熊凱文，王 瑤，王子含,3，宋春楊，馬 進(jìn)，胡文東

(1空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系航空航天醫(yī)學(xué)裝備教研室，陜西 西安 710032；2空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，陜西 西安 710038；3陜西中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，陜西 咸陽 712046)

腰痛在全球范圍內(nèi)具有較高的患病率[1]。飛行員作為易感人群，更常受到腰痛的困擾[2-3]，進(jìn)而對其工作能力造成不良影響[4]。飛行員所承受的加速度是導(dǎo)致腰痛的重要危險因素，其中水平加速度帶來的突發(fā)負(fù)荷在腰痛的發(fā)生中起到了重要作用。預(yù)負(fù)荷會使相應(yīng)肌肉在工作前呈現(xiàn)預(yù)激活狀態(tài)，具有穩(wěn)定軀體的作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在固定骨盆的半坐位下，肌肉預(yù)激活可以增加內(nèi)部肌肉的緊張性，減少外部突發(fā)負(fù)荷對軀干的干擾[5]。但是，不同肌肉預(yù)激活方式和強(qiáng)度的腰部防護(hù)效果不同，且坐姿會影響肌肉激活的效果[6]，可能也會對肌肉預(yù)激活作用產(chǎn)生影響。為進(jìn)一步明確肌肉預(yù)激活在飛行員坐姿狀態(tài)下承受突發(fā)負(fù)荷的作用，本研究擬探索坐姿條件下前向突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度和預(yù)負(fù)荷方式以及強(qiáng)度對軀體穩(wěn)定性的影響。

1 對象與方法

1.1 對象

本實驗招募17名男性大學(xué)生作為被試，年齡(21.12±1.22)歲，身高(175.47±4.43)cm，體質(zhì)量(69.50±6.96)kg。納入標(biāo)準(zhǔn)：身高在164～185 cm之間，體質(zhì)量不低于標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)量的80%，不高于標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)量的130%，標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)量(kg)=身高(cm)-110；實驗前24 h未進(jìn)行劇烈體力活動，無肌肉疲勞、酸痛等現(xiàn)象，身體健康狀況良好，無腰背部相關(guān)疾病史。所有實驗對象對實驗的目的和過程完全知情，并簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 實驗?zāi)Ｐ?本實驗建立了前向突發(fā)負(fù)荷模型(圖1)。在該模型中，被試坐于座椅上，雙腳分開與肩同寬，雙手置于身體兩側(cè)，胸前T4位置通過繩索連接突發(fā)負(fù)荷(圖1中 ① 處)，繩索中設(shè)置拉力傳感器(圖1中 ② 處)監(jiān)視負(fù)荷大小，身體T4位置安置角度傳感器(圖1中 ③ 處)以獲取身體晃動參數(shù)。

①水平突發(fā)負(fù)荷施加處；②拉力傳感器；③角度傳感器。

此外，根據(jù)飛行員操作模式和相似研究的方法，本實驗研究的預(yù)負(fù)荷方式包括3種(前向預(yù)負(fù)荷、后向預(yù)負(fù)荷和右手拉式預(yù)負(fù)荷)。前向預(yù)負(fù)荷通過上述前向突發(fā)負(fù)荷的方式實現(xiàn)，后向預(yù)負(fù)荷通過胸后T4位置連接負(fù)荷實現(xiàn)，手拉式預(yù)負(fù)荷通過被試右手在臍高度抓握負(fù)荷實現(xiàn)。

1.2.2 最大負(fù)荷力量(maximal load force，MLF)測量

MLF可通過前向突發(fā)負(fù)荷模型實現(xiàn)，其測量內(nèi)容包括前向最大負(fù)荷力量(MLF前)、后向最大負(fù)荷力量(MLF后)和右手拉式最大負(fù)荷力量(MLF拉)。具體測量方式：被試人員胸前T4位置連接負(fù)荷，測量其從上身略微前傾至中立正直坐姿(全程軀體保持正直)所能拉起的最大負(fù)荷，記為MLF前；被試人員胸后T4位置連接負(fù)荷，測量其從上身略微后傾至中立正直坐姿(全程軀體保持正直)所能拉起的最大負(fù)荷，記為MLF后；被試人員右手在臍高度抓握連接負(fù)荷繩索，測量拉起的最大負(fù)荷，記為MLF拉；上述拉起標(biāo)準(zhǔn)均為1 cm。被試人員完成MLF測量后參加后續(xù)實驗需間隔48 h以上。此外，本實驗研究的3種預(yù)負(fù)荷方式實現(xiàn)方法與上述MLF測量方法相似。

1.2.3 實驗過程 17名被試以隨機(jī)順序先后參加4組實驗，包括對照組、前向預(yù)負(fù)荷組、后向預(yù)負(fù)荷組和手拉式預(yù)負(fù)荷組。對照組無預(yù)負(fù)荷，前向預(yù)負(fù)荷組的預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度分別為20%和40% MLF前，后向預(yù)負(fù)荷組的預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度分別為20%和40% MLF后，手拉式預(yù)負(fù)荷組的預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度分別為20%和40% MLF拉；所有組的突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度均設(shè)置為20%、40%和60% MLF前。

在各組中，被試根據(jù)前向突發(fā)負(fù)荷模型要求坐于座椅上，拉起相應(yīng)的預(yù)負(fù)荷(對照組無預(yù)負(fù)荷)并保持穩(wěn)定的坐姿10 s，隨后在聲音提示下分別施加20%、40%和60% MLF前的突發(fā)負(fù)荷，記錄身體晃動參數(shù)。為了避免發(fā)生肌肉疲勞，組間間隔10 min，組內(nèi)每次間隔5 min。

2 結(jié)果

2.1 前向預(yù)負(fù)荷

預(yù)負(fù)荷和突發(fā)負(fù)荷的交互作用對軀體晃動角度的影響有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，進(jìn)行單獨效應(yīng)分析，結(jié)果如圖2所示。

2.1.1 預(yù)負(fù)荷的單獨效應(yīng) 研究在突發(fā)負(fù)荷作用下不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度的作用。在突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度的晃動角度之間均存在差異(P<0.05)，進(jìn)一步比較后發(fā)現(xiàn)，預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF時的晃動角度小于無預(yù)負(fù)荷時的晃動角度(P<0.05)，而無預(yù)負(fù)荷和預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF之間、預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF和預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF之間的晃動角度均無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；在突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF時，得到了與上述相似的結(jié)果；在突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度之間的晃動角度無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05，圖2A)。

2.1.2 突發(fā)負(fù)荷的單獨效應(yīng) 研究在預(yù)負(fù)荷作用下不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度的作用。在無預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度時，不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度的晃動角度之間存在差異(P<0.01)，進(jìn)一步比較后發(fā)現(xiàn)，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF的晃動角度(均P<0.01)，而突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF之間的晃動角度無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF時，得到了與上述相似的結(jié)果；在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF時，在與上述結(jié)果相似的基礎(chǔ)上，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40%MLF的晃動角度(P<0.01，圖2B)。

A：預(yù)負(fù)荷在不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度下的作用；B：突發(fā)負(fù)荷在不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度下的作用。MLF:最大負(fù)荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.2 后向預(yù)負(fù)荷

由于預(yù)負(fù)荷和突發(fā)負(fù)荷對軀體晃動角度的影響不存在交互作用(P>0.05)，進(jìn)行主效應(yīng)分析。不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度和不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對晃動角度的影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，進(jìn)行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF的晃動角度小于無預(yù)負(fù)荷晃動角度(P<0.05)，其余無統(tǒng)計學(xué)意義(圖3A)；突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF的晃動角度(均P<0.01)，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF的晃動角度(P<0.05，圖3B)。

A：預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體的影響；B：突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體的影響。MLF:最大負(fù)荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.3 手拉式預(yù)負(fù)荷

由于預(yù)負(fù)荷和突發(fā)負(fù)荷對軀體晃動角度的影響不存在交互作用(P>0.05)，進(jìn)行主效應(yīng)分析。不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度和不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對晃動角度的影響具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，進(jìn)行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF的晃動角度均小于無預(yù)負(fù)荷和預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF(均P<0.05，圖4A)的晃動角度，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF的晃動角度均大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF的晃動角度(P<0.01)，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF的晃動角度大于突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF的晃動角度(P<0.01，圖4B)。

A：預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體的影響；B：突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體的影響。MLF:最大負(fù)荷力量。 aP<0.05， bP<0.01。

2.4 不同預(yù)負(fù)荷方式之間的比較

本研究進(jìn)行三因素多水平方差分析，發(fā)現(xiàn)不同預(yù)負(fù)荷方式、不同預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度和不同突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體晃動角度的影響存在交互作用(P<0.05)。當(dāng)預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20%、40%和60% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷方式之間無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05，圖5A)；當(dāng)預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷方式之間存在統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，進(jìn)行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，前向預(yù)負(fù)荷的晃動角度小于后向預(yù)負(fù)荷和手拉式預(yù)負(fù)荷的晃動角度(均P<0.05)；當(dāng)預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷方式之間無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；當(dāng)預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60% MLF時，不同預(yù)負(fù)荷方式之間存在統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，進(jìn)行兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，前向預(yù)負(fù)荷的晃動角度大于后向預(yù)負(fù)荷和手拉式預(yù)負(fù)荷的晃動角度(P<0.05，圖5B)。

A：預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為20% MLF時不同預(yù)負(fù)荷方式的比較；B：預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40% MLF時不同預(yù)負(fù)荷方式的比較。MLF:最大負(fù)荷力量。 aP<0.05。

3 討論

飛行員所承受的加速度是腰痛的重要危險因素。加速度作為載人設(shè)備的常見動力學(xué)參數(shù)，其大小和方向會在一定程度上影響飛行員的腰椎健康與駕駛安全。從力學(xué)角度上看，運動過程中人體所承受的加速度可以看作外部對人體施加的負(fù)荷，并且不同的加速度方向可以對人體造成不同的負(fù)荷。根據(jù)加速度的方向，人體組織所承受的內(nèi)部應(yīng)力主要包括壓縮應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力[7]。加速度帶來的負(fù)荷會對脊柱造成不同程度的損傷。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，人體脊柱抗壓縮應(yīng)力的能力要強(qiáng)于抗剪切應(yīng)力的能力，剪切力可以直接導(dǎo)致脊柱結(jié)構(gòu)受損[8]。人體脊柱的腰椎關(guān)節(jié)承載著更多的剪切力，在抵抗剪切負(fù)荷方面發(fā)揮著很大作用，但脊柱承受的剪切負(fù)荷過大會導(dǎo)致腰椎關(guān)節(jié)負(fù)荷增加，并可能對周圍結(jié)構(gòu)組織造成損傷，導(dǎo)致下腰痛[9-10]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有腰痛的人經(jīng)歷橫向剪切力比正常人高75%，這表明了剪切載荷及其力學(xué)響應(yīng)的重要性[11]。因此，水平加速度帶來的剪切應(yīng)力在腰痛的發(fā)生中起到了重要作用。本研究針對飛行員經(jīng)常承受的前向水平加速度帶來的前向突發(fā)負(fù)荷，探索預(yù)負(fù)荷穩(wěn)定軀體的作用。

軀體承受突發(fā)負(fù)荷會發(fā)生晃動，晃動參數(shù)和軀體的穩(wěn)定性有關(guān)。在施加一定突發(fā)負(fù)荷時，晃動角度越大，說明身體越難以應(yīng)對此種負(fù)荷情景，軀體越不穩(wěn)定。突發(fā)負(fù)荷和預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體穩(wěn)定性具有不同的作用。在本研究中，在各種預(yù)負(fù)荷方式作用下，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度越大，身體的晃動角度越大，表明軀體的穩(wěn)定性會隨著突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度的提升變得不穩(wěn)，突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度對軀體穩(wěn)定性具有很大影響[12]；預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度越大，身體的晃動角度越小，表明預(yù)負(fù)荷具有穩(wěn)定軀體的作用。更大的預(yù)負(fù)荷引起的更強(qiáng)的肌肉力量和僵硬度，可在擾動前增加軀干的穩(wěn)定性[5]。但是，預(yù)負(fù)荷的作用似乎具有平臺期。在前向和后向預(yù)負(fù)荷方式中，預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度從20%增加到40%帶來的晃動角度變化明顯較小。VERA-GARCIA等[13]也得出了相似的結(jié)論，當(dāng)腹部預(yù)激活從20%增加到30%時，軀體的位移差異并沒有達(dá)到統(tǒng)計學(xué)差異，表明這些預(yù)激活水平產(chǎn)生了相似程度的軀干穩(wěn)定性。但是，我們發(fā)現(xiàn)手拉式預(yù)負(fù)荷似乎沒有這種平臺期的表現(xiàn)，其原因可能是本研究采用的手拉式預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度所帶來的穩(wěn)定肌強(qiáng)度的變化在平臺期范圍之外。

不同預(yù)負(fù)荷方式對軀體穩(wěn)定性也具有不同的作用。本研究的結(jié)果表明，在較低的預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度時，前向、后向和手拉式預(yù)負(fù)荷方式之間無差異；在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40%而突發(fā)負(fù)荷較低時，前向預(yù)負(fù)荷方式可能具有更好的穩(wěn)定軀體作用。但是，我們發(fā)現(xiàn)在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40%且突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60%時，前向預(yù)負(fù)荷方式產(chǎn)生的身體晃動角度明顯較高，說明當(dāng)預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度疊加后臨近軀體所能承受最大負(fù)荷時，即使是前向預(yù)負(fù)荷方式，也不能起到穩(wěn)定軀體的作用，甚至可能具有不良作用。

軀干剛度是研究脊柱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，預(yù)負(fù)荷作用對軀體剛度存在影響[14]。軀干預(yù)負(fù)荷和由此帶來的肌肉預(yù)激活會增加軀干的剛度，減少負(fù)荷后的軀干位移[13]。有研究對站立受試者施加水平預(yù)負(fù)荷后進(jìn)行不同方向剛度測量，發(fā)現(xiàn)前向和后向剛度之間的差異僅為2%[15]。而VETTE等[16]在相似條件下對坐姿受試者進(jìn)行剛度測量，發(fā)現(xiàn)前向和后向剛度之間的差異為15%。這種軀干剛度的差異可能是不同水平預(yù)負(fù)荷方向預(yù)激活不同肌肉導(dǎo)致的[15]。因此，本研究前向和后向預(yù)負(fù)荷帶來的軀干起始剛度可能不同，進(jìn)而對軀體的穩(wěn)定性帶來不同的影響。

本研究的不足之處在于，在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40%且突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度為60%時，雖然發(fā)現(xiàn)當(dāng)同一方向的積累負(fù)荷臨近軀體所能承受的最大負(fù)荷時存在不良作用，但是未能有效了解高預(yù)負(fù)荷和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度下不同預(yù)負(fù)荷方式的影響效果，后期考慮作進(jìn)一步研究。

綜上所述，本研究探索坐姿條件下前向突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度和預(yù)負(fù)荷方式以及強(qiáng)度對軀體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，預(yù)負(fù)荷方式穩(wěn)定軀體的效果與預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度有關(guān)，在預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度為40%且突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度較低時，前向預(yù)負(fù)荷方式具有更好的穩(wěn)定軀體作用；而同向積累負(fù)荷臨近軀體所能承受的最大負(fù)荷時，可能具有負(fù)面作用。此外，軀體穩(wěn)定性和突發(fā)負(fù)荷強(qiáng)度呈反比，和預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度呈正比，但是后者似乎存在平臺期。