Local muscle load and fatigue of simulated high-voltage cable climbing task of operation inspection personnel by surface electromyography
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摘要:背景
高压塔攀爬作业人员不仅劳动负荷大，而且还需要承受高温环境以及高空作业带来的精神压力，容易造成肌肉疲劳的累积，诱发工作相关肌肉骨骼疾患。
目的基于表面肌电信号对攀爬作业工人局部肌肉疲劳情况开展分析与研究，探讨作业过程中表面肌电信号的特征性变化规律及其与主观疲劳评价值的关系，为客观评定攀爬作业局部肌肉疲劳，预防工作相关肌肉骨骼疾患提供数据支持。
方法招募10名男性大学生志愿者进行高压塔攀爬模拟试验，攀爬距离为60 m，每20 m为一个任务段（约100 s），三个任务段分别记为T1、T2、T3。同时每完成一个任务段，使用主观疲劳评定量表询问受试者的主观疲劳感受，当主观疲劳（RPE）评分≥14分时，表示出现疲劳。应用表面肌电技术遥测记录斜方肌、竖脊肌、股直肌、腓肠肌的表面肌电信号，采用时域指标均方根值（RMS）标准化后得到的标准化均方根值（MVE）和频域指标中位频率（MF）以及联合频谱振幅分析（JASA）方法对攀爬作业局部肌肉疲劳情况进行分析。
结果T1、T2、T3三个任务段的RPE得分分别为11.9、15.3、17.4分，T1任务段未出现主观疲劳，T2，T3任务段出现主观疲劳。随着攀爬时间的延长，左右两侧竖脊肌和股直肌、右侧腓肠肌的肌电MVE呈逐渐升高的趋势，而左右两侧斜方肌和左侧腓肠肌肌电MVE先上升后降低；左右两侧股直肌肌电MF先是增加，随后不变，其余肌肉的肌电MF基本保持不变。T1任务段，左侧斜方肌、左右两侧竖脊肌共3块肌肉出现疲劳；T2任务段，左右两侧竖脊肌、右侧斜方肌、左右两侧腓肠肌共5块肌肉出现疲劳；T3任务段，除左侧股直肌外，其余的7块肌肉均出现疲劳。
结论攀爬作业肌电信号特征变化与静态作业肌肉疲劳的肌电信号典型的振幅增大和频谱左移变化并不完全一致，时域和频域分析方法在攀爬作业肌肉疲劳评价中的使用还需要进一步的探讨；斜方肌和竖脊肌最先出现疲劳，是攀爬作业肌肉疲劳的关键肌群；相对于主观评价，表面肌电信号对机体疲劳的评估更为灵敏，攀爬作业持续100 s（攀爬长度约20 m）后，机体已出现疲劳。
Abstract:BackgroundClimbing pylons during high-voltage cable maintenance is not only a labor-intensive task, but also a challenge bringing about heat stress and mental pressure from working at height, which may lead to accumulation of muscle fatigue and work-related musculoskeletal disorders.
ObjectiveTo record the local muscle fatigue during a simulated climbing task by high-voltage cable electricians based on surface electromyography (sEMG) signals, explore the characteristic changes in sEMG signals and their relationship with subjective fatigue evaluation of the task, and provide data support for developing task specific objective assessment tools for local muscle fatigue and prevention of work-related musculoskeletal disorders.
MethodsTen male college students were recruited to conduct a test of a simulated pylon climbing task. The climbing distance was 60 m, and a task segment was set for every 20 m (about 100 s), recorded as T1, T2, and T3, respectively. After completing each task segment, the subjects were required to rate their subjective fatigue using the Borg's RPE Scale. Fatigue was defined by rating of perceived exertion (RPE) score ≥ 14 in this study. The sEMG signals of trapezius, erector spinae, rectus femoris, and gastrocnemius muscles were recorded wirelessly. The standardized maximal voluntary electrical activation (MVE) obtained by standardizing the root mean square (RMS) of the time domain index and the median frequency (MF) of the frequency domain index were estimated for the recorded sEMG signals, and joint amplitude and spectrum analysis (JASA) was used to evaluate local muscle fatigue of target muscles involving in the climbing task.
ResultsThe RPE scores of T1, T2, and T3 were 11.9, 15.3, and 17.4, respectively. Subjective fatigue was found in T2 and T3 but not in T1. With the extension of climbing time, the MVE values of left and right erector spinae muscles, left and right rectus femoris, and right gastrocnemius muscle increased gradually, while the MVE values of left and right trapezius muscles and left gastrocnemius muscle increased first and then decreased. The MF values of left and right rectus femoris increased at first, then remained unchanged, while the MF values of the other muscles remained basically unchanged. In T1, three muscles, including left trapezius muscle and both side of erector spinae muscles, showed fatigue; in T2, five muscles, including both sides of erector spina muscles, right trapezius muscle, and both sides of gastrocnemius muscle appeared fatigue; in T3 , except for left rectus femoris, the other seven muscles were fatigue.
ConclusionThe characteristic changes of electromyography signals in the simulated climbing task are not completely consistent with the typical amplitude increase and left shift of the frequency spectrum of sEMG signals in static tasks, indicating that the application of time-domain and frequency-domain analysis methods in the evaluation of muscle fatigue in climbing tasks needs further discussion. Trapezius muscles and erector spinae muscles are the first to show fatigue in the simulation, and may be the sensitive muscle groups of muscle fatigue associated with climbing movement. Compared with subjective evaluation, surface electromyography is more sensitive in the assessment of body fatigue. Fatigue is reported about 100 s of climbing (the climbing length is about 20 m).
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肌肉骨骼疾患（musculoskeletal disorders, MSDs）指肌肉、肌腱、骨骼、软骨、韧带和神经等运动器官的健康问题，它包括从轻微、短暂损伤到不可逆、能力丧失性伤害所有形式的健康-疾病状态。因从事职业活动而导致或加重的MSDs称为工作相关MSDs（work-related musculoskeletal disorders, WMSDs）[1]。有研究表明，供电企业运检人员各部位WMSDs患病率为7.5%~57.9%，以膝部和腿部为最高，可能与其高压塔攀爬作业有关[2]。高压塔攀爬作业人员不仅劳动负荷大，还需要承受因高温环境和高空作业带来的巨大精神压力，极易导致局部肌肉疲劳的慢性累积而诱发WMSDs。
预防WMSDs的关键是如何避免肌肉疲劳的累积[3]。表面肌电信号（surface electromyography, sEMG）是肌肉收缩时产生的微弱的生物电信号，可以反映神经肌肉系统的生理状态和活动情况，因其采集无创、便捷的特点在肌肉疲劳研究方面得到了广泛应用。sEMG在评价肌肉疲劳的研究中多以时域和频域分析为主，表现为sEMG信号振幅和频谱随时间及频率变化的定量关系。时域分析指标主要为积分肌电（integrated EMG, IEMG）值[4]、均方根（root mean square, RMS）值[5]；频域分析主要为基于快速傅立叶转换的中位频率（median frequency, MF）[6]和平均功率频率（mean power frequency, MPF）[7]。已有多项研究表明，在劳动过程中，随着肌肉疲劳的发生，RMS振幅出现增大，MF和MPF频谱出现左移[8-11]，提示RMS、MF和MPF与肌肉活动状态存在密切的联系，可以作为评定肌肉疲劳的客观方法。王宏鹏等[12]采用时域与频域分析方法选取IEMG与MF作为评价指标，研究高原公路驾驶员颈部肌肉IEMG与MF在不同连续驾驶时间、不同海拔高度情况下的疲劳特性。赵磊等[13]模拟工业生产中的手工搬上与搬下作业，应用sEMG和主观疲劳评定量表（Borg's RPE Scale，后简称为Borg量表）的主观疲劳（rating of perceived exertion, RPE）分值评价两种作业方式的肌肉负荷、致疲劳性和受试者的主观感受。张非若等[14]采用时域、频域及肌电术振幅频谱联合分析方法对重复性操作时上肢肌肉的疲劳状态进行分析并探讨其适宜性。但目前关于供电企业运检人员高压塔攀爬作业肌肉疲劳的肌电研究仍处于起步阶段，有必要对攀爬作业工人局部肌肉疲劳的表面肌电信号进行分析与研究，探讨作业过程肌电信号的特征性变化及其与RPE的关系，为客观评定攀爬作业局部肌肉疲劳，预防WMSDs提供数据支持。
1. 对象与方法
1.1 对象
本研究招募了10名男性在校大学生作为被试对象。所有被试对象均无MSDs，测试前两周无剧烈体力活动。本研究已经广东药科大学公共卫生学院医学伦理审查委员会审批通过（广药大公卫医伦〔2022〕第01号），研究对象均自愿参加试验并知情同意。
1.2 研究方法
采用实验室模拟研究方法，选择上述研究对象于实验室模拟供电运检人员攀爬高压塔作业，采集该作业相关的斜方肌、竖脊肌、股直肌和腓肠肌的sEMG和Borg量表的RPE值，分析上述部位局部肌肉负荷与疲劳的sEMG信号变化规律，探讨该作业人群局部肌肉疲劳的客观评定方法。
1.2.1 模拟作业的设定
试验前告知受试人员试验任务，受试者在一台根据高压塔结构特点设计的，专门用于模拟高压塔攀爬作业的攀爬机上进行循环无负重攀爬。根据对实际铁塔高度、倾斜度和脚钉间距等的调研和测量，攀爬模拟机与地面的夹角设置为75°，脚钉运行速度设置为200 mm·s−1，脚钉间距为45 cm，本试验设计整个攀爬过程持续时间约5 min，攀爬距离达到60 m为止，每攀爬20 m为一个时间段，分别记为T1、T2、T3，攀爬速度通过攀爬机设置，保持一致。试验时，每达到20 m攀爬距离询问一次受试者主观疲劳感受，询问时攀爬过程不停止。
1.2.2 数据采集与记录
采用16导联德国Biovision无线肌电描记仪采集试验过程中目标肌肉的肌电信号，装备参数设置如下：共模抑制比为120 dB，采样频率为1000 Hz，带通滤波为10~480 Hz，输入阻抗小于10 GΩ。
选取斜方肌、竖脊肌、股直肌、腓肠肌共4对8块肌肉作为目标肌肉。受试者进行10 min热身活动，随后用75%的医用酒精对相应肌肉位置的皮肤反复擦拭，待酒精挥发后，将Ag/AgCl电极（3M公司，美国）成对按肌肉纤维走向贴于目标肌肉肌腹表面的皮肤上（见补充材料图S1）。
试验前对受试者进行人体数据测量，记录身高、体重、年龄等。受试者在模拟攀爬前需进行目标肌肉的最大自主收缩（maximum voluntary contraction, MVC）测试，每个测定动作持续5 s，重复进行3次，每两次MVC测定之间休息3 min，MVC测定和模拟攀爬之间休息15 min。MVC测试动作说明见补充材料表S1。
受试者的主观疲劳感受评价采用Borg量表。该量表将主观疲劳感觉分为9个等级，其相应的RPE评分为：不费力，6分；极其轻松，7~8分；很轻松，9分；轻松，10~11分；稍累，12~14分；吃力，15分；非常吃力，16~18分；极其吃力，19分；精疲力竭，20分。当RPE评分>14分时，表示出现疲劳。
1.2.3 sEMG的处理与分析
（1）sEMG截取标准。本次试验采用EMGServer3.0软件对sEMG进行截取和分析。信号截取原则为：每隔10 s截取目标肌肉一个动作周期的sEMG，每个动作周期选取以最大振幅值点为中心的前后2 s最大幅值段sEMG进行二次截取。根据研究的需要，分别计算不同目标肌肉相应时间段肌电指标的平均值。目标肌肉MVC肌电信号截取原则为：截取以最大振幅值点为中心的前后2 s最大幅值段sEMG，取3次最大值的平均值作为目标肌肉MVC肌电。
（2）时域指标。RMS代表肌电信号强弱，其大小与参与活动的运动单位数目和放电频率的同步化程度有关，在实际应用中常用于体现产生肌电的能量大小，随着疲劳的加深，RMS有上升的趋势[15]。RMS值的计算公式为：
$$ {\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}=\sqrt{\frac{1}{N}{\sum} _{i=1}^{N}{{x}_{i}}^{2}} $$ (1) 式中：
$ {x}_{i} $ 为sEMG采样值，N为肌电信号段段长。为了降低个体差异对sEMG的影响，对RMS进行标准化，将实际测得的肌电幅度值（
${{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{\mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{T}}}$ ）表示为最大随意收缩时肌电幅度值（$ {{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{\mathrm{M}\mathrm{V}\mathrm{C}}} $ ）的百分比（percentage of maximal voluntary electrical activation, MVE），即标准化均方根值。MVE值的计算公式为：$$ {\mathrm{M}\mathrm{V}\mathrm{E}}=\frac{{{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{\mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{T}}}}{{{\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{\mathrm{M}\mathrm{V}\mathrm{C}}}}\times 100\mathrm{\%} $$ (2) （3）频域指标。MF为对应肌电信号谱能量平分处的频率值，抗噪声能力较强，MF会随着疲劳程度的加深逐渐减小（左移）[16]。其计算公式为：
$$ {\int }_{{ f}_{1}}^{MF}P\left(f\right)v={\int }_{ MF}^{{f}_{2}}P\left(f\right)v $$ (3) 式中：
$ {f}_{1} $ 、$ {f}_{2} $ 为硬件截止频率；$ f $ 为肌电信号频率；$ P\left(f\right) $ 为功率谱密度，计算之前需要对原始肌电信号段作频谱变换，得到功率谱密度；ν为自由度。（4）联合频谱振幅分析（joint amplitude and spectrum analysis, JASA）。JASA是指在某个统一的单位时间段，采用简单线性回归法分析振幅参数肌电活动性（electrical activity, EA）与时间的关系以及频谱参数MF和MPF与时间的关系，获得回归曲线的回归系数，建立坐标轴，根据回归系数的正负值，确定其在坐标系的位置：第一象限代表肌肉活动负荷增加，第二象限代表肌肉活动恢复，第三象限代表肌肉活动负荷减少，第四象限代表肌肉活动疲劳。本研究基于表面肌电MVE和MF，将两者相结合对目标肌肉的客观疲劳进行分析研究。根据研究的需要，分别计算各时间段MVE和MF随时间变化的线性回归系数，评定目标肌肉在不同时间段的疲劳状态。
1.3 质量控制
正式测试前开展预试验，进一步完善研究设计方案。工作人员统一培训，合理分工和安排工作时间，避免人为因素导致的误差。受试对象均知情同意，确保完成全部试验内容。试验开始前，对受试对象进行统一培训，详细讲解和示范攀爬作业的动作要领。主观疲劳调查、电极的贴放和MVE的测试等均严格按照统一标准和方法进行。实验室温度、湿度、照明等条件保持前后一致。
1.4 统计学分析
用SPSS 26.0统计软件对数据进行分析，采用单因素方差分析法比较不同任务段肌电信号MVE、MF，不同组两两比较选用LSD检验。将所得的MVE、MF值作线性回归分析，得到肌电指标随时间变化的回归系数b。
2. 结果
2.1 人体测量数据
10名男性志愿者年龄为（24.60±1.35）岁，身高为（176.61±6.01）cm，体重为（72.65±11.44）kg，体重指数（body mass index，BMI）为（22.23±3.18）kg·m−2，肩宽、臂展和膝关节高分别为（34.12±3.82）、（174.07±8.14）、（50.14±2.51）cm。
2.2 主观疲劳
Borg量表的RPE值随着攀爬时间的延长而增加，T1、T2、T3任务段的RPE分值分别为（11.90±1.45）、（15.30±1.49）、（17.40±1.51）分；3组间差异有统计学意义（P<0.05）。当RPE评分>14分时，表示出现疲劳，因此可认为在T2任务段开始出现主观疲劳。
2.3 表面肌电测量结果
2.3.1 时域指标分析结果
由表1可见，随着攀爬时间的延长，左右两侧竖脊肌和股直肌、右侧腓肠肌的肌电MVE呈逐渐升高的趋势，而左右两侧斜方肌和左侧腓肠肌肌电MVE呈先上升后降低的趋势；但经统计学检验，所有差异均无统计学意义（P>0.05）。
表 1 模拟攀爬作业期间各目标肌肉肌电MVE的变化（$ \overline{x}\pm s $ ，n=10）Table 1. MVE changes of target muscles during climbing simulation ($ \overline{x}\pm s $ , n=10)目标肌肉(Muscle) T1/% T2/% T3/% F P 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)24.40±8.21 31.80±8.00 24.90±8.17 0.010 0.990 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)22.70±6.06 28.70±4.52 22.80±7.89 0.139 0.871 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)41.40±9.18 43.20±7.73 54.10±8.50 0.014 0.986 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)41.80±3.99 52.30±3.86 57.70±7.21 0.149 0.862 左侧股直肌
(Left rectus femoris)26.00±7.66 37.00±5.23 42.20±6.80 0.129 0.879 右侧股直肌
(Right rectus femoris)28.20±7.21 43.00±8.91 45.20±7.50 0.030 0.970 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)50.70±7.80 52.80±6.91 51.00±8.68 0.041 0.960 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius muscle)45.30±7.93 48.30±9.52 54.10±8.41 0.254 0.777 2.3.2 频域指标分析结果
由表2可见，随着攀爬时间的延长，左右两侧股直肌肌电MF呈先增加，随后不变的趋势；其余肌肉肌电MF基本保持不变。经统计学检验，所有差异均无统计学意义（P>0.05）。
表 2 攀爬作业期间各目标肌肉肌电MF的变化（$ \overline{x}\pm s $ ，n=10）Table 2. MF changes of target muscles during climbing simulation ($ \overline{x}\pm s $ , n=10)目标肌肉(Muscle) T1 T2 T3 F P 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)62.00±8.96 60.10±8.05 59.20±6.71 0.216 0.807 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)64.30±8.21 62.40±8.45 62.80±6.22 0.085 0.918 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)47.10±7.09 45.00±5.54 45.40±5.91 0.324 0.726 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)44.90±4.10 46.50±6.75 45.30±6.96 0.151 0.861 左侧股直肌
(Left rectus femoris)41.30±5.74 54.40±5.04 57.70±7.23 0.969 0.392 右侧股直肌
(Right rectus femoris)41.50±6.21 55.60±9.49 53.80±7.55 0.245 0.785 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)82.70±10.54 84.16±9.08 84.64±7.74 0.164 0.849 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius muscle)87.90±8.41 84.62±5.05 85.30±5.74 0.296 0.746 2.3.3 JASA分析结果
简单线性回归分析结果表明：T1任务段，除左右两侧股直肌、左侧腓肠肌外，其余肌肉的MVE回归系数均为正值；T2任务段，除左右两侧股直肌外，其余肌肉的MVE回归系数均为正值；T3任务段，所有肌肉的MVE回归系数均为正值（表3）。
表 3 局部肌肉肌电指标随时间变化的回归系数b（n=10）Table 3. Regression coefficient b of electromyography index changes with time (n=10)目标肌肉(Muscle) MVE MF T1 T2 T3 T1 T2 T3 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)0.055 0.040 0.021 −0.011 0.071 −0.015 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)0.092 0.028 0.030 0.037 −0.037 −0.019 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)0.041 0.041 0.027 −0.010 −0.014 −0.027 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)0.037 0.036 0.025 −0.065 −0.062 −0.016 左侧股直肌
(Left rectus femoris)−0.037 −0.008 0.010 0.154 −0.011 0.038 右侧股直肌
(Right rectus femoris)−0.053 −0.003 0.013 −0.063 −0.026 −0.028 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)−0.293 0.142 0.046 −0.127 −0.032 −0.023 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius Muscle)0.106 0.056 0.015 0.055 −0.060 −0.035 T1任务段，除右侧斜方肌、左侧股直肌、右侧腓肠肌外，其余肌肉的MF回归系数均为负值；T2任务段，除左侧斜方肌外，其余肌肉的MF回归系数均为负值；T3任务段，除左侧股直肌，其余肌肉的MF回归系数均为负值。具体结果见表3。
进一步JASA分析结果表明（图1），T1任务段，左侧斜方肌、左右两侧竖脊肌共3块肌肉出现疲劳（图1A）；T2任务段左右两侧竖脊肌、右侧斜方肌、左右两侧腓肠肌共5块肌肉出现疲劳（图1B）；T3任务段，除左侧股直肌外，其余的7块肌肉出现疲劳（图1C）。
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图 1 T1（A）、T2（B）、T3（C）任务段目标肌肉肌电的JASA分析Figure 1. JASA analysis of target muscle EMG in T1 (A), T2 (B), and T3 (C) task segments3. 讨论
近年来，随着我国电网的快速发展，电力输送网络覆盖率迅猛提升，高压塔的数量越来越多，电网从业人员的数量愈加庞大。在电网快速发展的同时，电网从业人员的职业健康问题不容忽视，特别是供电企业运检人员，在作业过程中存在爬塔爬杆、长时间负重作业和强迫不良体位等诸多典型的不良工效学因素，容易引发肌体持续性疲劳。国内学者陈涛等[17]对我国北方某供电企业运检人员开展现场调查研究，发现运检人员存在较高水平的工效学负荷。
高压塔攀爬作业是供电企业运检人员典型作业之一，本次研究基于sEMG针对高压塔攀爬作业进行实验模拟。在不同活动状态下，sEMG中各分析指标的信号特征变化有一定差异。目前sEMG方法用于肌肉疲劳评价多限于静态作业[15]。静态作业肌肉疲劳时，肌电出现的典型变化是肌电幅度（以MVE表示）升高而MF降低，即所谓的频谱左移。而对于动态作业肌肉疲劳评价，时域和频域分析指标并未出现严格的一致性。吴旭东等[18]让受试者重复性同侧搬举5 kg工件，结果显示平均肌电值随着搬举时间的延长呈上升趋势，而MF和MPF呈下降趋势。但也有研究未出现与之类似的结果。张非若等[14]通过研究重复作业上肢肌肉疲劳发现，随操作时间的延长，肌肉肌电MVE呈逐渐上升趋势，MF和MPF明显下降，只是在最后一段时间不再下降，反而上升。Lin等[19]研究打字人员连续2 h作业发现，肌肉肌电MVE降低，同时MF斜率也呈下降趋势。本次攀爬作业模拟试验结果显示，随着攀爬时间的延长，左右两侧竖脊肌，左右两侧股直肌，右侧腓肠肌肌电MVE呈逐渐升高的趋势，而左右两侧斜方肌和左侧腓肠肌肌电MVE先上升后降低；左右两侧股直肌肌电MF先是增加，随后不变，其余肌肉肌电MF基本保持不变。攀爬作业肌电信号特征变化与静态作业肌肉疲劳的肌电信号典型的振幅增大和频谱左移变化并不完全一致，表明时域和频域分析方法在攀爬作业肌肉疲劳评价中的使用还需要进一步的探讨。
表面肌电信号的变化除了取决于肌肉疲劳状况，还与负荷、肌肉用力的状况有关。Hägg等[20]首先使用JASA综合分析方法，进一步区分了表面肌电信号的变化是疲劳还是用力所导致，证实改进后的监视器内窥镜手术操作相比于直视内窥镜操作的肌肉疲劳情况得到了减少。本研究应用JASA分析法分析肌肉疲劳与攀爬作业的关系，结果表明，随着攀爬时间的延长，进入疲劳的肌肉越来越多，左侧斜方肌、左右两侧竖脊肌最先出现疲劳，接着是右侧斜方肌和左右腓肠肌，右侧股直肌次之，左侧股直肌未出现疲劳。肌肉疲劳最先累及左侧斜方肌和竖脊肌，斜方肌将肩带骨与颅底和椎骨连在一起，起悬吊肩带骨的作用。在攀爬时需要上肢不停地向上做牵引活动，带动身体向上移动，因此斜方肌的肌肉负荷较大，容易出现疲劳，而左侧斜方肌最先出现疲劳的原因可能是因为研究对象的惯用手均是右手，左侧斜方肌肌肉力量比右侧斜方肌的肌肉力量弱，抗疲劳能力较弱；在背部肌肉中，最容易受到伤害的是竖脊肌，它的作用是：牵引脊柱实现后仰，保持身体挺直，维持姿势。高压塔攀爬是四肢协调发力的活动，同时人体需要保持躯干后仰的挺直位以便于发力，竖脊肌持续收缩发力，容易出现疲劳。斜方肌和竖脊肌是攀爬作业肌肉骨骼损伤的关键肌群。建议从事攀爬作业的人员加强对这两块肌肉的锻炼，增强抗疲劳能力。
Borg量表结果显示，疲劳得分随着攀爬时间的延长而增加，与表面肌电信号分析结果一致。Borg量表反映机体全身的疲劳状况，根据RPE评分>14分表示疲劳的判断标准，判断在T2任务段出现疲劳，而JAVA分析结果显示在T1任务段已经有局部肌肉出现了疲劳状况，说明相对于主观评价，sEMG对机体疲劳的评估更为灵敏。根据“负荷-肌肉反应-疲劳-损伤”WMSDs致病模型[21]，综合主客观疲劳评估结果，建议攀爬作业持续100 s（攀爬长度约20 m）后，进行适当的休息，以减少机体疲劳的累积，降低肌肉骨骼损伤的风险。
本研究的局限性是没有考虑实验对象与实际运检人员在年龄、心理特征、行为模式等方面的差异，以及实际工作中负重、高温、高空作业环境等攀爬作业疲劳的重要影响因素，使得模拟效果与实际情况有一定出入。
综上所述，本研究分析了高压塔攀爬作业局部肌肉负荷与疲劳的sEMG信号变化规律，探讨了该作业人员局部肌肉疲劳的客观评定方法。结果表明攀爬作业肌电信号特征变化与静态作业肌肉疲劳的肌电信号典型的振幅增大和频谱左移变化并不完全一致，时域和频域分析方法在攀爬作业肌肉疲劳评价中的使用还需要进一步的探讨；斜方肌和竖脊肌是防控攀爬作业肌肉骨骼损伤的关键肌群；相对于主观评价，sEMG对机体疲劳的评估更为灵敏，攀爬作业持续100 s（攀爬长度约20 m）后，机体已出现疲劳，建议此时应进行适当的休息，以减少机体疲劳的产生。
（志谢：感谢所有参与试验的志愿者的积极配合和无私奉献。）
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图 1 T1（A）、T2（B）、T3（C）任务段目标肌肉肌电的JASA分析
Figure 1. JASA analysis of target muscle EMG in T1 (A), T2 (B), and T3 (C) task segments
表 1 模拟攀爬作业期间各目标肌肉肌电MVE的变化（
$ \overline{x}\pm s $ ，n=10）Table 1 MVE changes of target muscles during climbing simulation (
$ \overline{x}\pm s $ , n=10)目标肌肉(Muscle) T1/% T2/% T3/% F P 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)24.40±8.21 31.80±8.00 24.90±8.17 0.010 0.990 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)22.70±6.06 28.70±4.52 22.80±7.89 0.139 0.871 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)41.40±9.18 43.20±7.73 54.10±8.50 0.014 0.986 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)41.80±3.99 52.30±3.86 57.70±7.21 0.149 0.862 左侧股直肌
(Left rectus femoris)26.00±7.66 37.00±5.23 42.20±6.80 0.129 0.879 右侧股直肌
(Right rectus femoris)28.20±7.21 43.00±8.91 45.20±7.50 0.030 0.970 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)50.70±7.80 52.80±6.91 51.00±8.68 0.041 0.960 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius muscle)45.30±7.93 48.30±9.52 54.10±8.41 0.254 0.777 
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表 2 攀爬作业期间各目标肌肉肌电MF的变化（
$ \overline{x}\pm s $ ，n=10）Table 2 MF changes of target muscles during climbing simulation (
$ \overline{x}\pm s $ , n=10)目标肌肉(Muscle) T1 T2 T3 F P 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)62.00±8.96 60.10±8.05 59.20±6.71 0.216 0.807 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)64.30±8.21 62.40±8.45 62.80±6.22 0.085 0.918 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)47.10±7.09 45.00±5.54 45.40±5.91 0.324 0.726 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)44.90±4.10 46.50±6.75 45.30±6.96 0.151 0.861 左侧股直肌
(Left rectus femoris)41.30±5.74 54.40±5.04 57.70±7.23 0.969 0.392 右侧股直肌
(Right rectus femoris)41.50±6.21 55.60±9.49 53.80±7.55 0.245 0.785 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)82.70±10.54 84.16±9.08 84.64±7.74 0.164 0.849 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius muscle)87.90±8.41 84.62±5.05 85.30±5.74 0.296 0.746
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表 3 局部肌肉肌电指标随时间变化的回归系数b（n=10）
Table 3 Regression coefficient b of electromyography index changes with time (n=10)
目标肌肉(Muscle) MVE MF T1 T2 T3 T1 T2 T3 左侧斜方肌
(Left trapezius muscle)0.055 0.040 0.021 −0.011 0.071 −0.015 右侧斜方肌
(Right trapezius muscle)0.092 0.028 0.030 0.037 −0.037 −0.019 左侧竖脊肌
(Left erector spinae muscle)0.041 0.041 0.027 −0.010 −0.014 −0.027 右侧竖脊肌
(Right erector spinae muscle)0.037 0.036 0.025 −0.065 −0.062 −0.016 左侧股直肌
(Left rectus femoris)−0.037 −0.008 0.010 0.154 −0.011 0.038 右侧股直肌
(Right rectus femoris)−0.053 −0.003 0.013 −0.063 −0.026 −0.028 左侧腓肠肌
(Left gastrocnemius muscle)−0.293 0.142 0.046 −0.127 −0.032 −0.023 右侧腓肠肌
(Right gastrocnemius Muscle)0.106 0.056 0.015 0.055 −0.060 −0.035
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