被动式腰背支撑外骨骼对商业捕蟹作业中肌肉活动与关节运动学的影响

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《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》：Effects of Two Passive Back-Support Exoskeletons on Muscle Activity and Joint Kinematics During Simulated Crab Fishing Tasks

【字体：大中小】 时间：2026年10月19日 来源：Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting

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　　摘要腰背部损伤在商业渔民中十分普遍，这与渔业作业中涉及的高体力劳动任务密切相关。职业腰背支撑外骨骼（BSE）可能有助于减轻腰背部体力负荷，但其在商业渔业中的有效性尚未得到充分研究。本研究评估了两款被动式BSE对20名男性受试者在进行模拟螃蟹分拣和蟹笼搬运任务时（佩戴与不佩戴两

摘要

腰背部损伤在商业渔民中十分普遍，这与渔业作业中涉及的高体力劳动任务密切相关。职业腰背支撑外骨骼（BSE）可能有助于减轻腰背部体力负荷，但其在商业渔业中的有效性尚未得到充分研究。本研究评估了两款被动式BSE对20名男性受试者在进行模拟螃蟹分拣和蟹笼搬运任务时（佩戴与不佩戴两款刚性BSE）的肌肉活动和关节运动学的影响。结果显示，两款BSE均显著降低了竖脊肌的肌肉活动，且在螃蟹分拣过程中的降幅大于蟹笼搬运过程。BSE的使用还导致腹部和腿部肌肉活动及关节运动学出现一些非预期的变化，具体取决于所执行的任务和使用的设备。这些发现表明，BSE可能有助于减轻商业捕蟹作业中的腰背部负荷，同时强调了进一步评估其潜在副作用的必要性，尤其是在真实捕捞条件下长期使用时的情况。

引言

工作相关的肌肉骨骼疾病（WMSDs），尤其是腰痛，仍是商业渔业面临的主要健康问题。既往研究报告称，商业渔民的腰痛患病率在50%或更高（Fulmer等，2017；Lipscomb等，2004）。商业渔业中背部疾病的高患病率与渔业作业中常见的繁重体力任务有关（Kucera等，2009）。在商业捕蟹作业中，蟹笼搬运和螃蟹分拣等任务会对腰背部施加较高的生物力学负荷，增加背部受伤和疼痛的风险（Kim等，2023）。

被动式腰背支撑外骨骼（BSE）作为一种有前景的解决方案应运而生，旨在减轻腰背部负荷并降低腰背部受伤风险（Qu等，2025）。既往研究表明，使用BSE可能降低躯干伸肌的肌肉活动、脊柱负荷以及主观疲劳和/或不适感（Choi等，2025；Luger等，2023；Madinei等，2020）。但同时也报告了一些不良副作用，如姿势改变和活动能力下降（Koopman等，2020）、局部不适（Kozinc等，2021）以及腹部肌肉的共同收缩（Alemi等，2019）。尽管这些先前的研究记录了BSE使用的潜在益处和缺点，但它们主要关注的是标准化任务，如躯干前屈、重复性搬举和静态持重。因此，其结果可能无法直接推广到涉及高度动态、多平面身体活动的商业捕蟹任务中。因此，本研究旨在评估两款被动式BSE在商业捕蟹两项常见高风险任务——蟹笼搬运和螃蟹分拣——中对肌肉活动和关节运动学的影响。

方法

本研究从大学社区中招募了20名男性参与者。参与者的平均（标准差）年龄、身高和体重分别为24.3（4.1）岁、174.5（8.2）厘米和80.2（9.7）千克。参与者报告过去7天内无身体活动限制，无肌肉骨骼疼痛。本研究经大学机构审查委员会批准，参与者提供了书面知情同意书。实验前，两款BSE——Ottobock Paexo Back（OTB）和Laevo FLEX（LV）——均针对每位参与者进行了调整，以确保合身。参与者在佩戴与不佩戴每款BSE的条件下练习每项任务，直至能够舒适地完成所有实验条件。

在蟹笼搬运任务中，参与者需抓住垂直放置在螃蟹分拣台上的蟹笼，将其向左倾斜以模拟倒出螃蟹，然后将其恢复到原始位置。在三种BSE条件下（OTB、LV、无BSE），每个条件下的搬运任务重复三次。休息10分钟后，参与者进行螃蟹分拣，即将40只塑料螃蟹按颜色（蓝色与红色）分入对应篮子中。为确保参与者之间的结果具有可比性，使用设定为每分钟40拍的节拍器来维持恒定的分拣速度。螃蟹分拣任务在每种BSE条件下各进行一次。BSE条件的顺序进行了随机化和平衡处理。

在任务执行过程中，使用10个无线表面肌电图（EMG）传感器（Trigno Avanti；Delsys；马萨诸塞州纳蒂克市）以2048赫兹的频率测量背部、腹部和腿部肌肉活动。EMG传感器双侧放置在竖脊肌、腹直肌、腹外斜肌、腘绳肌（股二头肌）和腓肠肌内侧头。原始EMG数据进行带通滤波（20–400赫兹），使用125毫秒移动窗口的均方根（RMS）平均值进行整流，并按最大自主收缩（%MVC）进行归一化。此外，使用全身惯性测量单元（IMU）动作捕捉系统（Xsens MTw Awinda；Movella Inc.；美国加利福尼亚州埃尔塞贡多）以60赫兹的频率采集躯干、髋部和膝关节的运动学数据。原始运动学数据使用4阶双向Butterworth滤波器以6赫兹进行低通滤波。然后，基于幅度概率密度函数（APDF）的第50百分位数（中位数）和第90百分位数（峰值）对EMG和运动学数据进行汇总，用于后续统计分析（Jonsson，1982）。为评估BSE使用对关节角度和肌肉活动的影响，采用广义线性混合模型（GLMMs）进行拟合，其中BSE条件为固定效应，受试者为随机效应。当检测到显著主效应时，进行Tukey校正的事后成对比较，以识别BSE条件之间的差异，统计显著性阈值为α = .05。

结果与讨论

结果显示，在螃蟹分拣任务中，BSE的使用显著影响了竖脊肌的肌肉活动（p < .001）。在该任务中，LV和OTB分别将竖脊肌肌肉活动降低了2.5和4.4 %MVC，相对于无BSE条件，平均降幅为11.6%和19.9%（跨百分位数和两侧平均值）。在蟹笼搬运过程中也观察到类似的效果（p < .001）；然而，与螃蟹分拣相比，降幅幅度较小（分别为1.8和2.8 %MVC，或相对于无BSE条件的11.2%至13.0%的降幅，分别为LV和OTB）。这种差异可能是因为在螃蟹分拣过程中躯干前屈幅度更大（第50百分位数 = 75°），而蟹笼搬运过程中较小（第50百分位数 = 5°），前者能更有效地通过增加执行器弹簧的张力来发挥BSE的支撑机制。

对于腹部肌肉，BSE对腹直肌肌肉活动的影响总体较小且不显著，但在腹外斜肌上观察到任务和设备特异性的效应。具体而言，在螃蟹分拣过程中，LV使左侧腹外斜肌峰值肌肉活动增加了3.0 %MVC（相对于无BSE条件增加43.7%，p = .041）；而在蟹笼搬运过程中，OTB使右侧腹外斜肌峰值肌肉活动降低了3.9 %MVC（相对于无BSE条件降低21.1%，p = .002）。关于腿部肌肉，腘绳肌（股二头肌）的肌肉活动在各类BSE条件下基本保持不变。相比之下，两款BSE均显著增加了螃蟹分拣过程中腓肠肌内侧头的肌肉活动，最高增加7.6 %MVC（相对于无BSE条件增加26.9%，p < .001），在蟹笼搬运过程中最高增加3.13 %MVC（相对于无BSE条件增加10.7%，p = .02）。

虽然BSE的使用未影响螃蟹分拣过程中的躯干运动学特征，但在蟹笼搬运过程中观察到LV使中位数躯干前屈角度增加了1.5°（相对于无BSE条件增加31.8%，p < .001），虽幅度较小但具有统计学显著性。两款设备也略微降低了峰值躯干旋转角度，OTB降低了2.3°（相对于无BSE条件降低17.7%，p < .001），LV降低了1.2°（相对于无BSE条件降低10%，p = .004）。在下肢运动学特征中，髋关节屈曲仅在螃蟹分拣任务中受LV影响，最大降幅为7.3°（相对于无BSE条件降低16%，p = .027）。最后，两款BSE均略微降低了膝关节屈曲角度，但该效应无统计学显著性。

结论

总体而言，这些结果表明BSE的有效性在不同商业捕蟹任务中有所差异。具体而言，螃蟹分拣成为了一个潜在的适用场景，在该场景中，市售被动式BSE可能提供足够的支撑并显著减轻腰背部体力负荷。相比之下，蟹笼搬运主要涉及额状面和横断面而非矢状面的动态运动和大力量用力；因此，该任务可能需要替代性的外骨骼设计或辅助策略。此外，在次要结果中观察到的设备特异性和任务特异性变化，包括非目标肌肉（如腹部和腿部肌肉）的活动以及关节运动学特征，凸显了对BSE进行全身生物力学评估的重要性，而不应仅关注其减轻腰背部体力负荷的能力。本研究涉及在受控实验室环境中进行的短时间模拟捕蟹任务，样本由无商业捕捞经验的年轻成年男性参与者组成。因此，研究结果可能无法很好地推广到职业渔民在实际捕捞任务和条件下所经历的情境。未来需要开展涉及商业渔民的纵向、现场研究，以考察BSE长期使用如何影响预期和非预期结果，包括疲劳、可用性和真实工作条件下的伤害预防。