办公任务中软颈托对人体生物力学负荷及舒适度的影响

宋 芯,干 静

(四川大学机械工程学院,成都 610065)

目前,大量脑力工作者面临着颈痛的困扰,长期保持坐姿和重复性动作甚至会引发肌肉骨骼疾病[1]。报告显示,某些工作领域的慢性颈痛患者比例高达86.2%,长时间静坐是主要影响因素。《柳叶刀》的调查结果表明,下背部和颈部疼痛是20～24岁人群失能调整生命年(disability-adjusted life years,衡量整体疾病负担的一种方法)的首要原因。

20°甚至更低的颈部屈曲角被认为是肌骨损伤的风险临界值。当头部从中立位置到前倾60°时,颈部压力增大3倍。相关颈部肌肉活动水平在屈曲时升高[2]以稳定颈椎[3],但颈椎不适者的伸肌力量往往更弱,导致颈部前倾和肌肉疲劳的恶性循环[4]。

虽然研究人员建议人们尽量使颈部位于中立位置,防止肌骨损伤和颈椎的退行性变,但主动保持良好的颈部姿态并不容易,尤其是慢性颈痛者。为缓解或预防颈痛,各种颈部护具被广泛使用。图1所示的“U”形枕、软颈托、按摩仪和电脉冲按摩仪是最常见的选择,有广阔的生产和销售市场。

图1 常用颈部护具

图1(b)所示的软颈托(以下简称颈托)因不完全的固定能力常被用于治疗轻微的颈椎损伤,由于其专业性与日常适应性,也常被用于日常的疼痛缓解和矫正。然而,现有研究主要集中在评估其固定能力和医疗效果上。尽管颈托能够限制颈椎的最大运动范围(cervical spine’s range of motion,CROM),但仍有观点认为它对病痛的长期干预是无效的[5]。部分研究发现它能使头部保持正常位置[6]、减少肌肉负荷[7],并作为动觉提醒减少颈部运动,得到了患者的正面评价[8]。在Horodyski等[9]的一篇综述中,颈托则被认为不会导致肌骨损伤。还有临床研究显示,颈托更适合拥有正常肌肉张力和稳定力量的人群[10]。

此前,有学者测量了多种日常活动所需的功能性CROM[11],并有关于使用被动矫形器时健康受试者运动与肌肉的变化关系[12]的探讨,但颈托在非医疗建议下使用的关注度依然不足,其在日常坐姿交互任务中的干预效果和不舒适度未见报道。笔者曾以问卷形式向18～40周岁久坐人群调查颈椎不适和产品使用情况,结果显示,70%的久坐不适人群会因效用不明而放弃使用颈部护具。而一项15名健康受试者参与的实验结果表明,尽管有一定的不便,但颈托能缓解久坐产生的生理不适,并减少烦躁等情绪。这与之前的一些医学研究的结果相符,但没有客观的生物力学暴露数据佐证。

本研究旨在评估颈托在坐姿交互任务中对健康受试者生物力学负荷和主观不适的影响,结合任务表现和主观评价确定颈托是否对受试者造成干扰,确定其日常使用价值,为颈托生产设计与使用提供理论依据。

1 研究方法

1.1 试验对象

由于颈托使用者主要是具有稳定颈椎能力的久坐人群,研究人员在大学社区公开招募了31名长期坐姿工作的健康成年参与者(16名女性和15名男性),基本信息见表1。所有参与者都是有经验的电脑打字用户,且均用右手。所有参与者无颈部及上肢肌肉骨骼的疾病史,过去7 d没有肌肉骨骼疼痛,试验前24 h内未进行剧烈运动且受试当天肌肉和骨骼状态良好。

表1 受试者基本信息

1.2 试验设计

试验采用了图1(b)所示的颈托,与研究和用户日常使用的颈部护具类型相符。制造商声称此产品适用于颈椎疼痛和挥鞭伤患者,自2011年上市至今仍在销售。颈托高6.5 cm,围度调节范围为32～38 cm。

参考文献[13],将用户日常坐姿办公中的行为总结为桌面浏览、电脑办公和上肢的随机空间移动。为模拟这些情景,研究人员在实验场地中对环境进行了设置,如图2所示。

图2 试验环境

静态工作台如图2(a)所示,由一把不可调节座椅、一张办公桌、一台可以自由调节高度和角度的24in(1 in=2.54 cm)显示器、一个鼠标和一个键盘组成,以进行静态任务;动态工作台如图2(b)所示,在场地中摆放一张120 cm×90 cm的可调节磁吸白板,与白板水平距离60 cm处放置一把不可调节座椅。以下是任务详情。

(1)静态任务。静态任务包括桌面浏览任务(desktop browsing task,DBT)和电脑办公任务(visual display terminal task,VDT)。在DBT中,受试者以习惯的姿势阅读一篇科普文章。在VDT中,受试者将设备调整至舒适的位置、确认可平视屏幕3/4处后,在打字训练软件中以60字/min的速度输入初中课文《济南的冬天》,期间不矫正错误。任务期间,受试者没有背部支撑,手肘始终与桌面接触,以排除颈部肌肉上不必要的静力叠加。每项静态任务持续6 min。

(2)动态任务。动态任务即空间移动任务(spatial movement task,SMT)。实验人员预先在白板中心位置绘制直角坐标系,坐标轴分别与地面平行和垂直,坐标原点被设定为任务中心点。受试者保持臀部不离开座椅、脊柱没有大幅度旋转的情况下,将一个直径为3 cm的圆形磁铁按逆时针方向依次放在坐标轴的4个方位,并在上方和左方置于个人极限位置,重复动作直到结束。任务持续2 min。

每项任务开始前,受试者均有1 min的时间熟悉任务内容。每位受试者分别在佩戴颈托(以下简称有颈托)和未佩戴颈托(以下简称无颈托)的状态下,分别完成两组实验,过程中不允许与外界交流。众多研究表明,颈部肌肉通常在连续保持姿态约20 min后出现静态疲劳。为了研究颈托的实时使用效果并避免疲劳累积,在每项任务结束后设置20 min的休息时间。每组试验流程如图3所示,其中试验对照及3项任务的执行顺序是随机均匀分配的,以减少因顺序可能产生的误差。

图3 试验流程

1.3 数据收集

1.3.1 头颈与上肢的三维运动学参数

任务期间,使用带有8个红外摄像机的光学运动捕捉系统,以60 Hz的采样率收集受试者的三维运动学数据。如图4所示,10个直径为14 mm的反射标记点被固定在受试者的头顶、双侧耳屏、下巴、胸骨切迹、第七颈椎棘突(C7)、第八胸椎棘突(T8)、右肩峰、右肘外上髁和右腕尺骨关节处。

图4 标记点位置

使用Seeker软件处理原始反射性标记点数据,通过整流、补帧等确定反射点的空间坐标。参考以往研究定义了相关物理量,使用MATLAB进行角度和手腕反射点位置的计算。如图5所示,头颈屈曲角(head angle,HA)是垂线与双侧耳屏中点至C7连线的夹角。SMT中,将受试者右手空间移动的最远距离作为任务绩效,以此判断颈托对上肢活动的影响。读取受试者手腕标记点实时位置,计算标记点与任务中心点的欧式距离,取任务循环中10个最大值的均值为最终结果。为了排除代偿运动的干扰[14],使用欧拉角来表示和计算实验结果。根据国际生物力学学会的建议在上躯干和头颈建立了局部坐标系,并使用YXZ序列计算各角度参数。取95%位数值为最大值。

图5 三维运动学参数

1.3.2 部分肩颈肌肉活动参数

根据欧洲建议的检测方法检测表面肌电。在保持实验场地室温为22 ℃的条件下,为提高信号的传导速率,使用酒精擦拭受试者目标肌肉的表面肌肤,以降低皮肤阻抗,从而更好地传输信号。使用ErgoLAB表面肌电检测系统,以2 048 Hz的采样率记录受试者颈竖脊肌(cervical erector spinae,CES)、胸锁乳突肌(sternocleidomastoid,SCM)、上斜方肌左侧(left upper trapezius,TL)和上斜方肌右侧(right upper trapezius,TR)的表面肌电值(surface electromyography,sEMG)。CES沿着颈椎延伸,使人们可以屈颈向前,有助于保持颈椎稳定。SCM连接锁骨中段到耳后,帮助头部进行旋转和侧屈,并与前屈有关。作为肩颈运动中最重要的肌肉,上斜方肌(upper trapezius,UT,包含TL和TR),是颈部侧屈、后伸及肩胛骨运动力量的主要来源。

肌电原始数据的预处理在定制的MATLAB程序中进行,包括20～500 Hz的带通滤波和49.5～50.5 Hz的陷波滤波。全波整流后,采用窗长为125 ms的移动均方根包络进行平滑处理。每次实验任务开始前,受试者在研究人员的指导下进行肌肉最大自主收缩力(maximum voluntary contraction,MVC)的测量。受试者需按照规定的姿势,均匀用力至最大并保持5 s,重复测量5次,每次间隔10 s,得到MVCs。取MVCs的95%位数的均方根值,去除极值后取平均,得到MVC。使用MVC归一化每块肌肉的表面肌电值,取任务的中位数值为最终结果(median sEMG,mEMG),单位记为%MVC。

1.3.3 主观评价问卷

一组试验完成之后,通过主观问卷收集局部不舒适度(以下简称不舒适度)评价。基于Borg 自感疲劳程度量表收集受试者的颈椎总体疲劳度。疲劳程度和不舒适度等级划分见表2。

表2 Borg自感疲劳程度量表

如图6所示,基于McGill疼痛地图工具的头部和肩部部分,划定了颈托与颈肩接触特定位置群。受试者选择不适位置后,通过使用视觉模拟量表(visual analog scale,VAS)评分来反馈对应的不适程度。

图6 局部身体地图及VAS量表

1.4 统计分析

在SPSS 26.0中,使用Shapiro-Wilk检验评估数据的正态性。对于非正态性数据(P<0.05),进行对数转换以近似正态分布。使用混合线性模型分析正态或对数正态数据,其中颈托使用为固定效应,受试者为随机效应。对于转化后的非正态数据,使用Wlicoxon秩和检验。统计学意义被设定为P<0.05。

2 结果

根据此前的试验研究结果,可以排除性别带来的影响。此外,试验中没有收到关于桌椅不适性的报告,故而在分析中排除桌椅变量的组内影响。

2.1 颈托对头颈和右上肢运动的影响

表3展示了在3项典型坐姿交互任务中,受试者HA、手腕Y向最远距离(upper distance,UD)和Z向最远距离(left distance,LD)的测量结果。

表3 三维运动学参数(平均值±标准差)

HA仅在VDT中因佩戴颈托平均减少了1.80°,在DBT中没有显示出显著差异。为了观察颈托对上肢活动的阻碍作用,将UD和LD纳入检验。结果显示,有颈托时的LD显著增加了16.11 mm,UD则没有组间差异。

2.2 肌肉活动水平

表4显示,颈托显著影响了CES的mEMG。在DBT、VDT和SMT中,mEMG分别降低了13.6%、15.3%、21.8%。尽管DBT期间肌电值较低,但颈托仍使TL和TR的活跃程度分别下降了7.5%和18.7%。在VDT任务中,颈托使TL和SCM的活动水平分别下降了29.6%和9.2%,但对TR无影响。在SMT中,颈托使TR的mEMG略有上升,但差异不显著,而SCM的活动则显著降低了37.6%。

2.3 颈部主观疲劳度与局部不舒适度评分

排除了两组因技术问题未能回收的问卷后,实验人员统计了29组颈部主观疲劳度评分和实验中被报告不适的颈部位置和对应分数,并记录了受试者的口头陈述。

表5显示,颈托在任务过程中对受试者的疲劳感没有产生显著影响,且颈部主观疲劳程度低。

表5 颈部主观疲劳度(平均值±标准差)

在不适感的差异显著性检验中,参考以往研究,将报告少于5例的位置点排除在外,避免影响研究的可靠性。研究结果表明,受试者的不适感区域具有明显的特异性,尤其是前颈和后颈的差异。表6显示,双侧后颈部(3R、3L)、左下颌(5L)、下巴(6)、前颈部(7)和后颈部(8)受到了颈托的影响。其中3R、3L和8号区域的报告频次在有颈托时显著减少了43.19%、27.58%、28.53%,不适感均值也从38.89、26.78、34.87显著降低到了35.71、17、24.92。相较于无颈托时的零报告,颈托使受试者在5L、6和7区域感到不适,频次上升到20.69%、27.59%、20.69%,评分分别为12.33、13.63、26.83。

表6 不适区域的报告频率和程度(平均值±标准差)

3 讨论

试验结果显示,颈托在坐姿任务中对颈部姿态的影响并不明显,仅在VDT中观察到了头部前倾角度的减小,同时发现LD在SMT中有所增长。所有任务中都存在活动水平显著降低的颈部肌肉,说明颈托能减轻颈部生物力学负荷。

3.1 颈托对头颈及上肢运动的影响

持续的低头办公和电脑打字是造成颈部慢性疾病的两大原因[15],已有颈部不适的人群头部前屈往往更大[16]。不论主动或被动[17-18],保持良好的姿态都能够帮助人们避免颈椎疼痛[19],因此颈托被视为一种可行的解决方案。然而,研究发现颈托并没有强大的姿态矫正能力。

在DBT中,颈托并未显著改变受试者的HA,但部分受试者在有颈托时头部前倾更大;而VDT的HA则在有颈托时显著减少了1.8°,与Yoon等[20]的研究结果相似。McDonald等[21]指出,用户对设备的依从性比设备的固定作用更为重要,这解释了本次实验的结果——VDT要求受试者上身保持自然直立并抬头注视显示器,颈托能够发挥矫正作用;而DBT允许更大的前倾,受试者可能会因阻碍感自行调节姿势,或者选择停在颈痛发生及CROM的极限位置,若负荷被分担、颈痛延迟发生,HA仍有增大的可能性。

SMT中,UD没有组间差异,而LD在有颈托时显著增加了16.11 mm。由于SMT与VDT都要求较小的HA,且胸椎和颈椎弯曲高度相关[22],LD的增大可能与胸椎姿态变化有关。但无论如何,颈托不会影响上肢的日常活动。

综合以上结果,可以认为颈托能减少头部前倾,但这需要用户具有姿态矫正意识,无论是出于主动还是由于任务需求而产生的被动行为。同时,颈托不会对上肢活动产生阻碍,甚至可能会提供助益。

3.2 颈托对颈部肌肉活动的影响

由于颈托对受试者的姿态改变和任务表现并不剧烈,因此需要在sEMG中确认受试者颈椎的生物力学负荷,判断颈托是否能分担颈部压力。

CES与颈部屈曲密切相关,主要通过与UT的共同收缩来稳定颈椎[23]。静态任务中,CES活动水平在有颈托时分别显著下降了13.6%和15.3%,由于CES较低的激活程度往往对应更小的颈部力矩[24],因此可以推测,佩戴颈托使颈椎负荷降低,使颈痛延迟发生[25]。SMT中CES的活动强度减少了21.8%,说明颈托在动态任务中减轻CES收缩强度的能力更强。

颈部前倾20°时,头颈负荷每增加1 kg,UT的mEMG将升高0.6%MVC[26]。由于UT活动水平的小幅升高反映了负荷的大幅度增加[12,27],就DBT中UT的mEMG在有颈托时平均减少了0.25%MVC和0.73%MVC来看,颈托有效分担了UT的负荷。而在VDT中,仅有TL的活动水平显著下降了1.68%MVC,与TR的差异源于受试者在打字时更多地使用右侧肌肉发力,即便UT并非打字的重点肌肉,手部活动对其产生的影响也不能被忽略[28-29]。在相关研究中,亦有学者发现颈前屈时,TR和TL表现出不一致的激活程度[30]。相似地,TL和TR的肌电值在SMT中都未表现出组间差异,是因为UT参与了肩胛骨提高和上肢支撑,且收缩强度大于维持颈椎平衡所需,Namwongsa等[31]也在一项研究中强调了这一点。

CES和UT的活动水平是评估干预作用的重要标准,综合以上表现,可以确认颈托能够分散头颈重力对颈椎的压迫、降低肌肉活跃程度。由于肌肉的持续低水平负荷[32]会导致疼痛甚至肌骨损伤,颈托的分担可以降低此类疾病发生的风险。

SCM是头部侧弯和旋转的重要肌肉,是颈部最重要的斜行支撑系统,有助于稳定头部但不参与负重[12]。用户在VDT中常表现出不对称的颈部姿势[29],会导致SCM更高水平的活动[33],而有颈托时SCM在VDT中显著降低了9.6%,显示了颈托减少颈部屈曲、偏转和旋转的能力。SMT中,受试者上肢运动的灵活性未受到影响,但颈托使SCM激活程度平均降低了31.5%,改善效果较静态任务中更为突出。SCM疲劳耐受性差[34],产生不适后更容易使颈部僵硬[35],此时颈托不仅能改善不对称姿势,也是减轻颈部疲劳的有效工具。

3.3 颈托对颈部疲劳和局部舒适性的影响

用户常会因不舒服而不愿意佩戴颈托[36],因此不舒适度评估十分重要。主观测量值能直接报告装置对人体的作用效果,为提升用户接受度和依从性提出建议[37]。主观量表结果显示,受试者使用颈托时的颈椎整体疲劳与无颈托时没有显著差异,符合实验设计的初衷。

左后侧颈(3L)、右后侧颈(3R)和后颈(8)在有颈托时不适感显著降低。无颈托时,超过半数的受试者报告了8和3R的疼痛,并且无法忽视痛感。佩戴颈托后,8的报告频次降低了10.37%,且痛感已经可以被忽略。无颈托时被报告频数最多、痛感最强的3R区,在有颈托时的提及率减少了4成。有颈托时,3L的评分显著下降,仅有一位受试者在此时略感不适。3R、3L和8区分别对应TR、TL和CES,结合肌电数据,确定不适感与肌肉活动水平具有较强的相关性,主观评价直接体现了使用颈托能缓解颈椎受头颈压力不适感。

新生不适的区域中,下巴(6)被最频繁地提及,但不适感非常轻微。由于任务中存在更多的左旋或者左偏,部分受试者在左下颌(5L)也略感不适。前颈部(7)的报告频次与5L相同,但评分显示已经接近痛感,男女受试者中均有3人报告此部位的不适,其中两名男性明确表示喉结部位的疼痛难以忽视。颈托内侧为光滑平面,没有为喉结留出空间,的确存在设计缺陷。

颈托能够减轻后颈区域的不适,但也会引入前颈的轻微不适,这在以往的研究中几乎没有见到报道。新增不适的潜在因素有很多,下巴和下颌直接参与了头颈负荷的分配,布料摩擦、接触界面压强以及为抵消运动阻碍产生的生物力学负荷等都会促使不适发生,长期使用可能会引起皮肤问题,具体需要进一步研究。

4 结论

研究首次对软颈托在坐姿办公人群日常活动时的效用进行了探索。结果表明,颈托并不会引起人们姿态的显著改变,但引导作用并不能被完全排除,佩戴的存在感在一定程度上参与了头颈屈曲的调节。日常活动中,颈托的物理阻碍并不明显,并且能够有效降低重点肌肉活动的水平。虽然颈托会带来前颈的轻微不适,但能直接缓解任务中颈椎的不适感,是具有使用价值的日常护具。

因此,符合人体工学的软颈托在现代办公环境中具有较大的应用潜力。将研究结果与实际产业相结合,可以促进颈部护具企业对产品的进一步改进,为广大人群提供更为舒适、健康的办公状态。

5 局限

尽管有以上发现,这项研究仍存在局限性。首先,试验结果是基于同一颈托得出的,由于产品的高度和类型可能会影响颈椎的稳定性和使用舒适度,因此,未来的研究应在不同类型的产品中进行验证。其次,研究中的受试者是没有颈部肌骨疾病的年轻人群,今后的研究应该考虑在已有慢性颈痛的人群中进行,因为这部分人群更可能使用类似的护具产品。此外,为了得到更具普适性的研究结果,还应该扩大受试者的年龄范围。这些都是未来研究的方向和目标。