基于肌电信号的坐站交替模式下肌肉疲劳研究

白圣亚 林文文，2 安元超 张岳君 柯勇伟

0 引言

美国久坐行为研究工作组给出“久坐”的定义，久坐是指“以坐姿或斜躺姿势时能量消耗≤1.5梅托(metabolic equivalent of energy，MET)为特征的任何清醒行为”。常见的久坐行为包括长时间不间断地工作、学习、看电视以及使用计算机等。久坐会导致大脑昏沉、颈部紧绷、肩膀和背部酸痛等一系列问题，长期以往，形成很多累积性的疾病如各类慢性病、脊柱疾病以及心肺功能障碍等，因此久坐所带来的健康风险也正被医学界所关注和重视[1]。2020年11月25日，世界卫生组织发布新版《关于身体活动和久坐行为指南》，强调每个人不论年龄和能力，都应该进行身体活动，避免久坐。但长时间站立也会对工作和健康产生负面影响。Baker 等[2]研究发现站立工作2 h会引发肌肉疲劳、下肢水肿以及认知功能下降等。因此在ISO 6385：2016办公人体工学设定原则中，提倡采用坐站交替的办公方式，避免久站或久坐不动所带来的潜在危害[3]。

近年来，国内外科研人员对于改变久坐模式的研究日益增多。Sui等[4]认为坐姿作业环境下引入站姿作业的办公模式不会影响作业效率，但在站姿办公环境下引入散步机和动感单车则可能对作业效率产生一定负面影响。因此，建议实施减少职业久坐行为的常规干预措施，而不会对生产力和绩效产生负面影响。Chambers等[5]从办公环境下使用升降桌的行为、生理、工作表现、心理、不适感和姿势六个方面进行研究，表明根据生理特征调整升降桌高度有助于改变人们的行为模式，对减少久坐时间和肌肉不舒适性的效果较为突出，同时不会影响工作绩效及相关健康指标，但还需进一步研究长期使用效果，并确定合适的坐站交替时间点。Karakolis等[6]综合14篇相关文献，认为坐站交替办公可以有效减少人体不适感，不会降低工作效率。Macewen等[7]指出站立工作时配合散步机可以改善生理指标，包括餐后血糖、高密度脂蛋白胆固醇等，而站立式办公桌使用几乎不会引起生理变化。站立式工作桌和散步机在改善心理健康方面均显示出不同的结果，而对工作绩效的影响很小。使用站坐式办公模式对健康状况的改善还缺乏研究。Karol和Robertson[8]分析工作效率、舒适性和身体指标时发现，在不减少工作时长的情况下，坐站交替工作模式可以有效缓解疲劳感，但发挥坐站交替的优势需要匹配一定基础的人体工学培训，才能发挥其最大功效。Agarwal等[9]认为久坐办公环境下改变作业姿势有助于减轻下背部疼痛，但缺乏对特定人群的研究，如已经存在腰肌劳损的人群，并且研究还需要量化时间参数以及其他评价指标。国内的诸多学者也对久坐问题进行了一些研究，马晓红等[10]分析了传统坐姿办公引发的健康问题，从人机工程学的角度利用三维数字人体模型，提出了适合国人的升降桌的设计尺寸。王丽等[11]从人机工程学的原则出发，改良了宿舍座椅的靠背，为腰部和肩胛部提供支撑，从而起到了缓解腰部、背部肌肉受力的作用。谌玉红等[12]分析了不同负荷模拟行走过程中生理、生物力学信号及人体主观疲劳感的变化,探索导致负荷行走疲劳的相关因素。

综合国内外对办公环境下的疲劳研究，表明作业姿势与健康密切相关。然而，目前的多数研究侧重于实验组之间的对比而忽略组内因素的影响，且实验未能有效模拟日常的办公条件，坐站姿势办公时长设置不合理。此外，没有研究考虑到受试者的作业姿势偏好问题，得出的结果容易出现偏差。针对以上问题，需要设计一个实验能够符合日常办公的时间需求，且考虑到不同人群的作业姿势偏好问题，为此本文回顾以往实验的研究方法以及时间设置，将实验的结果按照性别进行分类统计。实验的正式测试阶段划分为30 min站姿、45 min坐姿和15 min站姿三个区间。如此设置时间，不仅符合实际办公环境，而且可以观测作业姿势切换后对肌肉疲劳恢复以及满意度等指标的影响。将45 min坐姿满意度作为实验统计指标并结合肌电信号分析作为偏好分类的依据，通过肌肉疲劳产生的时间点以及45 min坐姿的满意度，构建二维坐标系。通过聚类分析，探究中文办公环境下受试者的坐站偏好，设置不同偏好人群的坐站时间比。

1 方法

1.1 实验对象

多数都市白领和在校大学生日常办公的主要内容为利用电脑键盘输入和鼠标指针操作进行文档编辑、邮件收发以及资料查找等。因此招募20名具有电脑使用经验的在读学生作为受试者。所有受试者的坐姿和站姿高度都在升降桌的可调节范围内，且没有骨骼相关疾病及其他不宜坐站交替的症状。受试者在实验当天未饮酒或服用其他功能性饮料，衣着舒适且休息充分没有剧烈活动。经过实验人员的讲解和示范，了解了实验方案以及评价方式，签署实验知情书，保证整个实验环节的连续性。

1.2 实验方案

整个实验过程分为两个部分(图1)，适应性测试包含10 min的坐站交替作业，目的在于让受试者适应当前的测试环境，减少个体因接受能力差异所造成组内因素的影响。正式测试分为站(30 min)—坐(45 min)—站(15 min)三个阶段。

图1 实验测试的不同阶段划分Figure 1 Different stages of experimental testing

肌体疲劳是促使受试者转变作业姿势的主要原因，站姿阶段疲劳主要发生在腿部，而坐姿阶段的疲劳主要体现在腰部。因此本实验表面肌电信号将主要采集于下背部的竖脊肌(erector spinae，ES)、下肢的腓肠肌(gastrocnemius，GS)和比目鱼肌(soleus,SL)。

测试开始前去除受试者待测肌肉群的毛发并用酒精消毒，然后根据Konrod[13]推荐的粘贴位置将肌电片贴于各块肌肉的肌腹中心，通过弹性绷带缠裹加固并保持肌电片方向与肌纤维走向一致，实际的实验场景及肌电信号采集部位见图2。测试开始后，通过Delsys无线表面肌电测试系统以1000 Hz的频率分别对上述肌肉群的肌电信号进行采集，每5 min进行一次肌电信号采集，坐站交替总时长90 min，共计采集19次。测得的原始肌电信号通过Delsys数据处理软件MegaWin进行处理分析，计算出各间隔的中值频率(median frequency，MF)，同时测试期间每隔15 min提供短暂的姿势调整。在正式测试阶段30 min站姿和45 min坐姿结束时，设置调查问卷统计受试者的作业姿势满意度和预估作业时间。

为减少组内因素的影响，所有招募的受试者都没有升降桌的使用经验。为了真实地模拟中文场景下的办公环境，实验将作业内容设置为打字，采用金山打字通随机生成一篇文章，受试者使用统一的拼音输入法进行工作效率测试。工作效率的评价指标为每分钟的打字个数(words per minute，WPM)，这一指标将除去打字过程中出现的错误字数比例，避免过去文献中出现的打字效率和错误率两项指标不统一的现象。实验环境和设备如图2所示。

图2 实验场景Figure 2 Experiment scene

1.3 实验设备

实验选用乐歌公司的E3升降桌产品，其升降范围能够满足当前所有受试者在不同作业姿势条件下的使用，座椅高度也可调。采用Delsys无线表面肌电测试系统(Delsys，America)，模拟/数字数转换精度为16位，信号采集率为 4000 Hz 。每一台Trigno基站一次可支持多达16个TrignoTM传感器的充电和无线通信。该设备采用了减小噪声干扰的专利技术，其共模抑制比大于80 dB，能够确保信号的可靠性和准确性。

1.4 评价指标

肌电信号(electromyography，EMG)是一种表达神经肌肉系统活动状态和功能状态的生物电信号，被广泛用于分析静态和动态负荷下局部肌肉活动水平和功能状态的变化。由于肌电信号在测量时信号比较微弱且易受到外部噪声的干扰，当肌力发生改变时肌电信号时域指标影响较大。其频域指标将肌电信号先进行滤波处理，通过放大器将频率放大，经快速傅里叶变换生成功率密度谱。由于功率密度曲线没有服从典型的正态分布规律，MF的抗噪声干扰性更强，因此本次实验分析选用MF作为疲劳分析参数。其MF计算方法如下：

式中：p(f)为肌电功率谱曲线密度函数。

疲劳程度增加时乳酸积累导致的肌纤维神经传导速度的改变有一定联系,MF总体呈下降趋势。由于不同性别的标准体重(body mass index，BMI)以及日常锻炼方式的不同，组间因素所造成的影响远大于组内因素，在肌电信号分析时，将受试人员按照性别进行分类分析。

作业姿势期间的满意度和不适感以CIS 20-R(checklist individual strength)调查问卷为基础，其主观疲劳感选用运动强度与运动自觉量表为打分机制，将主观疲劳从0级(没什么感觉)到10级(极强)作为评价疲劳的区分标准。心理学上常用李克特量表作为心理反应的测量，姿势满意度更偏向于心理层面。姿势满意度是受试者对前期实验测试内容的一个综合性评价，汇总了作业期间不适感、作业状态等各项主观影响因素，10级李克特量表地评分范围为0～10分，0分为十分不满意，10分为十分满意，以此来评价期间的作业姿势满意度。

2 实验结果及分析

2.1 30 min站姿阶段

由于受试者的站姿时间预估时间与30 min姿作业接受度密切相关，在30 min站姿作业结束后，选取受试者站姿预估时间作为X轴，站姿满意度为Y轴，进行两个维度的指标联合分析，其结果如图3所示。通过实验获取的数据存在不同受试者站姿时间和接受度评价结果相同的情况，因此在站姿时间维度上增加一个(0，1)之间的随机数以展示所有数据。受试者预估的站姿时间点相对较为集中，主要在20～30 min之间，中心点法即根据聚类分析获得所有受试者的聚类中心点，其均值为23.25 min，每天8 h工作时间，在Buckley等[20]所提供的专家意见中，建议一天的站姿办公时间为2 h以上，将8 h工作时间安排4～6次站坐交替，站姿的作业时长应在20～30 min。

图3 站姿时间预估及满意度Figure 3 Satisfaction & estimation of the standing time

图4 腓肠肌(a)、比目鱼肌(b)中值频率图Figure 4 MF of gastrocnemius and soleus(b)

图4为按性别统计腓肠肌与比目鱼肌的MF变化折线图，从在25 min时右侧腓肠肌和比目鱼肌的MF开始有下降趋势，表明肌肉疲劳开始产生，考虑在该时间点安排作业姿势转变。因所有受试者皆为右利手，站立时右侧更容易受力，因此左侧比目鱼的肌电信号相对平稳。受试者的主观站姿作业时长应设置在20～30 min，腿部比目鱼肌与腓肠肌的肌电信号MF在25 min时开始有下降趋势，表明腿部疲劳开始产生。因此将站姿作业时长设定为25 min。

2.2 45 min坐姿作业

正式测试45 min坐姿结束后，通过对受试者的调查发现，其预估的坐站交替时间与作业姿势接受度如图5所示。与30 min站姿相比，坐姿阶段的预估时间范围更广，因此需要对坐姿时长进行偏好分类。

图5 坐姿时间预估及满意度Figure 5 Satisfaction and estimation of the sitting time

使用单样本K-S检验对站姿作业预估时间进行正态性检验。原假设(H0)：受试者预估时间符合正态分布。使用SPSS计算后，其样本坐姿预估平均值为42.50 min，标准差达到12.41，站姿预估时间分布P值为0.049，小于0.05，应拒绝原假设，即其预估分布时间不符合正态性。由于受试者个体之间的差异性原因，坐姿的预估时间的标准差非常大，因此存在对不同受试者进行分类的需求。通过满意度以及预估改变姿势时间的聚类分析能更好地把握不同受试者群体的偏好特点，有助于为不同群体设置适合自己的站坐交替时间。将受试者坐姿预估时间进行偏好和非偏好分类，其聚类分析显示其聚类效果显著性较强。其中9人的聚类中心为30.56 min，另外11人聚类中心为52.23 min。相比站姿而言，采用坐姿办公对人体体能消耗较少，因此受试者竖脊肌的MF在整个坐姿办公阶段变化较为平稳，如图6所示。采用坐姿作业30 min后即实验进行到60 min时，腰部竖脊肌中值频率有缓慢下降的趋势，表明腰部肌肉有疲劳产生。而坐姿时间的预估值在25～60 min之间均有分布，可分为“>45 min”和“<45 min”两个群体。由于整个坐姿时间设置为45 min，未采集45 min之后坐姿的肌电信号，以聚类分析结果为依据，结合坐姿30 min时竖脊肌的MF可将非偏好坐姿人员的坐姿时间设定为30 min，而偏好人员坐姿时间设定为50 min。

图6 竖脊肌中值频率图Figure 6 MF of erector spinae

3 讨论

长时间坐着腰部持续受力，容易僵硬和酸痛。不仅如此，久坐对于血液、血糖等指标的影响并不容易被感知。因此需要在久坐办公中引入站姿办公，除了采用站坐交替的模式，合理的时间设置以及使用工具对于疲劳的产生和加深也至关重要。

Bao和Lin[14]针对一天中3个时间节点的测试显示，4个站坐交替方案对脊柱萎缩的影响不显著，脊柱收缩主要与椎间盘的受力相关。坐站交替的作业模式有助于缓解不适感，且优于坐姿和站姿。这里不适感主要发生在受试者不同肢体部位的肌肉骨骼层面，与站姿作业相比，人们更偏好坐姿[15]，站姿与坐姿在初期即可表现出下肢和下背部肌电信号方面的差异，但是受试者在不适感层面的差别并不显著。而随着作业时间的推进，Chester等[17]和Lin等[18]调查结果显示站姿时的不适感变化要比坐姿强烈，而Karakolis等[6]认为两个姿势的背部不适感变化趋势较为一致。

本次实验初期(10 min)的站姿与坐姿的不适感较为接近，且两个作业姿势的不适感均随时间的推进而加剧。因此时间因素是导致肌肉疲劳以及主观认知能力下降的主要因素。在Hasegawa等[19]和Karakolis等[6]的测试中可以看到短周期的设定模式如站/坐时间15 min/15 min，有利于及时调整肌肉的静态负荷部位、改善个体的疲劳感与不适感，虽然短周期的坐站时间设定方法有利于改善不适感，但是这样的设定模式容易频繁打断作业进程、影响用户作业时的专注程度，因此真实办公作业环境中可能并不常见。在Hasegawa等[19]研究中可以看到，60 min以后不同站坐交替方案对个体疲劳、不适感等因素的影响均呈现边际递减趋势，因此站坐交替的周期最好控制在1 h左右。

在日常办公中，每天8 h的工作时间并非连续，有很多时间点和随机事件可以为站坐交替提供契机，如离开座位接水、收发快递、接听电话、午餐时间等等，表明了在工作中应用站坐交替模式的可行性。站坐时间设置比可以根据不同的个人习惯进行改变，因此针对不同工作场景需要有不同的时间安排设定方法。

4 结论

根据实际调查情况，将人群按照偏好坐姿进行区分，对于非偏好坐姿人群的站、坐时间分别设置为25 min和30 min，一天要进行6～8次的坐站交替。其中主动改变作业姿势的行为只有2～4次。偏好坐姿人群站、坐时间分别设置为25 min和50 min，一天可以进行4～6次坐站交替，主动改变作业姿势的行为只有1～2次。这一标准可以较好地满足不同用户使用站坐交替工作模式时间的设置。此外，该设置方案也符合Buckley等[20]每天站姿办公时间2 h以上的建议。目前研究虽在时间设置上取得一定成果，但站坐交替工作模式对人的身心健康影响还需长时间验证。