前臂和腕部支撑对打字时相关肌肉活动及舒适性的影响

刘志平

摘 要：为探讨有无前臂和腕部支撑及支撑高度对打字时相关肌肉活动及舒适性的影响，选取10名在校大学生为受试者，分别在前臂支撑（无支撑、前臂高度0 cm，1 cm）和腕部支撑（无支撑、腕部高度0 cm，1 cm）9种情形下进行打字，利用表面肌电记录系统采集受试者右侧肱二头肌、指伸肌和斜方肌（中部）的平均肌电值（AEMG），采用主观舒适性量表对受试者肩部、前臂及手部在上述情形下的主观舒适性进行评价。双因素方差分析结果表明，前臂支撑对肱二头肌（F=3.368，P=0.039）和斜方肌（F=12.367，P=0.000）AEMG有显著影响，腕部支撑对各检测肌肉AEMG无显著影响，两者不存在交互作用；前臂支撑和腕部支撑对各评价部位的主观舒适性得分均有显著影响，两者对肩部和前臂还存在交互作用。多重比较发现，前臂无支撑时肱二头肌和斜方肌AEMG均高于有支撑；前臂有支撑时各评价部位的主观舒适性得分均显著高于无支撑，腕部支撑只在腕部高度1 cm时才表现出差异。前臂有无支撑可以改变打字时相关肌肉的平均肌电水平，其原因可能与前臂支撑的有无改变了神经肌肉运动控制模式有关；前臂支撑对打字时主观舒适性的提高效果优于腕部支撑，且肩部主观舒适性的改善效果优于其他部位。

关键词：肌肉活动；主观舒适性；前臂和腕部支撑；打字

中圖分类号：R 496 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2018）06-0699-06

0 引 言

长时间坐姿状态下使用计算机工作的办公人群，在进行日常键盘与鼠标操作时，往往会出现上肢肌肉骨骼系统不适或疼痛症状[1]，颈部和上肢等身体部位的风险更高[2]。因此应该改善工作姿势、降低静态肌肉活动，使颈肩等上肢部位肌肉得到休息[3]。研究发现，为上肢部位增加支撑可有效减少肌肉用力，减轻办公作业时的肌肉负荷[4]。前臂支撑或肘部支撑可能是一种简单有效的预防措施，采用座椅扶手为肘部提供支撑，办公桌面为前臂提供支撑[5]，同时保持肩部中正姿势[6-7]。腕部支撑或手掌部支撑是另一种上肢部位的支撑方式，同时保持腕部中正姿势[8]。肘部支撑可以有效降低双侧斜方肌的最大自主收缩（maximum voluntary contraction，MVC）百分比[9]，上肢部位支撑还可以有效降低主观不舒适性，减轻颈肩及上肢部位疼痛[10-11]。有研究者通过对不同高度的腕部支撑进行实验，发现适当高度的腕部支撑有助于缓解疲劳[12]。有研究发现办公作业过程中，肘部支撑高度在与坐姿肘高相同时的颈肩部肌肉活动最小，而高于坐姿肘高时甚至会出现肌肉活动大于无支撑时的现象[13]，但肘部支撑高度低于坐姿肘高时，颈肩部位的不同肌肉活动却又表现出不一致的变化趋势[5]。上述研究表明，一方面肘部支撑对打字作业时颈肩部相关肌肉活动的影响作用存在不确定性，另一方面上述研究大多只单独考虑前臂支撑或腕部支撑时的肌肉活动情况，没有将上述两种支撑形式结合起来分析，也未见不同高度的前臂支撑对相关肌肉活动的影响。因此，基于上述研究基础，本研究选取10名在校大学生为受试者，探讨前臂和腕部支撑对打字时相关肌肉活动及舒适性的影响，旨在为使用计算机的办公人群减轻相关肌肉骨骼损伤提供理论依据，为人—机—工作环境提供优化设计指导方案和建议。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取10例男性在校大学生，年龄21～25岁，平均年龄（23±0.5）岁，平均身高（171±0.3）cm，均为右利手，排除颈肩腰腿痛及其他肌肉骨骼系统疾病，受试者实验前24 h内均未从事剧烈运动。

1.2 研究方法本研究采用双因素被试内实验设计，以桌面水平面为基准，按前臂、腕部与桌面的垂直高度依次分为0 cm，1 cm及无支撑3种支撑状况，受试者在9种情形下完成打字作业。其中，0 cm表示前臂或腕部直接支撑在桌面上，1 cm表示前臂或腕部通过厚度1 cm的支撑垫支撑在桌面上，无支撑表示无前臂或腕部支撑，即受试者前臂或腕部处于悬空状态。研究采用座高可调的办公座椅和联想ThinkVision L1953（19寸）计算机显示器，保证在前臂和腕部均无支撑的状态时受试者前臂与上臂的夹角均为90°，调节计算机显示器的高度，使操作者可平视显示器的中心，调节显示器距离受试者眼部的距离，使眼睛距离屏幕70 cm.受试者具体作业状态如图1和图2所示。

为保证实验过程中的双因素条件不受影响，实验开始前，受试者需先进行5 min的准备活动，并熟悉实验流程和实验过程中的注意事项。在上述9种情形下，所有受试者均需对同一篇英文进行相同时间的打字练习5 min，打字时间确定的依据参照以往相关研究[13]，在受试者对打字内容初步熟悉后方可正式开始实验。实验前，受试者静坐5 min，期间由主试人员放置表面肌电图电极，放置完成后，由主试人员先采集肌电信号5 min，测试完成并确保成功后，在听到“开始”指令后，受试者按照打字软件的要求打字，每种支撑情形下打字5 min，之后休息5 min，休息期间停止采集肌电信号，由主试人员更换支撑垫调整支撑高度，并确认肌电图电极的连接状态。受试者在9种不同情形下，按照上述实验步骤打字9次后，实验结束。

1.3 检测方法

1.3.1 平均肌电值（average electromyography，AEMG）

采用国产BioForcen JE-TB0820型八通道、双极表面肌电图仪采集受试者在打字过程中右侧肱二头肌、指伸肌和斜方肌（中部）3块肌肉的表面肌电信号，分别在上述3块肌肉处皮肤表面放置表面肌电图电极（在贴一次性电极片前，使用75%左右酒精清洁皮肤，去除角质，确保皮肤阻抗在一定范围内；电极贴放在肌腹处，需与肌纤维行走方向呈平行放置，电极间距为2 cm，做双极导出参考电极放置在不参加测试运动的肌肉的肌腱处）。表面肌电图采样频率为1 000 Hz，共模抑制比（common-mode rejection ratio，CMRR）>130 dB，总增益为1 000，噪声<1 V，信号经A/D转换（12 bit）后存入表面肌电图仪内存中，待每一位受试者实验结束后导入计算机处理，使用表面肌电图仪自带分析软件导出计算后的AEMG作为反映肌肉活动强度的指标。

1.3.2 主观舒适性

采用主观舒适性量表（见附表）的形式对受试者进行调查，每种前臂和腕部支撑情形的实验结束后立即让受试者评价肩部、前臂及手部的主观舒适性。量表采用5个等级的分数表示舒适性分级，5分表示很舒适、4分表示舒适、3分表示一般、2分表示不舒适、1分表示极不舒适。量表中，对实验设定的9种支撑情形进行编号，随机安排每位受试者选择打字操作时9种支撑情形的实验顺序。

1.4 统计学分析采用SPSS 18.0版统计学软件包进行数据处理，采用基准比较的无量纲方法[14]，以实验取得的前臂和腕部均无支撑的情形时各肌肉的AEMG值为基准对实验数据进行标准化处理，将其他8种支撑情形下的AEMG值与之比较，得出AEMG的标准化值。采用双因素方差分析考察有无前臂和腕部支撑及支撑高度对各肌肉标准化AEMG值及各部位主观舒适性的影响。采用最小差异显著法（least significant difference，LSD）和Tamhanes T2法进行均值多重比较，分析前臂支撑不同水平之间和腕部支撑不同水平之间的差异。

2 结果

2.1 前臂支撑和腕部支撑对打字时上肢相关肌肉标准化AEMG值的影响

前臂支撑和腕部支撑对右侧肱二头肌、指伸肌和斜方肌3块肌肉标准化AEMG值的影响详见表1.双因素方差分析表明，前臂支撑对肱二头肌（F=3.368，P=0.039）和斜方肌（F=12.367，P=0.000）的标准化AEMG值有显著影响，腕部支撑对各检测肌肉标准化AEMG值无显著影响，两者不存在交互作用（表2）。多重比较发现，前臂无支撑时肱二头肌标准化AEMG值高于前臂有支撑（P<0.05）、斜方肌标准化AEMG值则显著高于前臂有支撑（P<0.01），前臂高度0 cm和1 cm之间则无显著差异。

2.2 前臂支撑和腕部支撑对受试者主观舒适性的影响

前臂支撑和腕部支撑对受试者肩部、前臂及手部的主观舒适性得分的影响如图3所示。双因素方差分析表明，前臂支撑对肩部（F=18.605，P=0.000）、前臂（F=11.873，P=0.000）及手部（F=9.162，P=0.000）的主观舒适性得分均有显著影响，腕部支撑对肩部（F=3.451，P=0.036）、前臂（F=14.262，P=0.000）及手部（F=13.047，P=0.000）的主观舒适性得分均有显著影响，两者对肩部（F=5.905，P=0.000）和前臂（F=4.967，P=0.001）还存在交互作用（表3）。多重比较发现，前臂有支撑时，受试者肩部、前臂和手部主观舒适性得分均显著高于前臂无支撑（P<0.01），前臂高度1 cm时的肩部主观舒适性得分高于前臂高度0 cm（P<0.05）；腕部高度1 cm时的肩部主观舒适性得分高于腕部无支撑（P<0.05），前臂和手部主观舒适性得分则显著高于腕部无支撑和腕部高度0 cm（P<0.01）。

3 讨 论

本研究目的在于探讨有无前臂和腕部支撑及支撑高度对打字时上肢相关肌肉活动和不同部位主观舒适性的影响。研究发现在同一腕部支撑条件下，前臂支撑对斜方肌和肱二头肌肌肉活动有显著影响，且能够显著减小斜方肌和肱二头肌肌肉活动，对指伸肌肌肉活动无显著影响，这与既往研究结论一致；而在同一前臂支撑条件下，腕部支撑对相关肌肉活动均无显著影响。以上研究结果有力证明了“添加支撑界面可显著减少前臂肌肉与斜方肌肌电活动”的学术观点[4]，但不同支撑界面之间存在显著差异，添加前臂支撑可实现上述目标，而添加腕部支撑则没有达到减少肌肉活动的目的。本研究结果并未显示出前臂和腕部支撑对指伸肌肌肉活动有显著影响，可能因为在本研究设计的实验条件下进行电脑操作的键盘打字活动的时间过短，未从打字时间维度上表现其差异性。既往研究未见不同高度的前臂支撑对上肢部位相关肌肉活动的影响，针对肘部支撑高度影响的研究发现，当肘部支撑高度大于桌面高度时，肌肉活动出现增加迹象，推测其原因可能是因为当支撑高度过高时，上肢处于异常的弯曲状态，导致相应肌肉疲劳[5，13]。本研究发现当前臂高度0cm和1cm时，肌肉活动并无显著差异，本研究并未进行多组前臂高度的比较实验，具体前臂支撑高度上限及其是否会导致相关肌肉活动的增加目前尚不得知。前臂支撑情形下手臂的重量得到最大限度的支持，但不适当的支撑高度可能会导致更高的肌肉活动，甚至增加颈肩酸痛症状的风险[15]。合适的前臂支撑高度与肌肉活动之间是否存在真正的因果關系，值得进一步研究。有研究表明，利用前臂支撑和带有扶手的办公座椅可降低计算机工作人员长时间作业时的不舒适感[10]，前臂和腕部支撑时颈肩部位的不舒适感低于无支撑时的不舒适感，而前臂与腕部支撑之间，颈肩部位的不舒适感更低[11]。本研究表明适当的前臂支撑和腕部支撑可以提高受试者肩部、前臂和手部的主观舒适性感受。在本研究范围内，受试者的主观舒适性感受随着前臂支撑高度和腕部支撑高度的增加有所升高，不同支撑界面和支撑高度之间存在显著差异。本研究还证明了前臂有支撑时相关肌肉活动减小，同时给受试者带来了较高的舒适性，从上肢不同部位的主观舒适性感受得分来看，肩部主观舒适性的改善效果优于其他部位。目前，有关前臂支撑和腕部支撑对电脑操作时上肢相关肌肉活动的影响作用尚存在争议，影响机制尚未完全阐明。前臂支撑和腕部支撑对上肢不同部位肌肉活动的作用并不一致，有研究发现，前臂支撑对前臂肌肉活动没有显著影响，但腕部支撑却使斜方肌与前三角肌的肌肉活动显著降低[6]；大量研究发现，前臂支撑可有效降低上肢肌肉活动，不同部位和支撑类型的影响作用还存在差异。前臂支撑可有效减小双侧指浅屈肌、指伸肌和上斜方肌等上肢肌肉活动[16]，本研究结果在指伸肌肌肉活动上的表现并不一致。一项连续6年的干预研究发现，前臂和腕部支撑减轻了静态斜方肌的负荷，前臂支撑相对于腕部支撑可更好的减少肩部酸痛发生率，原因可能是上臂重量及稳定性决定了肩部肌肉负荷，前臂支撑时的斜方肌活动相对减少，不易疲劳[4]。在电脑操作打字作业中，前臂需固定的支点来提供支撑，否则上肢肌肉就需要通过共收缩方式维持关节的稳定状态，增大肌肉活动，相关肌肉长时间的等长收缩状态会对神经控制产生不良影响，从而发展成为各种骨骼肌肉损伤或重复性劳损[5]。另外从主观舒适性指标上来看，有适当的前臂支撑和腕部支撑高度也有利于提升上肢相关部位的主观舒适性感受。本研究还存在实验设计与控制方面的不足。实验研究的受试者的样本量偏小，未考虑性别差异；每一次试验过程中受试者连续打字的时间和打字后的休息时间过短，无法观察出因长时间打字操作引起的肌肉疲劳效应与主观不舒适性感受，同时保证受试者享有足够的休息；自变量指标中的支撑高度仅设置了两个水平，分组数量少，无法进一步探索前臂支撑和腕部支撑高度对上肢相关肌肉活动影响的上下限；实验任务仅仅考虑到键盘操作，尚未对电脑操作过程中频繁的鼠标操作和便携式办公需求形成的平板电脑、台式电脑交叉使用的新型办公作业过程中上肢相关肌肉活动及激活模式进行研究。不同办公环境条件下长时间的办公操作将作为本研究今后进一步研究的补充。

4 结 语

综上所述，本研究探讨了有无前臂和腕部支撑及支撑高度对电脑打字操作时上肢相关肌肉活动及主观舒适性的影响。研究结果发现，前臂支撑可引起斜方肌和肱二头肌的标准化AEMG值发生变化，但腕部支撑则无显著影响；同时前臂支撑和腕部支撑也会引起受试者肩部、前臂和手部主观舒适性的变化，其原因可能与打字姿势和神经肌肉运动控制模式发生改变有关，具体机制尚需进一步实验研究。前臂支撑对打字时主观舒适性的提高效果优于腕部支撑，且肩部主观舒适性的改善效果优于其他部位。因此，本研究结果可以为设计办公电脑操作作业环境，电脑工作站等与电脑相关的作业提供理论依据，提示应对作业者的前臂支撑、腕部支撑及支撑高度、作业姿势以及办公桌椅的高度进行综合考虑，以达到最佳的人因工效学设计方案。