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利用運動(dòng)生物力學(xué)方法進(jìn)行體力負荷的研究進(jìn)展的論文
Hart和Wickens認為，負荷是一個(gè)通用的術(shù)語(yǔ)，用于描述任務(wù)對人體資源的消耗，這種消耗既包括注意力、認知、反應速率的下降，也包括疲勞增加、舒適性和作業(yè)能力的下降等。從工效學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，不合理的任務(wù)設計和工作環(huán)境會(huì )使勞動(dòng)者的負荷過(guò)大，人的能力無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)的需求，從而導致安全事故和職業(yè)病。體力負荷可以被認為是任務(wù)對勞動(dòng)者體力資源的消耗，一般而言，勞動(dòng)者只要進(jìn)行體力活動(dòng)，就會(huì )產(chǎn)生體力負荷�，F代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對作業(yè)任務(wù)和產(chǎn)品進(jìn)行合理的設計和規劃，在保證勞動(dòng)者合理負荷的基礎上，盡可能發(fā)揮人的潛能以提高工作效率。這需要對勞動(dòng)者的體力負荷進(jìn)行預測評估，而運動(dòng)生物力學(xué)方法可以滿(mǎn)足這種需求。如Grujicic利用Anybody骨肌系統建模軟件建立汽車(chē)駕駛員模型，研究不同坐姿和座位布局情況下駕駛員關(guān)節、脊柱和肌肉的負荷狀況，對駕駛座位布局提出合理的改進(jìn)建議。利用運動(dòng)生物力學(xué)方法進(jìn)行體力負荷的研究較為寬泛，我們從關(guān)節層面對負荷評價(jià)方法進(jìn)行綜述，包括關(guān)節作業(yè)能力、舒適性、疲勞和恢復研究等。
關(guān)節作業(yè)能力。最大單關(guān)節力矩長(cháng)時(shí)間以來(lái)，人們一直在探索人體運動(dòng)的基本規律，而人體主要關(guān)節的生物力學(xué)規律是人體運動(dòng)的基礎，最大關(guān)節力矩的研究可以為各項任務(wù)負荷的研究評價(jià)提供基礎生理參數依據，為眾多研究者關(guān)注的重點(diǎn)。
NASA研究人員為分析航天員的操作任務(wù)，開(kāi)展大量單關(guān)節等速運動(dòng)實(shí)驗，建立動(dòng)態(tài)關(guān)節力量模型。NASA按照人體運動(dòng)的習慣將關(guān)節轉動(dòng)速度設定為60、120、180、240°/s4個(gè)檔次，繪制該關(guān)節在等速運動(dòng)過(guò)程中的最大關(guān)節力矩曲線(xiàn)，并將結果進(jìn)行回歸分析，建立在特定角速度和轉動(dòng)方向下，最大關(guān)節力矩隨關(guān)節角度α變化的擬合函數，如下所示：Y=A+Bα+Cα2（1）其中，Y為最大關(guān)節力矩（Nm），α為關(guān)節角度（°），A、B、C為方程的擬合系數。國內學(xué)者盧德明等開(kāi)展了大量單關(guān)節運動(dòng)測試實(shí)驗，對中國青年的關(guān)節肌力情況進(jìn)行研究。
他們針對肩、肘、腕、髖、膝、踝6大關(guān)節，分別開(kāi)展不同角速度（60、120、180、240°/s）的等速向心和離心測試，以及不同角度（30、60、90、120、150°）的等長(cháng)測試，測試不同單關(guān)節運動(dòng)狀況中的最大關(guān)節力矩，建立中國男女青年與關(guān)節角度、角速度相關(guān)的人體6大關(guān)節屈伸肌群生物力學(xué)特征的基礎參數體系。
單關(guān)節運動(dòng)最大維持時(shí)間最大維持時(shí)間（maximum endurance time,MET）描述關(guān)節和肌肉在一定的載荷下能夠維持的最大時(shí)間，是定量描述人體負荷的有效方法，在工程中得到廣泛的應用。研究證明用相對關(guān)節力矩與最大維持時(shí)間之間的關(guān)系來(lái)定量描述肌肉的負荷和疲勞情況是非常有效的手段。浙江大學(xué)王篤明開(kāi)展肘關(guān)節50%MVC等長(cháng)彎曲測試，在任務(wù)持續到最大維持時(shí)間的過(guò)程中，受試者不斷報告其主觀(guān)疲勞感覺(jué)。結果表明，主觀(guān)疲勞評價(jià)分數與持續時(shí)間成明顯相關(guān)關(guān)系。因此，可以通過(guò)對比任務(wù)持續時(shí)間與MET,評價(jià)受試者的負荷和疲勞狀況。
國內外研究者對全身各關(guān)節都進(jìn)行了大量的MET實(shí)驗研究。Laura在2010年發(fā)表有關(guān)MET的研究綜述，在對194篇關(guān)于肩、肘、膝、踝、腕、軀干等關(guān)節部位的等長(cháng)測試數據進(jìn)行總結后，擬合了各關(guān)節的最大維持時(shí)間函數。結果表明，各關(guān)節的MET不同，肩關(guān)節最容易疲勞，踝關(guān)節最不易疲勞。需要指出的是，Laura沒(méi)有在綜述中考慮各個(gè)關(guān)節轉動(dòng)方向、角度以及性別等因素對MET的影響。由于轉動(dòng)方向決定運動(dòng)肌肉的種類(lèi)，關(guān)節角度決定肌肉的長(cháng)度，它們都會(huì )影響關(guān)節的MET.Hunter開(kāi)展的試驗結果顯示，在相對載荷相同的情況下，女性的MET高于男性。
脊柱受力閾值脊柱是人體運動(dòng)的主軸，包括頸椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎。腰椎作為軀干與骨盆的唯一骨性連接，其承受的負荷在脊柱中居首位，研究者Chaffin和Pan等認為，L5/S1和L4/L5椎間盤(pán)等腰部組織最容易受損，容易疲勞和受到傷痛的困擾，典型的傷病如腰背部疼痛等。雷玲等在對不同工種的鑄造工人進(jìn)行建模研究后發(fā)現，后勤、車(chē)床、清理和造型工人的脊柱力學(xué)負荷依次加重，而其腰背壓痛陽(yáng)性率依次為1.7%、4.6%、9.5%、16.8%,與脊柱負荷顯著(zhù)相關(guān)。
美國職業(yè)安全健康研究所（NIOSH）經(jīng)過(guò)廣泛收集有關(guān)腰椎單元壓力限值的數據，分析相關(guān)流行病學(xué)調查資料后，在1991年采用3400N的限值作為腰椎L4/L5單元壓力限值。
Jager等則認為，男女青年（20歲）的腰椎單元耐受壓力閾值分別為6000和4440N,隨著(zhù)年齡的增大耐受壓力會(huì )減小，在一定的年齡范圍內，每增加10歲，男女的耐受壓力分別減小1000和600N.
Jager用脊柱壓力時(shí)（kNh）反映受試者1天內承受的負荷，用腰部受力和持續時(shí)間計算獲得，Jager認為脊柱壓力時(shí)的限值是5.5kNh.脊柱負荷不僅體現為脊柱的壓力，還體現為脊柱的切應力。McGill認為，脊椎的切應力耐受閾值為750~1000N.
關(guān)節舒適性關(guān)節力矩舒適性有研究者將相對關(guān)節力矩指標用于舒適性評價(jià)。相對關(guān)節力矩（MVC%）是指實(shí)際關(guān)節力矩與當前關(guān)節角度下能承受的最大關(guān)節力矩之比，能夠消除不同個(gè)體、不同姿態(tài)下的最大力矩不同的影響。國內學(xué)者楊峰用相對關(guān)節力矩反映關(guān)節的舒適性水平，定義如下：φ=M（α）Mmax（α）（2）其中，φ為人的關(guān)節舒適性水平，M（α）為關(guān)節的實(shí)際力矩，Mmax（α）關(guān)節角度為α時(shí)產(chǎn)生的最大力矩。φ越小，關(guān)節舒適性越高。有文獻認為，使用最大肌力的50%時(shí)能量利用率最高，較長(cháng)時(shí)間工作也不會(huì )感到疲勞。
關(guān)節活動(dòng)舒適性人體的舒適性受到身體姿態(tài)的影響，合適的姿態(tài)能夠減小勞動(dòng)者肌肉承受的力量，避免血液循環(huán)的阻滯，幫助人體緩解不舒適感和體力負荷的過(guò)度累積。各個(gè)關(guān)節的活動(dòng)決定人體姿態(tài)，因而舒適性研究的關(guān)鍵就是要確定關(guān)節活動(dòng)的舒適性。
目前關(guān)于關(guān)節活動(dòng)舒適性的研究較多，研究者一般利用主觀(guān)評價(jià)方法對不同關(guān)節角度范圍的舒適性進(jìn)行評分。Genaidy等采用十分制對關(guān)節舒適性進(jìn)行評分，主要依據人體主觀(guān)的不舒適性感覺(jué)。北航學(xué)者張立博等采用心理物理學(xué)的自由模量幅度估計法，對站姿和坐姿時(shí)人體主要關(guān)節活動(dòng)的舒適性進(jìn)行研究，確定各個(gè)關(guān)節在不同自由度和角度的主觀(guān)感受數據。
疲勞和恢復1982年第五屆國際運動(dòng)生化會(huì )議對運動(dòng)性疲勞的定義為：“機體的生理過(guò)程不能持續其機能在特定的水平或不能維持預定的運動(dòng)強度�！�
疲勞是由勞動(dòng)者體力負荷不斷累積產(chǎn)生的，主要體現為勞動(dòng)者的功能衰退，作業(yè)能力下降。人體疲勞除了可以通過(guò)生理、生化指標和主觀(guān)方法進(jìn)行評價(jià)之外，還可以通過(guò)利用運動(dòng)生物力學(xué)方法對疲勞進(jìn)行預測。研究者已經(jīng)建立多種用運動(dòng)生物力學(xué)參數描述的疲勞模型。
Xia等提出關(guān)節水平的疲勞模型，將肌肉分為活動(dòng)、疲勞和休息3種狀態(tài)，它們受到關(guān)節外載荷、疲勞水平和休息水平的影響相互轉化，轉化關(guān)系可以用函數方程描述。在該模型的基礎上，他又引入3種不同類(lèi)型肌肉纖維以及后入先出機制，可以定量分析在動(dòng)態(tài)或復雜運動(dòng)下的肌肉疲勞，并能夠反映關(guān)節角度和速度的影響。
Ma等提出與肌肉外載荷、肌肉強度以及持續時(shí)間等因素有關(guān)的動(dòng)態(tài)肌肉疲勞模型，該模型同樣適用于關(guān)節疲勞研究。疲勞指數方程可表示為：U（t）=12k（e2kF（t）-e2kF（0）），F（t）=∫t0Flood（u）MVCdu（3）其中，U（t）是t時(shí)刻的肌肉疲勞指數，MVC是無(wú)疲勞狀態(tài)下的最大自主收縮力，Flood（t）是t時(shí)刻的肌肉外載荷。
基于運動(dòng)生物力學(xué)的人體局部負荷研究進(jìn)展載荷下的MET,將之與已有的單關(guān)節M(mǎn)ET函數對比后發(fā)現，兩者相關(guān)性較好，表明該疲勞模型是可靠的。
Rodriguez以相對關(guān)節力矩和任務(wù)持續時(shí)間作為模型參數，建立關(guān)節水平的疲勞和恢復模型。
基于運動(dòng)生物力學(xué)的體力負荷評價(jià)方法能夠定量分析和預測勞動(dòng)者的體力負荷，為產(chǎn)品和勞動(dòng)任務(wù)設計、人機交互等提供指導。目前，研究者對運動(dòng)生物力學(xué)評價(jià)方法的有效性還沒(méi)有開(kāi)展充分驗證，如對作業(yè)者的舒適性和疲勞進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結果沒(méi)有與生理、生化和主觀(guān)數據進(jìn)行相關(guān)性研究。
體力負荷的生理、生化評價(jià)指標研究逐漸深入，測量技術(shù)和設備不斷改進(jìn)，建模平臺和手段越來(lái)越精確可靠，這為探究運動(dòng)生物力學(xué)方法的有效性提供基礎。此外，運動(dòng)生物力學(xué)指標依據的是局部骨骼、關(guān)節和肌肉的受力狀況，適合對局部負荷進(jìn)行評價(jià)，但是如何將局部負荷進(jìn)行有效結合對全身負荷進(jìn)行評估，還需要進(jìn)一步的探究。
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