坐姿条件下前向突发负荷和预负荷对躯体稳定性的影响

熊凯文，王 瑶，王子含,3，宋春杨，马 进，胡文东

(1空军军医大学航空航天医学系航空航天医学装备教研室，陕西 西安 710032；2空军军医大学唐都医院神经内科，陕西 西安 710038；3陕西中医药大学公共卫生学院，陕西 咸阳 712046)

腰痛在全球范围内具有较高的患病率[1]。飞行员作为易感人群，更常受到腰痛的困扰[2-3]，进而对其工作能力造成不良影响[4]。飞行员所承受的加速度是导致腰痛的重要危险因素，其中水平加速度带来的突发负荷在腰痛的发生中起到了重要作用。预负荷会使相应肌肉在工作前呈现预激活状态，具有稳定躯体的作用。相关研究发现，在固定骨盆的半坐位下，肌肉预激活可以增加内部肌肉的紧张性，减少外部突发负荷对躯干的干扰[5]。但是，不同肌肉预激活方式和强度的腰部防护效果不同，且坐姿会影响肌肉激活的效果[6]，可能也会对肌肉预激活作用产生影响。为进一步明确肌肉预激活在飞行员坐姿状态下承受突发负荷的作用，本研究拟探索坐姿条件下前向突发负荷强度和预负荷方式以及强度对躯体稳定性的影响。

1 对象与方法

1.1 对象

本实验招募17名男性大学生作为被试，年龄(21.12±1.22)岁，身高(175.47±4.43)cm，体质量(69.50±6.96)kg。纳入标准：身高在164～185 cm之间，体质量不低于标准体质量的80%，不高于标准体质量的130%，标准体质量(kg)=身高(cm)-110；实验前24 h未进行剧烈体力活动，无肌肉疲劳、酸痛等现象，身体健康状况良好，无腰背部相关疾病史。所有实验对象对实验的目的和过程完全知情，并签署了知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 实验模型 本实验建立了前向突发负荷模型(图1)。在该模型中，被试坐于座椅上，双脚分开与肩同宽，双手置于身体两侧，胸前T4位置通过绳索连接突发负荷(图1中 ① 处)，绳索中设置拉力传感器(图1中 ② 处)监视负荷大小，身体T4位置安置角度传感器(图1中 ③ 处)以获取身体晃动参数。

①水平突发负荷施加处；②拉力传感器；③角度传感器。

此外，根据飞行员操作模式和相似研究的方法，本实验研究的预负荷方式包括3种(前向预负荷、后向预负荷和右手拉式预负荷)。前向预负荷通过上述前向突发负荷的方式实现，后向预负荷通过胸后T4位置连接负荷实现，手拉式预负荷通过被试右手在脐高度抓握负荷实现。

1.2.2 最大负荷力量(maximal load force，MLF)测量

MLF可通过前向突发负荷模型实现，其测量内容包括前向最大负荷力量(MLF前)、后向最大负荷力量(MLF后)和右手拉式最大负荷力量(MLF拉)。具体测量方式：被试人员胸前T4位置连接负荷，测量其从上身略微前倾至中立正直坐姿(全程躯体保持正直)所能拉起的最大负荷，记为MLF前；被试人员胸后T4位置连接负荷，测量其从上身略微后倾至中立正直坐姿(全程躯体保持正直)所能拉起的最大负荷，记为MLF后；被试人员右手在脐高度抓握连接负荷绳索，测量拉起的最大负荷，记为MLF拉；上述拉起标准均为1 cm。被试人员完成MLF测量后参加后续实验需间隔48 h以上。此外，本实验研究的3种预负荷方式实现方法与上述MLF测量方法相似。

1.2.3 实验过程 17名被试以随机顺序先后参加4组实验，包括对照组、前向预负荷组、后向预负荷组和手拉式预负荷组。对照组无预负荷，前向预负荷组的预负荷强度分别为20%和40% MLF前，后向预负荷组的预负荷强度分别为20%和40% MLF后，手拉式预负荷组的预负荷强度分别为20%和40% MLF拉；所有组的突发负荷强度均设置为20%、40%和60% MLF前。

在各组中，被试根据前向突发负荷模型要求坐于座椅上，拉起相应的预负荷(对照组无预负荷)并保持稳定的坐姿10 s，随后在声音提示下分别施加20%、40%和60% MLF前的突发负荷，记录身体晃动参数。为了避免发生肌肉疲劳，组间间隔10 min，组内每次间隔5 min。

2 结果

2.1 前向预负荷

预负荷和突发负荷的交互作用对躯体晃动角度的影响有统计学意义(P<0.01)，进行单独效应分析，结果如图2所示。

2.1.1 预负荷的单独效应 研究在突发负荷作用下不同预负荷强度的作用。在突发负荷强度为20% MLF时，不同预负荷强度的晃动角度之间均存在差异(P<0.05)，进一步比较后发现，预负荷强度为40% MLF时的晃动角度小于无预负荷时的晃动角度(P<0.05)，而无预负荷和预负荷强度为20% MLF之间、预负荷强度为20% MLF和预负荷强度为40% MLF之间的晃动角度均无统计学差异(P>0.05)；在突发负荷强度为40% MLF时，得到了与上述相似的结果；在突发负荷强度为60% MLF时，不同预负荷强度之间的晃动角度无统计学差异(P>0.05，图2A)。

2.1.2 突发负荷的单独效应 研究在预负荷作用下不同突发负荷强度的作用。在无预负荷强度时，不同突发负荷强度的晃动角度之间存在差异(P<0.01)，进一步比较后发现，突发负荷强度为40% MLF和突发负荷强度为60% MLF的晃动角度均大于突发负荷强度为20% MLF的晃动角度(均P<0.01)，而突发负荷强度为40% MLF和突发负荷强度为60% MLF之间的晃动角度无统计学差异(P>0.05)；在预负荷强度为20% MLF时，得到了与上述相似的结果；在预负荷强度为40% MLF时，在与上述结果相似的基础上，突发负荷强度为60% MLF的晃动角度大于突发负荷强度为40%MLF的晃动角度(P<0.01，图2B)。

A：预负荷在不同突发负荷强度下的作用；B：突发负荷在不同预负荷强度下的作用。MLF:最大负荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.2 后向预负荷

由于预负荷和突发负荷对躯体晃动角度的影响不存在交互作用(P>0.05)，进行主效应分析。不同预负荷强度和不同突发负荷强度对晃动角度的影响具有统计学意义(P<0.05)，进行两两比较后发现，预负荷强度为40% MLF的晃动角度小于无预负荷晃动角度(P<0.05)，其余无统计学意义(图3A)；突发负荷强度为40% MLF和突发负荷强度为60% MLF的晃动角度均大于突发负荷强度为20% MLF的晃动角度(均P<0.01)，突发负荷强度为60% MLF的晃动角度大于突发负荷强度为40% MLF的晃动角度(P<0.05，图3B)。

A：预负荷强度对躯体的影响；B：突发负荷强度对躯体的影响。MLF:最大负荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.3 手拉式预负荷

由于预负荷和突发负荷对躯体晃动角度的影响不存在交互作用(P>0.05)，进行主效应分析。不同预负荷强度和不同突发负荷强度对晃动角度的影响具有统计学意义(P<0.05)，进行两两比较后发现，预负荷强度为40% MLF的晃动角度均小于无预负荷和预负荷强度为20% MLF(均P<0.05，图4A)的晃动角度，突发负荷强度为60% MLF和突发负荷强度为40% MLF的晃动角度均大于突发负荷强度为20% MLF的晃动角度(P<0.01)，突发负荷强度为60% MLF的晃动角度大于突发负荷强度为40% MLF的晃动角度(P<0.01，图4B)。

A：预负荷强度对躯体的影响；B：突发负荷强度对躯体的影响。MLF:最大负荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.4 不同预负荷方式之间的比较

本研究进行三因素多水平方差分析，发现不同预负荷方式、不同预负荷强度和不同突发负荷强度对躯体晃动角度的影响存在交互作用(P<0.05)。当预负荷强度为20% MLF，突发负荷强度为20%、40%和60% MLF时，不同预负荷方式之间无统计学差异(P>0.05，图5A)；当预负荷强度为40% MLF，突发负荷强度为20% MLF时，不同预负荷方式之间存在统计学差异(P<0.05)，进行两两比较后发现，前向预负荷的晃动角度小于后向预负荷和手拉式预负荷的晃动角度(均P<0.05)；当预负荷强度为40% MLF，突发负荷强度为40% MLF时，不同预负荷方式之间无统计学差异(P>0.05)；当预负荷强度为40% MLF，突发负荷强度为60% MLF时，不同预负荷方式之间存在统计学差异(P<0.05)，进行两两比较后发现，前向预负荷的晃动角度大于后向预负荷和手拉式预负荷的晃动角度(P<0.05，图5B)。

A：预负荷强度为20% MLF时不同预负荷方式的比较；B：预负荷强度为40% MLF时不同预负荷方式的比较。MLF:最大负荷力量。 aP<0.05。

3 讨论

飞行员所承受的加速度是腰痛的重要危险因素。加速度作为载人设备的常见动力学参数，其大小和方向会在一定程度上影响飞行员的腰椎健康与驾驶安全。从力学角度上看，运动过程中人体所承受的加速度可以看作外部对人体施加的负荷，并且不同的加速度方向可以对人体造成不同的负荷。根据加速度的方向，人体组织所承受的内部应力主要包括压缩应力、拉伸应力和剪切应力[7]。加速度带来的负荷会对脊柱造成不同程度的损伤。相关研究发现，人体脊柱抗压缩应力的能力要强于抗剪切应力的能力，剪切力可以直接导致脊柱结构受损[8]。人体脊柱的腰椎关节承载着更多的剪切力，在抵抗剪切负荷方面发挥着很大作用，但脊柱承受的剪切负荷过大会导致腰椎关节负荷增加，并可能对周围结构组织造成损伤，导致下腰痛[9-10]。相关研究发现，有腰痛的人经历横向剪切力比正常人高75%，这表明了剪切载荷及其力学响应的重要性[11]。因此，水平加速度带来的剪切应力在腰痛的发生中起到了重要作用。本研究针对飞行员经常承受的前向水平加速度带来的前向突发负荷，探索预负荷稳定躯体的作用。

躯体承受突发负荷会发生晃动，晃动参数和躯体的稳定性有关。在施加一定突发负荷时，晃动角度越大，说明身体越难以应对此种负荷情景，躯体越不稳定。突发负荷和预负荷强度对躯体稳定性具有不同的作用。在本研究中，在各种预负荷方式作用下，突发负荷强度越大，身体的晃动角度越大，表明躯体的稳定性会随着突发负荷强度的提升变得不稳，突发负荷强度对躯体稳定性具有很大影响[12]；预负荷强度越大，身体的晃动角度越小，表明预负荷具有稳定躯体的作用。更大的预负荷引起的更强的肌肉力量和僵硬度，可在扰动前增加躯干的稳定性[5]。但是，预负荷的作用似乎具有平台期。在前向和后向预负荷方式中，预负荷强度从20%增加到40%带来的晃动角度变化明显较小。VERA-GARCIA等[13]也得出了相似的结论，当腹部预激活从20%增加到30%时，躯体的位移差异并没有达到统计学差异，表明这些预激活水平产生了相似程度的躯干稳定性。但是，我们发现手拉式预负荷似乎没有这种平台期的表现，其原因可能是本研究采用的手拉式预负荷强度所带来的稳定肌强度的变化在平台期范围之外。

不同预负荷方式对躯体稳定性也具有不同的作用。本研究的结果表明，在较低的预负荷强度时，前向、后向和手拉式预负荷方式之间无差异；在预负荷强度为40%而突发负荷较低时，前向预负荷方式可能具有更好的稳定躯体作用。但是，我们发现在预负荷强度为40%且突发负荷强度为60%时，前向预负荷方式产生的身体晃动角度明显较高，说明当预负荷强度和突发负荷强度叠加后临近躯体所能承受最大负荷时，即使是前向预负荷方式，也不能起到稳定躯体的作用，甚至可能具有不良作用。

躯干刚度是研究脊柱稳定性的重要参数，预负荷作用对躯体刚度存在影响[14]。躯干预负荷和由此带来的肌肉预激活会增加躯干的刚度，减少负荷后的躯干位移[13]。有研究对站立受试者施加水平预负荷后进行不同方向刚度测量，发现前向和后向刚度之间的差异仅为2%[15]。而VETTE等[16]在相似条件下对坐姿受试者进行刚度测量，发现前向和后向刚度之间的差异为15%。这种躯干刚度的差异可能是不同水平预负荷方向预激活不同肌肉导致的[15]。因此，本研究前向和后向预负荷带来的躯干起始刚度可能不同，进而对躯体的稳定性带来不同的影响。

本研究的不足之处在于，在预负荷强度为40%且突发负荷强度为60%时，虽然发现当同一方向的积累负荷临近躯体所能承受的最大负荷时存在不良作用，但是未能有效了解高预负荷和突发负荷强度下不同预负荷方式的影响效果，后期考虑作进一步研究。

综上所述，本研究探索坐姿条件下前向突发负荷强度和预负荷方式以及强度对躯体稳定性的影响。结果表明，预负荷方式稳定躯体的效果与预负荷强度和突发负荷强度有关，在预负荷强度为40%且突发负荷强度较低时，前向预负荷方式具有更好的稳定躯体作用；而同向积累负荷临近躯体所能承受的最大负荷时，可能具有负面作用。此外，躯体稳定性和突发负荷强度呈反比，和预负荷强度呈正比，但是后者似乎存在平台期。