李 鐸

(武漢體育學(xué)院 體育工程與信息技術(shù)學(xué)院；國家體育總局 體育工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079)

隨著電子產(chǎn)品的大規(guī)模普及，人類長期使用它所帶來的身心健康問題越來越受到關(guān)注[1-2]。當(dāng)今大學(xué)生群體接觸電子產(chǎn)品時(shí)年齡小，生活方式受其影響，是使用電子產(chǎn)品的主流人群[3-4]。近期調(diào)查顯示，外國60%大學(xué)生遭受慢性頭痛或類似癥狀的困擾[5]，中國大學(xué)生頸椎病患病情況從2001年開始呈繼續(xù)上升的趨勢[6-7]，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象與大學(xué)生使用電子產(chǎn)品極其相關(guān)[8]。大學(xué)生每天使用電子產(chǎn)品以大于4 h為主[9]，長期每天連續(xù)低頭使用電子產(chǎn)品并保持單一姿勢時(shí)間大于3 h以上，會導(dǎo)致頸部肌肉僵硬、酸痛[10]，嚴(yán)重影響大學(xué)生頸椎正常生理曲度[11]。

電子產(chǎn)品是以電能為工作基礎(chǔ)的相關(guān)產(chǎn)品，而導(dǎo)致大學(xué)生屈頸過度的電子產(chǎn)品集中在智能手機(jī)、平板電腦和臺式電腦上[12-13]。2013年Ashish D[14]等采集了雙屏臺式電腦操作人員的頸椎運(yùn)動學(xué)特征以及頸項(xiàng)肌群的表面肌電(surface electromyography sEMG)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明雙屏臺式電腦操作增加了前頸部肌肉的活動，雙屏的尺寸、屏幕與鍵盤、操作者之間的空間關(guān)系對頸項(xiàng)肌群的激活有直接的影響。2017年王琳等[15]以8名大學(xué)生為志愿者，采集他們操作臺式電腦2 h頸部肌肉的原始表面肌電數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理分析獲得積分肌電(iEMG) 、近似熵(ApEn) 、疲勞狀態(tài)指標(biāo)Q值，研究發(fā)現(xiàn)疲勞狀態(tài)Q值對頸肌疲勞反映效果最好。2019年徐明偉等[16]用積分肌電值(integrated electromyogram, iEMG)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)證明：大學(xué)生在坐位玩手機(jī)過程中肩頸肌肉群在20 min出現(xiàn)短暫性疲勞，隨后在75～100 min時(shí)又出現(xiàn)了最終疲勞。

綜上所述，外國學(xué)者探明了使用臺式電腦對頸肌影響的各種可能因素。中國學(xué)者的研究集中在長期使用電子產(chǎn)品導(dǎo)致頸肌疲勞的時(shí)間分布與評價(jià)指標(biāo)上。而對于當(dāng)今在電子產(chǎn)品中，使用比例和頻次高的智能手機(jī)和平板電腦對頸肌影響的各種可能因素的研究，中外鮮有涉及。

在此研究背景下，運(yùn)用經(jīng)典的sEMG的測量方法，探討大學(xué)生在坐姿下除屈頸時(shí)長以外，其他因素對頸項(xiàng)肌群的影響。這里的其他因素包括：電子屏幕尺寸；手持電子產(chǎn)品和將其放置桌面；打字、游戲、閱讀3種操作。通過本研究，最終探明使用電子產(chǎn)品(智能手機(jī)和平板電腦)對頸部肌肉影響的可能因素，減少因使用電子產(chǎn)品所導(dǎo)致的健康隱患。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

本研究選取身體健康，年齡在21～24的大學(xué)生8人(7男1女，編號為1～8)作為實(shí)驗(yàn)對象，所有實(shí)驗(yàn)對象均以右手為優(yōu)勢手，基本信息如表1所示。實(shí)驗(yàn)對象均無肌肉疲勞癥狀、無頸部受傷或頸部疼痛的病史，并且在實(shí)驗(yàn)前24 h未長時(shí)間屈頸和48 h內(nèi)未進(jìn)行劇烈活動。所有受試者均同意并自愿參加本實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)對象基本信息

1.2 肌肉的選擇

根據(jù)運(yùn)動解剖學(xué)的知識，參與頸部運(yùn)動、維持頸椎穩(wěn)定的肌肉主要有頸豎脊肌、頭半棘肌、胸鎖乳突肌和斜方肌等。有研究發(fā)現(xiàn)[17]，頸前屈和后伸時(shí)，胸鎖乳突肌和頸斜方肌的肌電值都有明顯增加。本研究選取第4頸椎左、右側(cè)的頸斜方肌作為測試肌肉,如圖1所示。

圖1 第4頸椎的位置及與斜方肌的空間關(guān)系圖(比例尺1∶7)

1.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

表面肌電測試過程中實(shí)驗(yàn)室室溫始終控制在18～22 ℃。為降低皮膚阻抗，提高信號的傳導(dǎo)速率，對測試肌肉部位的皮膚進(jìn)行以下處理：首先用剃刀刮去毛發(fā)；然后用去角質(zhì)膏打磨皮膚角質(zhì)層；再次使用酒精棉球清洗皮膚；最后皮膚風(fēng)干后，于頸4棘突水平位旁開1 cm為中心，將2個(gè)記錄電極縱行排列(兩電極間距1 cm)貼至皮膚，將參考電極貼布于記錄電極旁開2 cm處。

本實(shí)驗(yàn)選用美國Noraxon表面肌電采集系統(tǒng)，采集頻率為1 500 Hz。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

受試者坐于書桌前，書桌和座椅的高度可根據(jù)受試者體型進(jìn)行調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，受試者保持正中坐位，前臂自然平放于桌面上，使用不同屏幕尺寸的電子產(chǎn)品，手持或?qū)⑵渲糜谧烂嫔线M(jìn)行閱讀、游戲和打字操作。所有的測試過程中，嚴(yán)禁實(shí)驗(yàn)人員與受試者以及實(shí)驗(yàn)人員之間進(jìn)行交流。

采用3×2×2 混合設(shè)計(jì)。第一個(gè)自變量是不同屏幕尺寸的電子產(chǎn)品。本研究選取了兩種不同的電子產(chǎn)品：觸摸屏智能手機(jī)(即iPhone7大小4.7英寸，分辨率1 334×750，重量138 g)和觸摸屏平板電腦(即iPad4大小9.7英寸，分辨率2 048×1 536，重量662 g)；第二個(gè)自變量是使用電子產(chǎn)品的方式。本研究選擇坐位情況下最常用的兩種使用方式：手持和將其放置桌面；第三個(gè)自變量是實(shí)驗(yàn)對象的操作任務(wù)。本研究選擇了3種不同的任務(wù)，即“閱讀”、“游戲”、和“打字”。在“閱讀”任務(wù)中，本研究要求受試者使用iPhone/iPad上的iBook應(yīng)用程序閱讀自選的文字。在“游戲”任務(wù)中，本研究要求受試者應(yīng)用程序“跳一跳”來完成；在“打字”任務(wù)中，使用觸摸屏全鍵盤重新鍵入在電子產(chǎn)品屏幕上顯示的消息(所有實(shí)驗(yàn)過程中，同一實(shí)驗(yàn)對象在打字任務(wù)中輸入的文字均不同)。所有測試維持90 s。因變量為90 s期間，每隔10 s計(jì)算的積分肌電值。

圖2展示了實(shí)驗(yàn)的前半部分流程，完成以上流程后，受試者將休息5 min，把iPhone換成iPad進(jìn)行后半部分的實(shí)驗(yàn)。

圖2 前半部分實(shí)驗(yàn)流程圖

2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

2.1 心電信號濾除(ECG reduction)

心電干擾主要是由于心臟的脈沖波動引起的，需要濾除[18]。

2.2 全波整流

由于EMG信號其正、負(fù)幅值幾乎相等，若對原始信號直接求平均，會得到一個(gè)近似于零的平均值。全波整流就是取信號幅值的絕對值[19-20]，即將負(fù)的振幅值全部轉(zhuǎn)換為正值。整流后可以進(jìn)行平均值、峰值、曲線面積等的運(yùn)算。

2.3 平滑

由于表面肌電在形成過程中，動作電位的變化產(chǎn)生了許多不可再生的信號。通過平滑處理可以去除非再生部分的信號，為生物反饋運(yùn)動提供更加直觀的肌電圖。本研究采用均方根(RMS)振幅進(jìn)行平滑處理。窗口寬度選擇500 ms。

(1)

式中：N為取樣周期內(nèi)點(diǎn)數(shù)；EMG(i)為表面肌電值。

2.4 積分肌電iEMG

積分的目的是確定“曲線下包圍的面積”，是對EMG信號進(jìn)行的時(shí)域積分，全波整流信號的積分值總是增加的。通過對iEMG的定量就可以判定肌肉活動總體的強(qiáng)弱。

(2)

式中：N為取樣周期內(nèi)點(diǎn)數(shù)；Xi為表面肌電值；T為取樣開始時(shí)間，區(qū)間取10 s。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析

本研究運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對兩種不同的電子產(chǎn)品、兩種使用方式、3種不同操作中所采集的左、右側(cè)頸斜方肌10 s表面肌電積分值進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，P取0.05。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄，得到原始肌電圖，對原始肌電圖進(jìn)行心電信號濾除、全波整流、RMS平滑后計(jì)算特征參數(shù)iEMG值。經(jīng)過SPSS軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)后得出以下結(jié)果。

3.1 不同操作的積分肌電值特征

閱讀、打字和游戲3種不同的操作，每10 s分段期間的表面積分肌電平均值如表2所示。閱讀任務(wù)在90 s期間的積分肌電平均值(標(biāo)準(zhǔn)差SD)為108.91(1.29) μV·s；打字任務(wù)在90 s期間的積分肌電平均值(SD)為116.9(0.93)μV·s，游戲任務(wù)在90 s期間的積分肌電平均值(SD)為109.14(0.87)μV·s。

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示，閱讀與打字對頸部肌肉的激活程度呈現(xiàn)顯著性差異(P=0.015<0.05)，游戲與打字任務(wù)對頸部肌肉的激活程度呈現(xiàn)顯著性差異(P=0.016<0.05)；閱讀與游戲任務(wù)對頸部肌肉的刺激程度無顯著性差異(P>0.05)。

表2 不同任務(wù)期間肌肉活動的積分肌電平均值(μV·s)

圖3 不同任務(wù)的積分肌電值比較圖

3.2 不同屏幕尺寸的積分肌電值特征

從使用iPad與iPhone對頸部肌肉的調(diào)動程度對比來看，iPhone在90 s期間的積分肌電平均值(SD)110.5(1.12)μV·s，iPad在90 s期間的積分肌電平均值(SD)106.16(0.62)μV·s，從圖4可以看出，每個(gè)階段使用iPhone的積分肌電都高于iPad，雖然在90 s期間，8人的數(shù)據(jù)并沒有表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)，但是在長期屈頸的過程中，相同時(shí)間內(nèi)使用iPhone造成的頸部肌肉疲勞程度可能會比使用iPad要深。

圖4 不同屏幕尺寸的積分肌電值的變化圖

3.3 左、右側(cè)肌肉積分肌電值特征

在實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)期間，發(fā)現(xiàn)屈頸過程中，左右側(cè)頸斜方肌的激活程度不同，如圖5所示，并且呈現(xiàn)顯著性差異(P=0.001<0.05)，提示左、右兩側(cè)頸斜方肌對屈頸活動的貢獻(xiàn)存在不對稱的現(xiàn)象。

圖5 屈頸中左右側(cè)肌肉積分肌電值的差異

3.4 不同使用方式的積分肌電值特征

從圖6可以看到手持電子產(chǎn)品和將其放置于桌面的積分肌電值的對比曲線，在90 s屈頸期間手持方式對頸斜方肌的激活程度始終比將其放置在桌面上要高，提示長時(shí)間屈頸期間，手持方式更快進(jìn)入疲勞期。

圖6 不同使用方式積分肌電值變化圖

4 討論

本研究旨在探究使用電子產(chǎn)品過程中，不同因素對頸斜方肌激活程度的影響。①移動設(shè)備的不同操作(閱讀、打字、游戲)對頸斜方肌的激活程度不同，打字操作對其激活程度最大，其次是游戲和閱讀，其中打字與閱讀、打字與游戲?qū)︻i肩夾肌的激活程度有顯著性差異，閱讀與游戲?qū)︻i肩夾肌的激活程度無顯著性差異；②屏幕尺寸不同在90 s內(nèi)對頸斜方肌的調(diào)動程度無顯著性差異，但從頸斜方肌積分肌電平均值比較來看，屏幕越大頸斜方肌積分肌電平均值越低；③使用電子產(chǎn)品進(jìn)行頸前屈過程中，左右頸斜方肌的激活程度不同，并呈現(xiàn)顯著性差異；④手持電子產(chǎn)品和將它放置桌面兩種位置對頸斜方肌的激活程度無顯著性差異，但手持電子產(chǎn)品的積分肌電值高于放置桌面上的積分肌電值。

本研究結(jié)果中顯示打字操作對頸部肌肉的激活程度最大，并與游戲和閱讀呈現(xiàn)顯著性差異，因?yàn)榇蜃秩蝿?wù)對頸椎的穩(wěn)定控制能力比其他兩類任務(wù)更高。這在某種程度上與Babski-Reeves等[21]一致，他的研究報(bào)道稱：與簡單的數(shù)學(xué)任務(wù)相比，打字任務(wù)的屈伸平面的姿勢偏移程度更高。其研究中使用的簡單數(shù)字任務(wù)的總體性質(zhì)與本研究中的游戲任務(wù)相似。Szeto等[22]在操作電腦方面做了類似的觀察，打字任務(wù)比查找和閱讀有較高的頭頸彎曲。Ashish D[14]在雙屏計(jì)算機(jī)屏幕對頸部肌肉影響的研究中探討了打字、查找和閱讀3種操作對頸項(xiàng)肌群的影響，結(jié)果是：打字對頸項(xiàng)肌群的激活程度更高，長時(shí)間維持產(chǎn)生的疲勞程度更深。

使用不同屏幕尺寸的電子產(chǎn)品對頸斜方肌的激活程度無顯著性差異。一般來講屏幕越大，對于同一類型的操作來說頸屈的程度應(yīng)該越小，從而對頸部肌肉的激活程度也會越低。從表面肌電的積分值來看屏幕越大對頸部肌肉的刺激程度就越低，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)來看此變量并無顯著性的差異。本研究應(yīng)用的電子產(chǎn)品屏幕大小分別為：4.7英寸和9.7英寸，iPad的屏幕大小是iPhone的兩倍，而差異性不顯著，將會引發(fā)考慮以下問題：①電子產(chǎn)品的屏幕尺寸對頸部肌肉的影響并無預(yù)期的顯著影響，電子產(chǎn)品使用者在購買電子產(chǎn)品時(shí)，考慮保護(hù)頸椎的因素中不用考慮屏幕的大小。②除屏幕尺寸外，屏幕的分辨率是否也對頸部肌肉活動產(chǎn)生影響。

左、右側(cè)頸斜方肌的肌肉協(xié)調(diào)與否關(guān)系著脊柱穩(wěn)定的程度，本研究發(fā)現(xiàn)在頸前屈過程中，左、右頸斜方肌的激活程度不一致，并呈現(xiàn)顯著性差異，這一結(jié)果與有關(guān)學(xué)者的研究一致，該學(xué)者[23]研究了健康人不同頸部運(yùn)動模式、運(yùn)動速度下頸部肌肉的協(xié)調(diào)性，結(jié)果顯示，頸部在前屈和后伸時(shí)的左、右兩側(cè)頸項(xiàng)肌群協(xié)調(diào)性不同，前屈時(shí)的肌肉協(xié)調(diào)性更差。

手持電子產(chǎn)品和將其放置桌面上兩種使用方法，對頸斜方肌的激活程度無顯著性差異。這一結(jié)果可能與坐姿有關(guān)，測量過程中，受試者前臂始終置于桌面上，手持或放置桌面，手增加或減少的力在前臂與桌面的接觸中抵消，所以在頸斜方肌的激活程度上無顯著差異，推想在站位情況下，手持電子產(chǎn)品或許要比將其放在桌上對頸斜方肌的激活程度要大，并且可能在90s便呈現(xiàn)顯著性差異。

雖然本研究在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格限制自變量因素，減少不可控因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但是還是存在一定的局限性。Nimbarte等[24]研究健康人群頸部肌群屈曲-放松現(xiàn)象的性別差異中指出：女性在頸部屈曲-放松過程中，頸項(xiàng)肌群積分肌電值比男性高。孟濤等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，除大學(xué)四年級以外，發(fā)病率隨年級增長而增長，并呈現(xiàn)女高男低的現(xiàn)象。從以上研究發(fā)現(xiàn)，頸屈對頸項(xiàng)肌群的影響與性別和大學(xué)生的年級有關(guān)，而本研究的實(shí)驗(yàn)對象男女比例為7∶1，而且全部來自于大學(xué)四年級，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)對象的范圍將成為后期繼續(xù)此項(xiàng)研究的主要注意內(nèi)容。

在使用電子產(chǎn)品對頸部肌肉的影響這一主題下，今后的研究中可以進(jìn)一步考慮利用傳感器對頸屈的軀干、上肢的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以直觀對比不同情況下的運(yùn)動學(xué)特征。這樣可以幫助研究人員從不同的角度，揭示產(chǎn)生異同的原因?，F(xiàn)階段站立行走中頸屈的現(xiàn)象較多見，可以研究站立和行走過程中使用電子產(chǎn)品對頸部肌肉的影響。

5 結(jié)論

隨著人們的生活和工作習(xí)慣的變化，電子產(chǎn)品等現(xiàn)代用具大量廣泛地深入普通人的生活中。操作電子產(chǎn)品的方式、屏幕的尺寸、將其手持或放置桌面上等相關(guān)因素可能會影響頭頸相應(yīng)肌肉的活動。然而，這個(gè)問題在以往的研究中并未涉及。本研究的結(jié)果顯示，在使用電子產(chǎn)品時(shí)，閱讀、打字、游戲3種操作對頸部肌肉的激活程度對比中，打字對肌肉的激活程度最深；而屏幕尺寸越大并沒有所預(yù)想的會減少對頸部肌肉的調(diào)用。在正中坐位下，前臂置于桌面上，手持電子產(chǎn)品和將其放在桌面，這兩種情況對頸部肌肉激活程度并無顯著性的差異。而在所有使用電子產(chǎn)品進(jìn)行各種操作的過程中，發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)肌肉的激活程度不對稱，如若長此以往將導(dǎo)致不對稱的頭頸姿勢，進(jìn)而可能增加頸部肌肉骨骼疾病的風(fēng)險(xiǎn)。