彭露 李開偉 趙彩俊

摘 要：雙肩負(fù)重是常見的攜物行走方式之一，針對人體負(fù)重行走時肌肉疲勞情況的研究十分重要。本研究分析背負(fù)背包行走對背部肌力下降程度及自覺肌肉疲勞的影響。實驗是以兩種不同的背負(fù)背包方式、3種不同的負(fù)荷重量比率以兩種不同的速度行走于跑步機上，持續(xù)時間為10 min，記錄實驗前后的背部肌力及實驗后的主觀疲勞評分。研究發(fā)現(xiàn)，背負(fù)背包方式、行走速度和負(fù)荷重量比率均會顯著影響背部肌力下降幅度及主觀疲勞評分。本研究還建立了主觀疲勞評分（RPE）預(yù)測模型及男女背部肌力預(yù)測模型，以量化背物行走時背部肌力與主觀疲勞的變化。

關(guān)鍵詞：負(fù)重行走；肌肉疲勞；背部肌力；主觀評分

中圖分類號：TB 18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2016）06-0619-06

0 引 言

在日常生活中，背物行走是最方便的一種運輸物件方式。如學(xué)生背雙肩包上學(xué)、旅客背包遠(yuǎn)足觀光、上班族單肩背包上班，搬運工從事背物勞動等。其中，雙肩背使負(fù)重均勻的分擔(dān)在左右兩側(cè)的肩膀上，對長期單肩背和單手拎所帶來的斜肩等不良身體姿態(tài)起到緩解和改善作用，因此雙肩背部負(fù)重是最常見的負(fù)重行走方式。有報告指出，美國有超過4千萬的學(xué)生在日常中使用雙肩背包[1]。但是，不恰當(dāng)?shù)谋嘲褂?，如長期過度負(fù)重行走，會使肌肉處于疲勞狀態(tài)，從而導(dǎo)致一系列肌肉損傷問題[2-3]。測量肌肉疲勞對工作設(shè)計/再設(shè)計具有重要意義，通過找出肌肉疲勞模式，能夠使工作強度和工作/休息時間的設(shè)計更加科學(xué)合理，從而減少肌肉骨骼系統(tǒng)傷害（musculoskeletal disorders，MSDs）的風(fēng)險。

不少學(xué)者從生理學(xué)[4-6]和生物力學(xué)[7-9]方面研究負(fù)重行走對能量消耗、心肺反應(yīng)、肺活量與呼吸、步態(tài)、軀干姿勢、重量分布等方面的影響。許多有關(guān)負(fù)重的參數(shù)被量化研究，包括負(fù)重的位置[10]、負(fù)荷的重量[11-12]、背背包的方式[13]、行走速度[14]、年齡差異[15]、行走高度[16]和階梯行走等。已有研究證實[17-19]：背負(fù)超過自身重量15%的負(fù)荷會引發(fā)明顯的軀干傾斜、步態(tài)改變、較長的血壓復(fù)原時間、較多的能量消耗，同時還會導(dǎo)致呼吸加快、臀部、膝蓋和關(guān)節(jié)部位的負(fù)荷增加。

前述的研究對肌肉疲勞的測量均是以間接測量方式進(jìn)行。直接的肌肉疲勞測量可以藉由衡量持續(xù)施力一段時間后最大隨意肌收縮（MVC）或力量的輸出衰減程度來實現(xiàn)。研究證實當(dāng)體能需求不符合身體能力時，將會增加肌肉骨骼傷病的發(fā)生率[20]。負(fù)重行走對體能的需求如何、對肌力會造成何種影響不應(yīng)該被忽視。

在人因工程領(lǐng)域中，識別并量化身體能力 （Physical capability）一直是一個關(guān)鍵性的議題。體能 （Physical capability）能夠藉由特定部位或者由一組包含數(shù)個身體部位組合的肌肉強度來衡量。肌肉強度是特定肌肉群或者身體區(qū)塊在特定姿勢與施力條件下力量產(chǎn)出的最大值。當(dāng)施力持續(xù)一段時間，肌肉強度將因為肌肉疲勞而下降。肌肉疲勞可能與過度施力有關(guān)，且可能直接或間接地造成肌肉骨骼系統(tǒng)傷害[21]。此外，人類的主觀疲勞感知也是測量肌肉疲勞的重要方式，且主觀疲勞感知會對體能產(chǎn)生一定的影響。

要觀測肌力的下降程度必須持續(xù)施力一段時間，而肌力的降低可以通過測力儀來測量。

文章安排受測者以不同的背背包方式、不同的負(fù)荷重量比率以不同的速度在跑步機上行走10 min，測量受測者的肌力值及主觀疲勞評分。主要目的是：

1）探討背背包行走時，走路速度于背部肌力下降及自覺疲勞感知之影響；

2）探討背背包行走時，負(fù)荷重量比率于背部肌力下降及自覺疲勞感知之影響；

3）探討背背包方式對背部肌力下降及自覺疲勞感知之影響；

4）建立疲勞感知和背部肌力預(yù)測模型。

1 研究方法

1.1 受測者

研究招募6位大學(xué)生志愿者擔(dān)任受測者，其中男性3名，女性3名。受測者均身體健康且無肌肉骨骼傷害病史。受測者在參加實驗前充分理解實驗的目的與過程，并且簽署書面同意。受測者的基本數(shù)據(jù)見表1.

1.2 實驗器材

實驗器材包括跑步機（treadmill）一臺、肌力量測器一組、啞鈴一組、雙肩背包一個及Borg RPE量表一具。肌力量測器用來量受測者的背部肌力，量測時受測者站在量測器的平板上，此平板上有一個數(shù)字顯示屏傳感器，傳感器頂端與一條鐵鏈相連，鏈條上端連結(jié)一握桿。當(dāng)受測者拉此握桿時，傳感器承受拉力的最大值顯示在顯示屏上。背包的負(fù)荷重量通過改變啞鈴的組合方式進(jìn)行調(diào)整。

1.3 實驗狀況

實驗之控制變項包括負(fù)荷重量、背背包方式及走路速度。負(fù)荷重量控制為被試身體重量的5%，10%，15%；走路速度包括3.2 km/hr及6.4 km/hr；背背包方式則包括前背（Front-packing）與后背（Backpacking）?？傆媽嶒灎顩r有12種 （3×2×2），總計實驗次數(shù)包括72次 （6×12）。

1.4 實驗過程

在實驗前24 h內(nèi)受測者未從事劇烈運動，以保持肌力的良好狀態(tài)。受測者第一次抵達(dá)實驗室后，先記錄其基本數(shù)據(jù)，隨后量測其最大背部肌力。量測時受測者站立于量測器平板上，調(diào)整肌力量測器上端的握柄至中指指節(jié)高度，此高度為受測者站立時手臂自然下垂時手部能夠握持的高度。量測最大背部肌力時，受測者握持握柄并以最大意志施力向上提舉，施力時間約四至六秒鐘，此值為受測者在該姿勢與條件下之最大肌力。

在后續(xù)實驗中，受測者需參加十二次實驗，每次進(jìn)行一種背包方式、負(fù)荷重量及走路速度狀況的實驗。實驗時受測者依實驗狀況背背包行走于跑步機（treadmill）上（圖1），受測者前方有一幅Borg RPE量表[26]，行走持續(xù)時間為10 min.實驗結(jié)束后，受測者告知研究人員其感知的身體負(fù)荷在Borg RPE量表中的分值，同時立即再進(jìn)行一次背部肌力測量。研究人員記錄下受測者的RPE分值及實驗后的背部肌力值?？紤]實驗時間和志愿者疲勞對結(jié)果的影響，每名被試一天只進(jìn)行一次實驗。

2 研究結(jié)果

2.1 背部肌力

每名被試在每次實驗前均被測量一次最大背部肌力（Maximum voluntary constraction，MVC），實驗前女性的MVC為64.89（±7.45） kgf，男性為116.32（±9.26） kgf.實驗后女性的背部肌力（MVCafter）為52.38（±12.17） kgf，男性則為96.06（±12.82） kgf（如圖2）。

背部肌力因背包行走而下降的百分比可采用以下公式計算：

D（%） = （MVC-MVCafter）×100%/MVC.（1）

其中D（%）為肌力下降幅度；MVC及MVCafter 分別為實驗前與實驗后測量的最大背部肌力。

實驗后女性背部肌力的下降幅度為19.3%，男性為17.4%.ANOVA分析結(jié)果顯示：行走速度（p=0.028 3）、負(fù)荷重量（p<0.000 1）及背負(fù)背包方式（p=0.000 3）均會對D%產(chǎn)生顯著影響（如圖3所示），而各因子的二階及三階交互作用對D%的影響均不顯著。

2.2 主觀疲勞評分

每一位受測者在實驗結(jié)束后對自覺疲勞程度（Rating of Perceived Exertion，RPE）進(jìn)行評分，其評分依據(jù)為Borg-RPE量表（見表2）。主觀疲勞評分的ANOVA分析結(jié)果顯示：行走速度（p=0.000 8）、背負(fù)背包方式（p=0.017 8）及負(fù)荷重量（p<0.000 1）對RPE的影響均達(dá)到顯著水平（如圖4）。各因子之二階與三階交互作用均未達(dá)顯著水平。相關(guān)分析結(jié)果顯示RPE與D%的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69（p<0.000 1）。

通過對RPE進(jìn)行逐步回歸分析，得到RPE的預(yù)測模型，如公式（2）所示。

RPE=-176.28+1.03×H-1.87×W+5.65×BMI+63.33×Lr+0.71×v.

（2）

其中R2=0.85，H，W，BMI，Lr，v分別表示身高（cm）、體重（kg）、身體質(zhì)量指數(shù)（kg/m2）、負(fù)荷重量（%）及行走速度（km/hr）。身高（p<0.000 1）、體重（p<0.000 1）、BMI（p<0.000 1）、負(fù)荷重量（p<0.000 1）及行走速度（p<0.000 1）都是預(yù)測模型中的顯著影響因素。

2.3 背部肌力預(yù)測模型

Ma et al.[23]提出了一種通用型動態(tài)疲勞模型，通過系數(shù)k來刻畫不同肌肉群的疲勞度，可用于描述肌肉力量的下降趨勢。該模型已被不少學(xué)者應(yīng)用于人工物料搬運實驗活動的肌力預(yù)測中[24-26]。Ma et al.提出的疲勞模型如公式（3）所示：

將表3中的k值代入公式（3）中，可求出受測者在負(fù)重行走10 min后的肌力預(yù)測值，從而求出MAD值。研究中，男性和女性的MAD值分別為4.34 kgf和3.85 kgf.負(fù)重行走10 min后，男性和女性肌力的預(yù)測值與真實值對比情況如圖5，圖6所示。

2.4 討 論

背包行走是生活中常見的一種活動。研究探討負(fù)荷重量、行走速度和背負(fù)背包方式對人體背部肌力下降及主觀疲勞度造成的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)男性（116.32 kgf）的最大背部肌力顯著高于女性（64.89 kgf）（p<0.0001）。實驗后，女性的平均肌力下降幅度為19.3%，高于男性的17.4%.女性在負(fù)荷重量為5%和15%的情況下，其肌力下降幅度高于男性；而在負(fù)荷重量為10%的情況下則相反（如圖7）。在行走速度為3.2km/hr的情況下，女性肌力的下降幅度比男性高3.5%；而在行走速度為6.4 km/hr的情況下，女性肌力的下降幅度僅比男性高0.7%（如圖8）。前背背包（20.78%）造成的肌力下降幅度顯著高于后背背包（16.06%），且向前背包（12.86）導(dǎo)致的主觀疲勞評分也顯著高于向后背包（11.89），由此可知以向前方式背包會造成更大的背部疲勞。文獻(xiàn)[27]指出當(dāng)前負(fù)重行走時，受測者步頻顯著增大，說明前負(fù)重時受試者步頻保持能力較差，需要提高步頻來維持步速，同時維持穩(wěn)定，這不利于節(jié)省能量消耗。

有研究表明：女性在中、低強度作業(yè)中的抗疲勞性優(yōu)于男性[28]，但抗疲勞在性別上的這種差異與具體的作業(yè)活動及肌肉群有關(guān)[29]。表3中女性（k=0.226）的疲勞系數(shù)低于男性（k=0.304），表明在本研究中女性的抗疲勞性優(yōu)于男性。不過，女性的主觀疲勞評分在不同水平的負(fù)荷重量比率、背包方式及行走速度下均高于男性。疲勞系數(shù)能夠反映肌力下降趨勢，與主觀疲勞無關(guān)，女性的疲勞系數(shù)低而主觀疲勞評分高說明女性對肌力下降造成的疲勞感知更敏銳。

其中f（t）為t時間下的肌力值；t1，t2分別為負(fù)重作業(yè)的開始時間與結(jié)束時間。文中的D（%）即為負(fù)重行走10 min后以百分比表示的FCI.主觀疲勞評分RPE與肌力下降幅度D（%）的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69，表明主觀疲勞評分能夠在一定程度上反映肌力下降程度，但在RPE的回歸模式中，D（%）并不是RPE的顯著影響因素，即RPE與D%并不存在顯著的線性關(guān)系。這與Li & Chiu得到的結(jié)論不同，其原因可能是2個研究開展的作業(yè)活動在施力部位、動作上均有很大差別。Li & Chiu開展的是雙手?jǐn)y物作業(yè)實驗，研究的是上肢肌肉疲勞；而此研究探討的是雙肩背包行走活動，以背部肌力作為因變量。

一個成年人的平均步行速度為3.75～5.43 km/h，為區(qū)分高、低2種步行速度，研究選取了3.2 km/hr和6.4 km/hr 2種行走速度，在實驗過程中，受測者對這2種速度較為適應(yīng)。在實際生活中，人們背負(fù)背包行走可能有多種步行速度，甚至?xí)S時調(diào)節(jié)步伐快慢，在此僅探討2種步行速度，是研究的局限性所在。另一個不足是僅選取5%，10%和15%等3種負(fù)荷重量，而實際中的背包負(fù)荷比率范圍要大得多，如背包客一般的負(fù)重為體重的1/4，極限不超過1/3.文獻(xiàn)[17]表明背負(fù)超過自身重量15%的負(fù)荷長時間行走會引發(fā)明顯的身體疲勞，宋等人[30]進(jìn)行負(fù)重行走實驗時選取的負(fù)荷重量為5%，10%，15%.研究基于安全的考慮，最高負(fù)荷重量亦選為15%.此外，樣本數(shù)略小也是本研究的限制之一，未來的研究可擴充樣本數(shù)并涵蓋不同年齡層的被試，以提高RPE及肌力預(yù)測模型的適用范圍與預(yù)測能力。

3 結(jié) 論

雙肩背物行走帶來的肌肉疲勞會導(dǎo)致背部肌力下降。研究發(fā)現(xiàn)背負(fù)背包方式、行走速度和負(fù)荷重量比率均會顯著影響背部肌力下降幅度及主觀疲勞評分。身高、體重、身體質(zhì)量指數(shù)、負(fù)荷重量及行走速度是RPE線性回歸模式中的顯著決定因素。肌力下降幅度D（%）與RPE的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.69.研究還確定了男性和女性在負(fù)重行走10 min后的肌力預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)女性的疲勞系數(shù)低于男性，說明女性在負(fù)重行走中的抗疲勞性優(yōu)于男性，但女性的主觀疲勞評分高于男性，說明女性對肌力下降造成的疲勞更敏感。負(fù)重行走對肌力下降的影響研究能夠幫助識別并量化背物行走對體能的需求，更加合理地設(shè)計背物行走模式，從而減少因背物行走引發(fā)的肌肉骨骼傷病發(fā)生率。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kimberly D D，He W，Jennifer K P，et al，Load distribution and postural changes in young adults when wearing a traditional backpack versus the Back Tpack[J].Gait & Posture，2016（45）：90-96.

[2] Birrell S A，Haslam R A.Subjective skeletal discomfort measured using a comfort questionnaire following a load carriage exercise[J].Mil Med，2009，174（2）：177-182.

[3] Stevenson J M，Bryant J T.Development and assessment of the Canadian personal load carriage system using objective biomechanical measures[J].Ergonomics，2004，47（12）：1 255-1 271.

[4] Hong Y，Li J X，Wong A S，et al.，Effects of load carriage on heart rate，blood pressure and energy expenditure in children[J].Ergonomics，2000，43（6）：717-727.

[5] Li J X，Hong Y，Robinson P D.The effect of load carriage on movement kinematics and respiratory parameters in children during walking[J].Eur J Appl Physiol，2003，90（12）：35-43.

[6] Lai J P，Jones A Y.The effect of shoulder-girdle loading by a school bag on lung volumes in Chinese primary school children[J].Early Human Develop，2001，62（1）：79-86.

[7] Hong Y，Li J X.Influence of load and carrying methods on gait phase and ground reactions in childrens stair walking[J].Gait Posture，2005，22（1）：63-68.

[8] Birrell S A，Haslam R A.The effect of load distribution within military load carriage systems on the kinetics of human gait[J].Applied Ergonomics，2010（41）：585-590.

[9] Chansirinukor W，Wilson D，Grimmer K，et al.Effects of backpacks on students：measurement of cervical and shoulder posture[J].Aust J Physiother，2001，47（2）：110-116.

[10]Bobet J，Norman R W.Effects of load placement on back muscle activity in load carriage[J].Eur J Appl Physiol Occupat Physiol，1984，53（1）：71-75.

[11]Johnson R F，Knapik J J，Merullo D J.Symptoms during load carrying：effects of mass and load distribution during a 20 km road march[J].Percept Motor Skills，1995，81（1）：331-338.

[12]Hong Y，Li J X，F(xiàn)ong D.Effect of prolonged walking with backpack loads on trunk muscle activity and fatigue in children[J].Journal of Electromyography and Kinesiology，2008，18：990-996.

[13]Hong Y，Lau T C，Li J X.Effects of loads and carrying methods of school bags on movement kinematics of children during stair walking[J].Re Sports Med，2003，11（1）：33-49.

[14]Charteris J.Comparison of the effects of backpack loading and of walking speed on foot-floor contact patterns[J].Ergonomics，1998，41（12）：1 792-1 809.

[15]Li J X，Hong Y.Age difference in trunk kinematics during walking with different backpack weights in 6 to 12-year-old children[J].Res Sport Med，2004，12（2）：135-142.

[16]Hong Y，Cheung C K.Gait and posture responses to backpack load during level walking in children[J].Gait Posture，2003，17（1）：28-33.

[17]Li J X，Hong Y.Age difference in trunk kinematics during walking with different backpack weights in 6 to 12-year-old children[J].Res Sports Med，2004，12（2）：135-142.

[18]Hong Y，Brueggemann G P.Changes in gait patterns in 10-year-old boys with increasing loads when walking on a treadmill[J].Gait Posture，2000，11（3）：254-259.

[19]Chow D，Kwok M，Au-Yang A，et al..The effect of backpack load on the gait of normal adolescent girls[J].Ergonomics，2005，48（6）：642-656.

[20]Rosenbluma K，Shankarb A.A study of the effects of isokinetic pre-employment physical capability screening in the reduction of musculoskeletal disorders in a labor intensive work environment[J].Work，2006，26（2）：215-228.

[21]Armstrong T J，Buckle P，F(xiàn)ine L J，et al.A conceptual model for work-related neck and upper-limb musculoskeletal disorders[J].Scand.J.Work.Environ.Health，1993，19（2）：73-84.

[22]Borg G.An introduction to Borgs RPE scale[M].Ithaca，New York：Movement Publication，1985.

[23]Ma L，Chablatt D，Bennis F，et al.A novel approach for determining fatigue resistances of different muscle groups in static cases[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2011，41（1）：10-18.

[24]Li K W，Chiu W S.Isometric arm strength and subjective rating of upper limb fatigue in two-handed carrying tasks[J].PLOS ONE，2015，10（3）.DOI：10.1371/journal.pone.0119550.

[25]Li K W，Wang C W，Yu R.Modeling of predictive muscular strength for sustained one-handed carrying task[J].Work，2015，52（4）：911-919.

[26]Zhang Z，Li K W，Zhang W，et al.Muscular fatigue and maximum endurance time assessment for male and female industrial workers[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2014，44：292-297.

[27]趙功赫.軀干前、后負(fù)重對人體步行的生物力學(xué)影響[C]//全國體育科學(xué)大會，2015.

[28]Enoka R M，Duchateau J.Muscle fatigue：what，why and how it influences muscle function[J].J Physiol，2008，586（1）：11-23.

[29]Hunter S K.Sex differences and mechanisms of task-specific muscle fatigue[J].Exerc Sport Sci Rev，2009，37（3）：113-122.

[30]宋海燕，張建國，王 珺，等.基于表面肌電的人體背部負(fù)重行走肌肉疲勞特性研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2016，33（3）：426-430.