利用运动生物力学方法进行体力负荷的研究进展

    Hart和Wickens认为，负荷是一个通用的术语，用于描述任务对人体资源的消耗，这种消耗既包括注意力、认知、反应速率的下降，也包括疲劳增加、舒适性和作业能力的下降等。从工效学的观点来看，不合理的任务设计和工作环境会使劳动者的负荷过大，人的能力无法满足任务的需求，从而导致安全事故和职业病。体力负荷可以被认为是任务对劳动者体力资源的消耗，一般而言，劳动者只要进行体力活动，就会产生体力负荷。现代工业生产中，常常需要对作业任务和产品进行合理的设计和规划，在保证劳动者合理负荷的基础上，尽可能发挥人的潜能以提高工作效率。这需要对劳动者的体力负荷进行预测评估，而运动生物力学方法可以满足这种需求。如Grujicic利用Anybody骨肌系统建模软件建立汽车驾驶员模型，研究不同坐姿和座位布局情况下驾驶员关节、脊柱和肌肉的负荷状况，对驾驶座位布局提出合理的改进建议。利用运动生物力学方法进行体力负荷的研究较为宽泛，我们从关节层面对负荷评价方法进行综述，包括关节作业能力、舒适性、疲劳和恢复研究等。
   
    关节作业能力。最大单关节力矩长时间以来，人们一直在探索人体运动的基本规律，而人体主要关节的生物力学规律是人体运动的基础，最大关节力矩的研究可以为各项任务负荷的研究评价提供基础生理参数依据，为众多研究者关注的重点。
   
    NASA研究人员为分析航天员的操作任务，开展大量单关节等速运动实验，建立动态关节力量模型。NASA按照人体运动的习惯将关节转动速度设定为60、120、180、240°/s4个档次，绘制该关节在等速运动过程中的最大关节力矩曲线，并将结果进行回归分析，建立在特定角速度和转动方向下，最大关节力矩随关节角度α变化的拟合函数，如下所示：Y=A+Bα+Cα2（1）其中，Y为最大关节力矩（Nm），α为关节角度（°），A、B、C为方程的拟合系数。国内学者卢德明等开展了大量单关节运动测试实验，对中国青年的关节肌力情况进行研究。
   
    他们针对肩、肘、腕、髋、膝、踝6大关节，分别开展不同角速度（60、120、180、240°/s）的等速向心和离心测试，以及不同角度（30、60、90、120、150°）的等长测试，测试不同单关节运动状况中的最大关节力矩，建立中国男女青年与关节角度、角速度相关的人体6大关节屈伸肌群生物力学特征的基础参数体系。
   
    单关节运动最大维持时间最大维持时间（maximum endurance time,MET）描述关节和肌肉在一定的载荷下能够维持的最大时间，是定量描述人体负荷的有效方法，在工程中得到广泛的应用。研究证明用相对关节力矩与最大维持时间之间的关系来定量描述肌肉的负荷和疲劳情况是非常有效的手段。浙江大学王笃明开展肘关节50%MVC等长弯曲测试，在任务持续到最大维持时间的过程中，受试者不断报告其主观疲劳感觉。结果表明，主观疲劳评价分数与持续时间成明显相关关系。因此，可以通过对比任务持续时间与MET,评价受试者的负荷和疲劳状况。
   
    国内外研究者对全身各关节都进行了大量的MET实验研究。Laura在2010年发表有关MET的研究综述，在对194篇关于肩、肘、膝、踝、腕、躯干等关节部位的等长测试数据进行总结后，拟合了各关节的最大维持时间函数。结果表明，各关节的MET不同，肩关节最容易疲劳，踝关节最不易疲劳。需要指出的是，Laura没有在综述中考虑各个关节转动方向、角度以及性别等因素对MET的影响。由于转动方向决定运动肌肉的种类，关节角度决定肌肉的长度，它们都会影响关节的MET.Hunter开展的试验结果显示，在相对载荷相同的情况下，女性的MET高于男性。
   
    脊柱受力阈值脊柱是人体运动的主轴，包括颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎。腰椎作为躯干与骨盆的唯一骨性连接，其承受的负荷在脊柱中居首位，研究者Chaffin和Pan等认为，L5/S1和L4/L5椎间盘等腰部组织最容易受损，容易疲劳和受到伤痛的困扰，典型的伤病如腰背部疼痛等。雷玲等在对不同工种的铸造工人进行建模研究后发现，后勤、车床、清理和造型工人的脊柱力学负荷依次加重，而其腰背压痛阳性率依次为1.7%、4.6%、9.5%、16.8%,与脊柱负荷显着相关。
   
    美国职业安全健康研究所（NIOSH）经过广泛收集有关腰椎单元压力限值的数据，分析相关流行病学调查资料后，在1991年采用3400N的限值作为腰椎L4/L5单元压力限值。
   
    Jager等则认为，男女青年（20岁）的腰椎单元耐受压力阈值分别为6000和4440N,随着年龄的增大耐受压力会减小，在一定的年龄范围内，每增加10岁，男女的耐受压力分别减小1000和600N.
   
    Jager用脊柱压力时（kNh）反映受试者1天内承受的负荷，用腰部受力和持续时间计算获得，Jager认为脊柱压力时的限值是5.5kNh.脊柱负荷不仅体现为脊柱的压力，还体现为脊柱的切应力。McGill认为，脊椎的切应力耐受阈值为750~1000N.
   
    关节舒适性关节力矩舒适性有研究者将相对关节力矩指标用于舒适性评价。相对关节力矩（MVC%）是指实际关节力矩与当前关节角度下能承受的最大关节力矩之比，能够消除不同个体、不同姿态下的最大力矩不同的影响。国内学者杨峰用相对关节力矩反映关节的舒适性水平，定义如下：φ=M（α）Mmax（α）（2）其中，φ为人的关节舒适性水平，M（α）为关节的实际力矩，Mmax（α）关节角度为α时产生的最大力矩。φ越小，关节舒适性越高。有文献认为，使用最大肌力的50%时能量利用率最高，较长时间工作也不会感到疲劳。
   
    关节活动舒适性人体的舒适性受到身体姿态的影响，合适的姿态能够减小劳动者肌肉承受的力量，避免血液循环的阻滞，帮助人体缓解不舒适感和体力负荷的过度累积。各个关节的活动决定人体姿态，因而舒适性研究的关键就是要确定关节活动的舒适性。
   
    目前关于关节活动舒适性的研究较多，研究者一般利用主观评价方法对不同关节角度范围的舒适性进行评分。Genaidy等采用十分制对关节舒适性进行评分，主要依据人体主观的不舒适性感觉。北航学者张立博等采用心理物理学的自由模量幅度估计法，对站姿和坐姿时人体主要关节活动的舒适性进行研究，确定各个关节在不同自由度和角度的主观感受数据。
   
    疲劳和恢复1982年第五届国际运动生化会议对运动性疲劳的定义为：“机体的生理过程不能持续其机能在特定的水平或不能维持预定的运动强度。”
   
    疲劳是由劳动者体力负荷不断累积产生的，主要体现为劳动者的功能衰退，作业能力下降。人体疲劳除了可以通过生理、生化指标和主观方法进行评价之外，还可以通过利用运动生物力学方法对疲劳进行预测。研究者已经建立多种用运动生物力学参数描述的疲劳模型。
   
    Xia等提出关节水平的疲劳模型，将肌肉分为活动、疲劳和休息3种状态，它们受到关节外载荷、疲劳水平和休息水平的影响相互转化，转化关系可以用函数方程描述。在该模型的基础上，他又引入3种不同类型肌肉纤维以及后入先出机制，可以定量分析在动态或复杂运动下的肌肉疲劳，并能够反映关节角度和速度的影响。
   
    Ma等提出与肌肉外载荷、肌肉强度以及持续时间等因素有关的动态肌肉疲劳模型，该模型同样适用于关节疲劳研究。疲劳指数方程可表示为：U（t）=12k（e2kF（t）-e2kF（0）），F（t）=∫t0Flood（u）MVCdu（3）其中，U（t）是t时刻的肌肉疲劳指数，MVC是无疲劳状态下的最大自主收缩力，Flood（t）是t时刻的肌肉外载荷。
   
    基于运动生物力学的人体局部负荷研究进展载荷下的MET,将之与已有的单关节MET函数对比后发现，两者相关性较好，表明该疲劳模型是可靠的。
   
    Rodriguez以相对关节力矩和任务持续时间作为模型参数，建立关节水平的疲劳和恢复模型。
   
    基于运动生物力学的体力负荷评价方法能够定量分析和预测劳动者的体力负荷，为产品和劳动任务设计、人机交互等提供指导。目前，研究者对运动生物力学评价方法的有效性还没有开展充分验证，如对作业者的舒适性和疲劳进行评价，评价结果没有与生理、生化和主观数据进行相关性研究。
   
    体力负荷的生理、生化评价指标研究逐渐深入，测量技术和设备不断改进，建模平台和手段越来越精确可靠，这为探究运动生物力学方法的有效性提供基础。此外，运动生物力学指标依据的是局部骨骼、关节和肌肉的受力状况，适合对局部负荷进行评价，但是如何将局部负荷进行有效结合对全身负荷进行评估，还需要进一步的探究。