因注意力涣散而造成的不安全行为,从而更好地进行职业安全管理;Bakri等[5]研究正压式空气呼吸器对生理和主观反应的影响,发现呼吸器不仅会导致消防员肌肉疲劳,还会显著影响消防员的耗氧量和代谢率;正压式空气呼吸器除了加大志愿消防员的负荷,还会使消防员的平衡能力受到影响,增加志愿消防员摔倒的风险[6];毛睿成等[7]利用4种救援装备对受试消防员进行压强试验,结合主观疲劳感,可知肩部压力是疲劳感的主要影响因素。

综上所述,目前虽有以志愿消防员为对象的肌肉疲劳研究,但多数是通过主观评价量表的研究,客观的疲劳数据较少。基于此,本文旨在通过分析志愿消防员背负正压式呼吸器状态下的表面肌电信号(surface electromyography signal,sEMG)、压强数据及其主观感受评分,研究背负正压式呼吸器对志愿消防员肌肉疲劳的影响,为减少志愿消防员肌肉疲劳、促进职业健康提供参考。

1 试验设计

1.1 试验被试

试验招募的被试为中国标准化研究院昌平试验基地志愿消防员,共测试60人次。被试平均年龄、身高、体重分别为:(22.6±1.82)岁、(176.2±7.22)cm、(72.8±10.27)kg。所有被试无神经损伤,半年内无运动性损伤,试验前24h未剧烈运动,在充分了解试验方案后自愿参加试验,能够在试验人员指导下独立完成试验,且测试前充分热身。

1.2 试验仪器设备

(1)表面肌电信号采集设备。选用美国Noraxon公司的Ultium EMG无线表面肌电仪对sEMG信号进行采集,16导Ultium-DASH无线接收器接收并同步处理采集得到的数据。实验耗材包括表面肌电电极片、75%医用酒精棉球、医用磨砂膏。磨砂膏及酒精棉球用于降低皮肤电阻,保证肌电信号采集。

(2)体压测量设备。选用德国NOVEL公司的多点压力分布测量系统pliance xf-32,进行压强的测量。

(3)跑台。选用德国H/P/COSMOS公司的运动跑台mercury及悬挂式安全保护支架,用于被试运动及安全防护。

(4)温湿度计。使用德图608-H1式室内温湿度计,用于测量实验室内温湿度。

1.3 试验方案

本试验在温度为26℃,湿度为60%的室内进行。试验分为2部分:肌肉疲劳测试、背负呼吸器体压测试。其中,肌肉疲劳测试包括:徒手奔跑肌肉疲劳测试、背负呼吸器奔跑肌肉疲劳测试。

(1)准备阶段。对被试待测肌肉表面皮肤进行消毒、剃毛、磨砂处理后,固定电极和传感器,如图1。

图1 电极与传感器的贴放位置Fig.1 Schematic diagram of the placement position of electrodes and sensors

(2)肌肉疲劳测试。设置跑台初始速度为4km/h,被试行走60s后,每2s提高0.1km/h,直至8km/h,此后每1s提高0.1km/h,直至10km/h,被试以此速度奔跑420s。在运动开始前采集20s的sEMG数据。在跑台速度到达10km/h时,开始采集sEMG数据,每60s采集一次sEMG数据,每次采集时长为20s,间隔时间为40s;每60s进行一次主观疲劳评价,评价量表,见表1。

表1 主观疲劳评价量表Tab.1 Subjective fatigue assessment scale

(3)背负呼吸器体压测试。根据预试验结果,选择被试的左右斜方肌、左右竖脊肌作为压强的测量点。被试在实验人员的辅助下背负正压式空气呼吸器,调节背带至合适长度,并在被试的左右肩部、左右腰部放置压力传感器,对应肌群为斜方肌和竖脊肌。接着被试保持站立姿态,维持10s后实验人员开始采集数据,采集时长10s。被试在跑台上以4km/h的速度开始行走,10s后采集数据,采集时长10s,以每秒提高0.1km/h的加速度提速至10km/h,奔跑10s后采集数据,采集时长为10s。每位被试每种姿态数据采集3次,取平均值作为最终值。

为防止试验对被试造成疲劳累积,每次试验间隔时间至少为24h,且被试的徒手、背负测试均在每天的同一时间段进行。若被试奔跑速度无法维持10km/h则提前结束测试。

1.4 数据收集整理

(1)sEMG数据。本试验共记录60人次6组肌群的sEMG数据,对数据进行降噪、整流、滤波、平滑和标准化等处理后,选用频域特征分析中的中值频率MF作为特征参数。方案设计为被试以10km/h速度奔跑7min,在实际测试中,鲜有被试能够背负正压式空气呼吸器维持10km/h奔跑7min。因此根据实际情况,取被试以10km/h奔跑的0、1、2、3、4、5、6min共7个时间段的MF值进行分析。为消除个体肌电信号的差异性,对所有被试的相同时间段MF求平均值。

由于测量误差和个体差异等诸多原因,使用表面肌电法测量人体肌肉的MF标准差应在±30范围内[8]。本试验所得数据标准差介于0.01～20.47,属于可接受波动范围。

(2)主观疲劳评分数据。本试验共收集60人次的12个时刻主观疲劳评分数据,将所有被试在徒手与负重状态下各时刻主观评分,分别取平均值,得到本次试验的主观疲劳评分统计数据。

(3)体压数据。本实验共记录60人次2组肌群的压强数据,对采集的体压数据进行汇总处理,将数据中明显异常值剔除。对剩下所有被试的不同姿态不同肌群压强数据分别取平均数和峰值,得到被试背负正压式空气呼吸器站立、行走与奔跑时斜方肌和竖脊肌处的平均压强与峰值压强。

2 试验结果

2.1 sEMG数据分析结果

将得到的各肌肉的MF绘制成点状图,并进行非线性拟合,因篇幅限制,本文给出最具代表性的斜方肌和股二头肌2处肌群的拟合图,如图2。

(a)斜方肌

(b)股二头肌图2 MF的拟合曲线Fig.2 The fitting curve of MF

左斜方肌徒手状态下MF拟合曲线先上升,2min后下降,并在5min后重新上升;负重状态下曲线在3min前较为平缓,之后呈下降趋势,且下降斜率不断增大。右斜方肌徒手时MF拟合曲线先下降再上升,且上升斜率不断减小;负重时先上升后下降,拐点均出现在2min处。这代表负重使两侧斜方肌在达到10km/h前已进入疲劳状态,并随时间发展疲劳不断加重,徒手状态下两侧斜方肌在2min左右出现疲劳。负重状态下,右斜方肌比左斜方肌更易疲劳。

左股二头肌在2种状态下的拟合曲线都呈现先降后升复又降的趋势,且负重时的升降幅度更大,拐点出现的更早。右股二头肌徒手状态下先下降后上升,拐点出现在2～3min,负重时则是先降,2min时开始平缓上升后复降。负重状态左右股二头肌疲劳程度相对于徒手状态更重。负重状态下左右股二头肌的肌电中值频率变化趋势相似,右股二头肌的曲线相较左侧更平缓,表明负重使左股二头肌更易疲劳。

对于试验的其他肌群而言,负重状态下左竖脊肌及右腓肠肌在速度达到10km/h时已进入疲劳状态,右竖脊肌及左腓肠肌在运动3min后开始疲劳,且随时间推移疲劳程度逐渐加重,表明左竖脊肌及右腓肠肌更易于疲劳;左右股直肌则在10km/h运动2min后出现疲劳,左右胫骨前肌在速度达到10km/h时逐渐进入疲劳状态,负重对左右股直肌及胫骨前肌的疲劳影响较为相似。相对于徒手状态,负重对于肌肉疲劳有明显加重的效果,进入疲劳状态的时间均早于徒手状态,且疲劳会积累至更深程度。同时,在负重状态下保持高速运动5min后,各肌群MF值均呈现更快的下降趋势,说明已进入较深程度的疲劳状态。

2.2 主观评分分析

得到的主观疲劳评分统计数据,见表3。因本试验主要研究空气呼吸器对被试肌肉疲劳的影响,故对归一化后的负重状态MF和主观疲劳评分进行斯皮尔曼相关性检验,见表4。负重情况下,左竖脊肌、左右腓肠肌、右胫骨前肌的MF和主观疲劳评分的相关性均大于0.8,相关性高于其他肌群,即负重对被试这几组肌群的主观疲劳感受有较大的影响;相关性系数均为负值说明MF与主观疲劳评分呈负相关关系,即随着MF值的下降,被试的主观疲劳感受在不断加深。

表3 主观疲劳评分统计Tab.3 Statistical Table of Subjective Fatigue Scores

表4 斯皮尔曼相关性系数Tab.4 Spearman correlation coefficient

从主观疲劳评分统计看,被试在负重奔跑4min后评分大于5,表示被试此时进入主观疲劳状态。从被试主观感受来看,96.6%的被试表示,负重测试结束后小腿有明显酸胀感,肩部、背部与腰部肌肉的疼痛感也加剧了疲劳感;65%的被试表示,休息使小腿的酸胀感得到缓解,然而肩部的疼痛感依然存在;41.6%的被试反映,负重测试次日自身肩部的疼痛感加重。

2.3 体压数据分析结果

被试背负呼吸器站立、行走与奔跑时斜方肌和竖脊肌的平均压强与峰值压强,如图3。

(a)平均

(b)峰值图3 不同状态下压强差异Fig.3 Average pressure under different states

从图3可以看出,当被试行走时,呼吸器对竖脊肌产生的平均压强高于斜方肌,而奔跑时相反,斜方肌承受更高压强。因为在运动中呼吸器无法与人体背部完全贴紧,当被试背负呼吸器奔跑时,呼吸器会对肩部和腰部产生间歇性压力,这也是平均压强和峰值压强出现较大差异的原因。

3 讨论

(1)曲线拟合相较于线性拟合而言具有更强的拟合能力,能够更准确地表现出MF与时间之间的关系。以往类似研究中在描述MF变化时大多采用线性回归的方法,但由于本试验数据原因,曲线回归拟合效果更好,故选用曲线回归。

(2)对于被试进入疲劳状态的时间节点而言,主观疲劳评分表明在高速运动4min后已处于主观疲劳状态,而MF得出其后5min才进入较深程度的疲劳状态。由于主观感受存在一定偏差,此处认为高速运动5min进入较深疲劳状态更具参考价值。

4 结论

(1)相比志愿消防员徒手奔跑,在背负空气呼吸器奔跑时大部分测试肌肉更快进入疲劳,并且随时间变化疲劳程度不断加深。同位不同侧肌肉的疲劳特性存在差异,对于斜方肌群、腓肠肌群,右侧比左侧更易感到疲劳;而对于竖脊肌群、股二头肌则相反。同时,两侧股直肌及胫骨前肌的疲劳差异较小。背负空气呼吸器对志愿消防员两侧股二头肌、腓肠肌与胫骨前肌的影响最大,给肩部和腰部带来较高压力,使肌肉出现疼痛感。

(2)志愿消防员背负空气呼吸器运动时,左竖脊肌、左右腓肠肌与右胫骨前肌的疲劳与主观疲劳感受相关性密切。志愿消防员在高速运动5min后进入较深疲劳状态,此时肌肉疲劳很难在短时间内得到恢复,若仍继续运动,处于肌肉疼痛、运动极其吃力的状态。

(3)本次试验招募被试年龄范围小于实际志愿消防员,且仅从徒手与负重2种状态对比志愿消防员的肌肉疲劳特性,未从不同运动速度和不同运动形式等方面,分析不同工作强度下志愿消防员背负呼吸器的疲劳情况,在未来的研究中可以多招募其他年龄段被试,并尝试其他运动形式,模拟更多样的工作强度。