澳大利亚剪羊毛工人腰部运动与肌电特征数据集：揭示重复性弯腰作业致腰背损伤的时变机制

本研究针对职业性腰背疼痛(LBP)的生物力学机制空白，通过采集11名澳大利亚剪羊毛工人8小时工作日的运动捕捉(IMU)和表面肌电(sEMG)数据，构建首个公开的长时间重复弯腰作业数据集。研究量化了剪切过程中腰椎屈曲-松弛现象和肌肉疲劳的时变特征，为开发基于运动控制缺陷的损伤预测生物标志物提供关键数据支撑。

　　

在全球范围内，腰背疼痛(Low Back Pain, LBP)已成为致残的首要原因，其中职业性重复弯腰作业（如农业、护理、建筑）是高风险人群。剪羊毛作为典型的弯腰作业，工人10年从业期永久性损伤风险超50%，但现有研究多局限于实验室短时数据，难以捕捉真实工作场景中疲劳积累导致的运动控制变化。这一知识缺口严重阻碍了职业性LBP预防策略的开发。

墨尔本大学机械工程系的Mark Robinson团队在《Scientific Data》发表了首个针对剪羊毛工人的长时间多模态生物力学数据集。研究通过惯性测量单元(IMU)运动捕捉系统和表面肌电图(sEMG)技术，连续记录11名澳大利亚剪羊毛工人8小时工作日的三维关节运动、16通道肌肉活动及自述疲劳数据。数据特别包含既往腰伤史和使用背部支撑带的工人，为分析保护性干预效果提供对照。关键技术包括：Xsens Awinda系统(60Hz)采集全身运动学数据，Delsys Trigno Avanti传感器(2148Hz)记录双侧L₁/L₃竖脊肌、多裂肌等8组肌肉的sEMG信号，采用改良Borg CR10量表量化疲劳程度，并通过隐马尔可夫模型(HMM)自动标记"抓羊-拖拽"和"弯腰剪切"两个作业阶段。

【背景与数据特征】
数据集覆盖11名男性剪羊毛工人（年龄32±13岁），包含传统围栏式与高架羊道两种作业环境。值得注意的是，5名受试者使用天花板悬挂式背部支撑带，2名有腰伤史。数据按标准剪羊毛日的4个2小时工作段划分，包含运动学参数、原始/滤波/包络sEMG信号及任务分段标签。

【技术验证发现】
数据分析验证了弯腰作业特有的"屈曲-松弛现象"：剪切阶段腰椎屈曲角度增大时竖脊肌活动显著降低（图6）。但不同于静态弯腰，动态作业中仍观察到周期性肌肉激活，这与控制羊只体位的小幅调整有关。研究还发现个体间腰-髋协调策略差异：如图7所示，两名工人完成相同任务时，腰椎与髋关节屈曲贡献比呈现相反变化趋势，提示存在独特的腰盆节律(lumbo-pelvic rhythm)。

【时变效应】
最具突破性的发现是肌肉活动的时变规律。图8显示L₃竖脊肌右侧的平均激活水平和香农熵随工作时间显著降低(p<0.01)，但在休息间隔后部分恢复。这种动态变化为理解疲劳积累如何改变运动控制策略提供了直接证据，与剪切作业68%的损伤集中在最后两小时的流行病学数据相呼应。

【数据质量与局限】
研究坦诚记录了技术限制：IMU系统因地面接触点假设导致重心坐标XY方向漂移（约15m/2小时），但强调这不影响基于躯干坐标系的关节角度精度。sEMG数据存在个别通道信号丢失或饱和现象（表6），主要源于无线传输干扰或传感器位移，但关键腰部肌肉数据完整性良好。

该数据集的价值在于首次完整呈现了职业场景中生物力学参数的动态演变过程，为开发基于真实工作负荷的LBP预测模型奠定基础。研究发现支持"累积性亚急性应激"致伤理论，提示未来防护设备研发应重点关注作业中后期的运动控制补偿机制。数据还可用于验证实验室研究结论的外推性，例如背部支撑带在实际使用中对不同经验水平工人的保护效果差异。作为首个公开的长时间职业生物力学数据集，其分析框架可扩展至建筑、护理等其它弯腰作业领域，推动职业安全研究从静态风险评估向动态预防策略转变。