基于EMG的重复作业人员上肢肌肉疲劳的安全状态研究

(1.华北科技学院研究生院 北京 101601；2.国家安全生产监督管理总局培训中心 北京 100012)

引言

近几十年来，与职业有关的慢性肌肉骨骼疾患问题日趋突出，其影响到半数以上的职业人群。国外报道该病在职业性疾病的发生中占第二位，仅次于职业性皮肤病。尤其是重复作业，大部分工作需要作业人员手动完成。人员机体疲劳时会出现注意力不集中、反应速度变慢、思维迟缓、判断力下降及操作失误率增高等情况，因此人在疲劳状态下，更容易发生不安全行为。国内研究报道，我国重复作业人员的职业性慢性肌肉骨骼疾患率达到64%。肌肉疲劳的严重危害已经逐渐引起了很多国家政府和卫生研究机构的普遍关注。因此，如何识别并评价各种危险因素对疾病和失能的独立或联合作用,是安全管理工作者的重要任务。

一、测定技术

EMG信号是通过表面电极引导的神经肌肉系统活动时的一维生物电时间序列信号，是中枢神经系统(CNS)的运动控制信息与影响外周肌肉生物电活动的各种理化因素共同作用的结果。利用EMG记录、研究肌肉疲劳，是劳动生理学中常用的方法。它作为一种简单、可定量、无创伤的研究方法，可以研究局部肌肉疲劳过程中的变化特征，可以遥测重复作业工人在不同劳动强度负荷下肌电的早期改变，可以更实际地反映出肌肉的工作能力和疲劳程度，其得到的资料更符合受试者当时的生理状态。

二、表面肌电实验

(一)实验对象

受试人员为身体健康的7名男性和3名女性大学生志愿者，实验前2周无激烈体力活动和肌肉损伤。经示范，他们在了解了实验目的和操作要领后，在知情同意书签字，完成全部测试动作。受试者的年龄、身高、体重等人体测量数据的测量数据见表1，测定方法见表2。

表1 受试者人体测量数据

表2 人体测量位点的参考位置

(二)测定最大自主收缩肌电的动作

实验中研究的4块肌肉分别为肱桡肌、肱二头肌、三角肌和斜方肌，实验前先测定它们的最大自主等长收缩(Maximal Voluntary Isometric Contraction,MVIC)状态下的肌电信号，该肌电值称为最大自主收缩肌电(maximal voluntary electrical activation,MVE)。根据各块肌肉的解剖结构和生理功能，分别设计了不同动作，要求受试者使出其最大肌力。每个动作持续4-5秒，不使用爆发力，重复3次，取最大值的均值为结果。具体动作如下：

1.肱桡肌(Brachioradialis,Br)：利用握力计测定，手臂伸直，紧握握力计用力。

2.肱二头肌(Biceps,Bi)：上臂紧贴躯干，肘部保持弯曲约90°，手心朝上，套以尼龙布带为阻力，以上提姿势用力；布带的长度可根据受试者的身高作调整，其末端与传感器相连接，力的大小可由数字万用表读出；以类似的方法测定三角肌、斜方肌的最大力。

3.三角肌(Deltoid,De)：双臂外展约90°，布带套在上臂中部为阻力，向上抬臂用力。

4.斜方肌(Trapezius,Tr)：双臂外展约90°，布带套在上臂中部为阻力，向上耸肩用力。

测定前对受试者进行动作训练。为了促使其用出最大力，以握力计和传感器的读数作反馈信息。每完成一次测定动作休息2分钟。

(三)模拟重复性操作

受试者坐姿，上身保持直立；桌(工作台)高74cm，椅高可调，工作台和椅间距为20cm。按照节拍器，以40个/min的速度，从一个盘子里抓取一个小零件(球形，直径1cm，重5g)，手臂移动，将零件放置在另一盘子里。两盘子直径10cm，间距为30cm。该操作重复、持续进行，但每完成80个零件为一个时间段(约2min)，共需连续完成4段(约8min)。

(四)仪器设备

(1)表面肌电图仪：型号Biotell 44，德国Glonner公司。

精度：分辨率为10位，共模抑制比>100dB；

电极单元：一共有4个通道，可同时测定4块肌肉；采用单差分电路设计(single differential circuit)，每个通道使用成对的凝胶电极片，参考电极设于第一通道上；信号的带宽：通道 1 带宽为 0.5-520Hz；通道 2-4的带宽为 17-520Hz；输入灵敏度：通道1的为±5 mV，通道2-4为±2 mV。

(2)模-数转换卡：型号DT3003 PGL，美国Data Translation公司。

规格：共有64个单端或32个差分模拟输入端口；

精度：模拟信号的输入/输出分辨率为12位；

速率：模拟信号的输入频率为1.25MHz，输出频率为500kHz。

(3)数字采集与控制软件：DIAdem 8.0，美国National Instruments公司。

版本：DIAdem 8.0，有2套功能不同的部分：①Starter Kit with Dac Bundle该部分具有数据采集功能 ②Standard Edition with Signal Analysis Toolset 该部分具有信号分析功能。

(4)其它设备：

计算机1台：Compaq Evo，P4 2.4GHz，512 Mb RAM；

测力传感器：德国Entran Sensoren公司，ELF-TC26-1000型；

握力计(测量范围100 Kg)。

(五)记录内容

实验中仪器记录受试者右臂4块肌肉的表面肌电信号；除上述动作的肌电外，实验前先测定各块肌肉满负荷(即最大自主等长收缩)时的肌电信号。

三、实验结果

随着重复性操作时间的延长，肱桡肌、肱二头肌、三角肌和斜方肌肌电MVE%呈逐渐升高的趋势，统计学检验，差异无显著性。结果如表3所示。

表3 重复操作期间肌电 MVE%的变化(x ±s)

肌电MF和MPF随着重复性操作时间的延长呈现降低的趋势，即所谓频谱左移，只是在最后1、2个时段不再下降，反而升高。MF和MPF的变化趋势相似。

在重复操作开始的第1时段，肱桡肌、肱二头肌、三角肌和斜方肌肌电MF和MPF的斜率均降低，为负值。随着操作时间延长，平均频率和中位频率的斜率呈现时为负值，时为正值的变动，两者的变化趋势一致。此外，肱二头肌肌电中频的斜率1次为负值，而在其他肌肉为2次。

四、结论

本实验模拟坐位重复性操作，肌肉疲劳时，肌电出现的典型变化是肌电幅度(以VE%表示)升高而MF降低，所谓的频谱左移。然而，此间的劳动负荷应保持恒定。因为肌电幅度升高也可能由于负荷增加(肌力也随之增加)所致，肌电中频率降低也可能由于负荷或肌力减小的原故。此外，肌肉疲劳的肌电变化系静态活动研究的结果，它在重复性操作时的变化尚不确定。本研究结果表明，随着重复作业时间延长所测肌肉的肌电幅度(以MVE%表示)均逐渐升高。

针对实验测试反映出的结果，本文在降低疲劳与安全生产方面提出以下建议。第一，改进操作方法，合理应用体力。合理设计作业的用力方法，运用正确的作业姿势。第二，合理安排作业休息制度，注意劳逸结合。一般性的工作，在上下午各安排一次工间休息，大约20分钟。第三，改善工作内容，克服单调感。比如，培养多面手、工作延伸、操作再设计或者动态信息报告等。