易燦南，李開偉,2，胡鴻，劉美英，鄭艷芳，何佳媛，龍桐

(1.湖南工學院 安全與管理工程學院，湖南 衡陽 421102;2.臺灣中華大學 工業(yè)管理系，臺灣 新竹 30012)

1 引言

人工破拆作業(yè)廣泛存在于建筑工程、市政工程、路橋工程以及災后破拆營救等各類施工和營救任務中，在這類作業(yè)中，作業(yè)人員手持工具進行打孔、切割、破碎等工作從而實現(xiàn)拆除、清障。根據(jù)手持工具類型，此類作業(yè)可以分為2類：手持一般工具和手持振動工具。其中，作業(yè)人員利用手持振動工具進行作業(yè)時，負荷大、姿勢不當、作業(yè)時間長、持續(xù)施力、作業(yè)環(huán)境不良以及長時間振動暴露，肌肉疲勞明顯，工作相關肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders，WMSDs)風險高[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，歐洲17%以上的作業(yè)人員一半以上工作時間需要使用手持振動工具，其中 13%的作業(yè)人員存在上肢肌肉疼痛[5]。RASHID等[4]研究發(fā)現(xiàn)14.3%的碎石工人存在WMSDs癥狀。在我國，現(xiàn)有研究及調(diào)查結果顯示從事這一類作業(yè)的煤礦工人[1]、建筑工人[6-7]和消防官兵等[8]WMSDs風險高。ISO5439-2001[9-10]以及GBZ/T189.9-2007[11]也規(guī)定了這類作業(yè)過程的振動測量以及職業(yè)衛(wèi)生接觸限值。由此可見人工破拆作業(yè)WMSDs風險評估及預防以及成為職業(yè)衛(wèi)生、工效學、安全科學等領域的熱點研究問題。

肌肉疲勞累積是導致WMSDs的重要原因。文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有人工破拆作業(yè)肌肉疲勞研究主要關注作業(yè)過程中振動傳導[3-4,12-14]、肌力變化[3-4,15-17]、肌肉活動以及姿勢風險[2,18]。例如，REVILLA[3]在實驗室模擬2種握持手柄、不同施力姿勢和不同施力水平下，振動傳導、前臂肌肉活動、握力下降以及手臂不適感；RASHID等[4]測量了碎石工人1 h碎石作業(yè)前后握力的變化以及作業(yè)過程中振動暴露情況；ADEWUSI等[14]測量了振動實驗臺上不同姿勢、不同施力(推力和握力)水平下的振動傳導情況；KIM 和 FERNANDEZ[19]在振動實驗支架上模擬不同作用力和手腕彎曲角度下金屬板鉆孔任務下的最大可接受頻率；ALABDULKARIM等人[20]評估了模擬機身鉆孔業(yè)務的姿勢風險。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大多在振動實驗平臺上進行[14,19]，而真實破拆則以電鉆鉆孔[15,20]、雙手操作大型設備破拆石頭[4]作業(yè)為主，未檢索到建筑工程、路橋工程和人工破拆營救等作業(yè)與任務中常見的破拆混凝土作業(yè)中的肌肉疲勞研究。

基于此，本研究選取典型人工破拆作業(yè)——作業(yè)人員手持振動工具進行混凝土地面破拆作業(yè)為研究對象，結合手持振動工具工作特征，測量作業(yè)過程任務操作量數(shù)據(jù)(肌力)、主觀評分數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)[21]，探究破拆不同高度混凝土地面作業(yè)下作業(yè)人員肌肉疲勞發(fā)展過程，從而達到減少肌肉疲勞累積和預防WMSDs的目的。

2 對象與方法

2.1 被試

有償招募6名大學男生參與實驗，右手慣用手，身體健康且無WMSDs病史。被試于正式實驗之前了解實驗目的與過程，在實驗平臺(圖1)上熟悉地面破拆作業(yè)，邀請某裝修公司水電施工工人講解破拆工具使用安全注意事項并對被試進行破拆作業(yè)培訓，直至被試能夠安全使用破拆工具進行作業(yè)。被試簽署實驗知情書并登記個人基本信息，而后在主試的指導下獨立完成實驗。被試年齡、身高、體質(zhì)量、身體質(zhì)量指數(shù)、肩高、肘高和膝蓋高分別為(19.83±0.75)歲，(172.83±3.87)cm，(75.05±9.69)kg，(25.22±3.80)kg/m2，(142.92±2.90)cm，(106.93±2.50)cm，(51.58±2.48)cm。該實驗在實驗室內(nèi)完成，使用真實破拆器具在破拆實驗平臺上進行作業(yè)，溫度為27.40(±0.77)℃，相對濕度為53.80(±1.99)%。

2.2 儀器設備

(1)破拆實驗平臺：搭建平臺如圖1所示，平臺尺寸2000 mm×1500 mm×180 mm，平臺用厚木板制作且表面做防滑處理，平臺與地面之間放置隔墊減振和防滑。制作4個不銹鋼混凝土模如圖1所示，高模體積為600 mm×300 mm×390 mm，矮模體積為600 mm×300 mm×270 mm。按照常用樓板混凝土砂石比例(C20)以及鋼筋敷設制作混凝土，每個不銹鋼模內(nèi)有600 mm×300 mm×120 mm體積混凝土。不銹鋼模下層鋪有鋼板做夾層處理，以避免破拆工具破壞平臺；模上設有100 mm高度擋板，以防止鉆頭打滑造成危險。實驗中將模放置于平臺上孔洞內(nèi)，以實現(xiàn)不同高度下混凝土地面破拆作業(yè)(高模實現(xiàn)20 cm高度破拆作業(yè)，矮模實現(xiàn)0 cm 高度破拆作業(yè))。每次任務破拆1/3個體積混凝土，即200 mm×300 mm ×120 mm。

圖1 破拆實驗平臺

(2)破拆工具：BOSCH電鎬 GSH500。

(3)握力計：EH101，CAMRY。

(4)無線表面肌電測量裝置：Noraxon16導無線表面肌電(MR3.16)，醫(yī)用膠帶，固定綁帶，一次性心電電極片(康任CH50RB)，筆記本電腦一臺，肌電數(shù)據(jù)采集頻率2000 Hz。

(5)秒表：上海鉆石504。

(6)勞保用品：防護眼鏡(3M，10424)，防護口罩(3M，9002V)和防護手套(3M，防滑耐磨防水)。

2.3 實驗過程

實驗分為2個階段(圖2)，準備階段和地面破拆作業(yè)階段。在準備階段進行有氧鍛煉、測量最大握力并貼電極片，握力測量3次，最大值記為最大隨意收縮(Maximum Voluntary Contraction,MVC)。根據(jù)解剖學相關知識、前期實驗成果以及預實驗結果，此次實驗選定測量7個上肢肌群sEMG信號：左右指淺曲肌，左右肱二頭肌，左右肱三頭肌和右三角肌前束。首先主試去除這些肌群表面毛發(fā)、用75%的酒精棉球反復擦拭，將電極片成對貼于各個肌群肌腹處的皮膚表面(沿肌纖維縱軸方向貼)，每對電極片間隔2 cm，電極片和電線均用透明醫(yī)用膠帶進行加固，用雙面膠將無線傳感器貼于非肌腹處并用膠帶進行加固。

圖2 實驗步驟

此實驗為單因素實驗，被試進行0 cm和20 cm 2個地面高度下的破拆作業(yè)(圖1，圖3)。每個試次實驗時間總長30 min，為保護設備電機和實驗安全，設定單次破拆時長40 s，每分鐘破拆40 s，休息20 s，30 min內(nèi)完成30次破拆。每隔5 min，主試詢問被試全身主觀肌肉疲勞評分(Ratings of Perceived Exertion,RPE)[21]、右手的主觀痛感評分(Ratings of Perceived Ache,RPA)以及雙臂的主觀振動不適評分(Ratings of Perceived Vibration,RA)(表1)。實驗結束后馬上測量握力，記為GF。實驗結束后詢問左臂、右臂、腰背、左腿和右腿的局部疲勞RPE評分。被試2次實驗之間間隔24 h以上，并且實驗前24 h禁止劇烈體力活動。

(a)0cm高度

(b)20cm高度圖3 不同高度混凝土地面破拆作業(yè)

實驗過程中隨著破拆的推進，碎渣飛濺并且產(chǎn)生大量粉塵和碎裂混凝土，被試和所有主試均佩戴專業(yè)防護口罩，被試佩戴護目鏡。實驗配備4名主試人員：主試1負責sEMG數(shù)據(jù)采集和發(fā)出破拆、休息指令；主試2負責記錄RPE數(shù)據(jù)、監(jiān)控被試姿勢和擦拭被試汗液；主試3監(jiān)控粉塵產(chǎn)生情況，若粉塵產(chǎn)生量大則往混凝土上噴灑小水滴增濕以降低揚塵，并且在被試休息時接過主試破拆設備；主試4監(jiān)控碎裂混凝土量，若產(chǎn)生碎裂混凝土太多影響到破拆推進，在被試休息時間段佩戴專業(yè)手套迅速手動移除碎裂混凝土。

2.4 數(shù)據(jù)處理

實驗總共記錄24個(6位被試×2個高度×2個時段)肌力數(shù)據(jù)，192個(全身疲勞數(shù)據(jù)：6位被試× 2個高度× 6個時段；各身體部位疲勞數(shù)據(jù)：6位被試×2個高度×5個身體部位)RPE數(shù)據(jù)，72個(6位被試× 2個高度× 6個時段)RPA和RPV，84組(6位被試×2個高度×7個肌群)無線表面肌電數(shù)據(jù)。對于無線表面肌電數(shù)據(jù)，對其進行降噪、整流、濾波(10-500 Hz)、平滑、標準化等處理，標準化處理方式為計算每位被試當次實驗的最大值并將該值作為標準化的基準值[22]。每個試次分為30個時段，每個時段取40 s破拆作業(yè)的中間30 s的sEMG數(shù)據(jù)，即去掉前5 s和后5 s數(shù)據(jù)，記為時段1～30，分析不同時段下頻域指標中值頻率(Median Frequency，MF)的特征。分別利用Microsoft?Excel 2019和SAS?9.0進行數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計分析。

3 結果

3.1 肌力及主觀評分數(shù)據(jù)分析結果

地面高度僅對時段30全身RPE影響顯著(P<0.05)，且0 cm高度(5.67±0.52)顯著大于20 cm高度(4.50±0.55)；對所有時段GF、RPA、RPV以及其他時段全身RPE均不顯著(P>0.05)。地面高度對實驗結束后所有身體部位的局部RPE影響均不顯著(P>0.05)，但0 cm高度下腰背和右臂RPE均大于20 cm高度(表2)。對MVC和GF進行配對T檢驗，二者存在顯著差異(P<0.05)，MVC(51.43±4.32)N顯著大于GF(36.00±6.75)N。對破拆作業(yè)過程不同時段的RPE、RPA和RPV進行方差分析，時段對這三者均顯著，其p值和F值分別為P<0.0001，F(xiàn)=32.41；P<0.0001，F(xiàn)=17.71；P<0.0001，F(xiàn)=22.10。不同時段下Duncan'S新復極差法分析結果如表3所示。

表3 Duncan分析結果

3.2 sEMG數(shù)據(jù)分析結果

地面高度對左右指淺曲肌、右肱三頭肌以及右三角肌前束MF影響顯著(P<0.05)(表4)。不同時段下，各肌群MF并無顯著差異(P>0.05)，對不同高度下所有肌群在時段1和30的MF進行配對T檢驗，也未發(fā)現(xiàn)顯著差異(P>0.05)。

表4 不同地面高度下各肌群MF值 /Hz

4 討論

本實驗通過任務操作量測量(GF)、主觀評價測量(RPE、RPA和RPV)和生理測量(sEMG)研究0 cm和20 cm 高度下人工破拆混凝土地面作業(yè)肌肉疲勞發(fā)展情況。任務操作量測量握力[3-4,9-10]；主觀評價測量基于Borg CR-10量表評價肌肉疲勞，基于自制李克特5級量表測量痛感和振動不適；生理測量采用sEMG測量相關肌群。課題組通過文獻調(diào)研、現(xiàn)場訪談、姿勢分析3個方面綜合確定測量肌群：通過對相似作業(yè)任務進行調(diào)研[23]，發(fā)現(xiàn)這類任務中由于彎腰幅度大，腰背肌肉疲勞相當明顯；對在學校進行作業(yè)的某建筑工程水電施工的幾位工人進行訪談，了解他們工作所導致酸痛部位主要存在于上肢與腰背；利用姿勢分析工具如工作姿勢分析系統(tǒng)(Ovako Working Posture Analysis System,OWAS)和上肢快速評估(Rapid Upper Limb Assessment,RULA)對0 cm和20 cm 高度下人工破拆混凝土作業(yè)進行姿勢風險評估，2個高度下OWAS評分均為為2141，達到AC3風險等級，0 cm 高度下RULA評分(6分)稍高于20 cm 高度(5分)，但均屬于AL3風險等級。在預實驗中，課題組采集上肢與腰背相關肌群sEMG數(shù)據(jù)，但在測量被試腰背豎脊肌sEMG數(shù)據(jù)時，出現(xiàn)以下2個問題：首先，實驗設定為真實路橋工程、建筑工程、災后人工破拆營救等過程中的混凝土地面破拆作業(yè)，被試進行彎腰破拆、坐姿休息的工作/休息方式，這個過程中存在彎腰、站立等動作，頻繁的彎腰、坐姿切換導致腰部肌肉頻繁拉伸、收縮，從而導致豎脊肌處電極片拉伸、擠壓，造成位移；其次，實驗中揚塵過大，雖然實驗盡量在夏天陰天的時候進行，但由于揚塵問題實驗過程開空調(diào)且開窗開門，溫度有所控制但相對濕度較大，被試上身分泌大量汗液，造成電極片粘性降低，甚至出現(xiàn)脫落。雖然主試利用大量醫(yī)用膠布對該肌群電極片進行加固，但10 min以后電極片就難以固定，無法采集有效信號。所以本實驗中僅采集上肢相關肌群，腰背疲勞則通過主觀評價的方式進行。

30 min 地面破拆作業(yè)后，握力從(51.43±4.32)N下降到(36.00±6.75)N，降幅為(15.43±5.45)N，疲勞量為30% MVC。全身RPE、RPA和RPV分別從時段5的1.01±0.90、0.33±0.65和0.25±0.45，上升至時段30的5.08±0.79(強烈)、2.83±0.39(比較疼痛)和2.75±0.45(比較疼痛)。肌肉疲勞明顯，但沒有達到Borg CR-10評分中7 “非常強”的級別；也通過主觀測量獲得了設備開啟過程中振動不適評價以及握持設備并提起、按壓等動作導致的手部疼痛評價。在預實驗階段，雖然聘請了專業(yè)人員對被試做了安全指導和操作培訓，由于被試都是在校大學生，出于安全以及職業(yè)衛(wèi)生(實驗過程產(chǎn)生大量粉塵)考量，并沒有誘發(fā)疲勞到7的級別。在一些疲勞恢復實驗中疲勞誘發(fā)量為30% MVC[15]，與我們實驗基本一致。

2種高度下，時段30全身RPE差異顯著，且0 cm高度(5.67±0.52)顯著>20 cm高度(4.50±0.55)。雖然地面高度對GF差異不顯著，但是0 cm高度下降幅(15.95±5.83)N>20 cm高度(14.92±5.55)N。根據(jù)實驗結束后身體各部位RPE分析來看，導致全身RPE顯著差異的原因在于2種高度下腰背和右臂評分的差異(表2)。在這2個地面高度的實驗中，0 cm 高度時，被試需要更大幅度彎腰(圖3)，握持設備并且根據(jù)破拆任務的推進頻繁提起、尋找破拆點、壓下，從而導致該高度下腰背和右臂RPE高于20 cm高度。

由于該次實驗任務只誘發(fā)了30% MVC的疲勞量，負荷不大。研究發(fā)現(xiàn)在不同噪聲幅度下，MF與平均功率(Mean Power Frequency，MPF)相比，對任何信噪比下都具有相對較小的誤差[24]。徐勝等人[25]發(fā)現(xiàn)MF指標能夠有效反應肌肉疲勞負荷程度不高下的疲勞評估，因此本實驗中提取sEMG 頻域MF指標。地面高度對左右指淺曲肌、右肱三頭肌和右三角肌前束差異顯著，這可能由2個高度下(圖3)被試姿勢和施力方式的差異所導致，這也基本與實驗后身體各部位RPE評分結果一致(表2)。破拆過程中，雖然每位被試需要破拆的混凝土體積一樣，但被試在破拆點的尋找和施力的方式并不完全一致，有些被試習慣于垂直壓下施力，有些被試習慣于垂直壓下、斜挑等方式輪流切換，從而造成肌群調(diào)用的差異，這可能也就是各時刻點上sEMG數(shù)據(jù)差異并不顯著的原因。繪制2種高度下1-30時段各肌群的MF均值圖(圖4)以探究MF隨時段而變化的情況。發(fā)現(xiàn)2種條件下左肱二頭肌(圖4(c)、(d))、右指淺曲肌(圖4 (g)、(h))、右肱二頭肌(圖4(i)、(h))、和右肱三頭肌(圖4(k)、(l))均出現(xiàn)下降趨勢，0 cm高度下右三角肌前束(圖4(m))也出現(xiàn)下降趨勢。MF的下降意味著隨著破拆的進行，功率譜左移，這些肌群產(chǎn)生了肌肉疲勞[26]。肌肉疲勞研究中，常以MF斜率來描述疲勞發(fā)展速率[25,2,27]，因此擬合MF隨時段而變化的方程繪制于圖4，擬合方程系數(shù)即為MF斜率(表5)。斜率的絕對值越大，疲勞累積越快。由表5，0 cm高度下疲勞發(fā)生肌群的斜率均大于20 cm高度。這與任務操作量和主觀評價數(shù)據(jù)分析結果一致。

表5 疲勞肌群的實測和預測MF的 ICC和r值

(a)0 cm高度左指淺曲肌

(b)20 cm高度左指淺曲肌

(c)0 cm高度左肱二頭肌

(d)20 cm高度左肱二頭肌

(e)0 cm高度左肱三頭肌

(f) 20 cm高度左肱三頭肌

(g)0 cm高度右指淺曲肌

(h)20 cm高度右指淺曲肌

(i)0 cm高度右肱二頭肌

(j)20 cm高度右肱二頭肌

(k)0 cm高度右肱三頭肌

(l)20 cm高度右肱三頭肌

(m)0 cm高度右三角肌前束

(n)20 cm高度右三角肌前束

利用所獲得擬合方程，對MF進行預測。對實測MF和預測MF進行相似性分析和相關分析[28-29](表5)，相似性分析用組內(nèi)相關系數(shù)(Intraclass Correlation Efficient,ICC)(ICC介于0～1之間：ICC<0.4，信度較差；ICC介于0.4～0.75之間，信度一般；ICC>0.75，信度良好)表示，相關性分析則用皮爾森相關系數(shù)r(|r|≤1，越靠近1，越相關)表示。發(fā)現(xiàn)除20 cm高度下右肱三頭肌外，實測和預測MF具有較好的相似性和相關性。20 cm下右肱三頭肌預測MF相似性和相關性差的原因可能如下：肱三頭肌與肘部伸展有關，該高度下地面破拆作業(yè)中右臂能夠相對較快尋找到破拆點，右臂基本處于屈肘狀態(tài)，因此疲勞累積相對較慢。但是如果實驗時間加長，該高度破拆作業(yè)下肌肉疲勞累積也會變得明顯。

以往研究發(fā)現(xiàn)，肌肉疲勞主觀評分數(shù)據(jù)與操作任務測量數(shù)據(jù)以及生理指標具有很好的一致性[30-36]，并能基于它們之間的關系，構建一些RPE方程：如，周前詳?shù)萚30]構建了基于EMG疲勞能量的RPE方程，胡鴻等人[31-32]構建基于肌力的RPE模型，劉光達等人[35]構建了以時域和頻域組合指標的RPE方程。在此，嘗試分析地面破拆作業(yè)過程中全身RPE評分和各肌群MF的關系。首先對時段5、10、15、20、25、和30下的全身RPE和各肌群MF數(shù)據(jù)進行相關分析(表6)，發(fā)現(xiàn)左肱二頭肌、右指淺曲肌、右肱二頭肌和右肱三頭肌與RPE均顯著相關(|r|≥0.66，P<0.05)。因此推測全身RPE與以上4個測量肌群的疲勞有著某種關系。對RPE及以上4個肌群進行多元線性回歸，采用逐步回歸算法，并進行共線性診斷。發(fā)現(xiàn)左肱二頭肌、右指淺曲肌以及右肱二頭肌偏相關，偏相關系數(shù)分別為-0.57(P=0.066)、-0.55(P=0.079)、-0.55(P=0.081)。因此得到全身RPE與sEMG數(shù)據(jù)的關系：RPE=25.42-0.425×MF右肱二頭肌 (R2=0.84，P=0.001)。

表6 相關分析

RPE方程的獲得進一步驗證了sEMG數(shù)據(jù)與主觀評價數(shù)據(jù)的一致性。但由于在本實驗中并沒有采集腰背sEMG數(shù)據(jù)，同時由于主觀評分匯報比較多(RPE、RPA、RPV)，為減少被試主觀評分太多而造成評分值誤差，也沒有采集不同時段下腰背RPE評分，因此本文所獲得RPE方程并沒有包含影響全身疲勞評分較大的腰背數(shù)據(jù)。當采集更多sEMG數(shù)據(jù)情況下，腰背sEMG是否也與左肱二頭肌sEMG存在偏相關，需要進一步實驗進行探索。

本研究存在以下缺陷。首先，本實驗并沒有采集腰背sEMG信號，不能客觀評價腰部肌肉疲勞。基于腰背RPE評分(表2)，腰背疲勞較為明顯，在后續(xù)的研究中，課題組將調(diào)整實驗設計，例如采用Li等人[37]采用的強力膠帶的方式進行固定或者采用陣列式傳感器[38]采集更多肌群sEMG信號，以全面評估作業(yè)過程中的肌肉疲勞情況。其次，出于安全和職業(yè)衛(wèi)生防護考慮，作業(yè)時長和破拆混凝土體積都不大，與實際破拆作業(yè)存在一定的區(qū)別，在后期將盡量加大作業(yè)時長和破拆混凝土體積，增加破拆難度，進一步深入、全面探討破拆作業(yè)過程肌肉疲勞發(fā)展。再次，本次所招募被試為大學男生，雖然經(jīng)過了專業(yè)訓練，但在體能與破拆技巧上與專業(yè)人員存在一定差別，例如在RASHID等人[4]的研究中，現(xiàn)場破碎石頭作業(yè)1 h以后，握力下降5.86 kg，但疲勞量僅為10.06% MVC，該值<本實驗(30% MVC)，當然這種差異也可能與所選擇的工具型號有關，本實驗中采用的是相對較小電鎬，而RASHID等研究中采用的是大號器具，在他們實驗中雙手處于同一水平面握持，相對較為容易，以后將考慮聘請具有一定工作年限的專業(yè)人士進行破拆，以降低體能和破拆技巧差異帶來的影響。最后，此次實驗中只使用了1種破拆工具對C20樓板混凝土進行破拆，其他型號破拆工具以及其他破拆對象如墻體、路面并沒有考慮，后期將繼續(xù)開展相關方面的進一步研究。

5 結論

(1)人工破拆混凝土地面作業(yè)容易造成肌肉疲勞累積，握力下降，全身RPE上升，握持手柄施力手痛感以及手傳振動不適明顯，在地面破拆作業(yè)中要合理安排工作降低WMSDs風險。

(2)不同地面破拆高度下，腰背和右臂RPE評分差異比較明顯，且均為0 cm高度大于20 cm高度，建議在較低地面破拆作業(yè)中采用較大型設備以實現(xiàn)較低身體彎曲幅度進行操作，降低腰背WMSDs風險。

(3)地面破拆作業(yè)中，上肢地面人工破拆作業(yè)中左右肱二頭肌、右指淺曲肌、右肱三頭肌疲勞累積明顯，0 cm高度下右三角肌前束也出現(xiàn)疲勞累積明顯現(xiàn)象，每工作一段時間后，建議適當休息并制定相關的干預策略緩解這些肌群的疲勞。