《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effects of an active exoskeleton on the muscle activity of the erector spinae and biceps femoris muscles during lifting with symmetric stoop and squat technique
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引言：主动式外骨骼（Active exoskeleton）越来越多地用于减少肌肉活动及支持搬运任务。然而，外骨骼的效果可能因搬运技术而异。本研究调查了市售主动式外骨骼（Apogee）在两种不同搬运技术（弯腰式与下蹲式）下对肌肉活动的影响。
方法：17名健康青年
引言：主动式外骨骼（Active exoskeleton）越来越多地用于减少肌肉活动及支持搬运任务。然而，外骨骼的效果可能因搬运技术而异。本研究调查了市售主动式外骨骼（Apogee）在两种不同搬运技术（弯腰式与下蹲式）下对肌肉活动的影响。
方法：17名健康青年（8名男性，9名女性）参与了研究。在搬运15公斤箱子的四种条件下，使用肌电图（EMG）测量竖脊肌（M. erector spinae, MES）和股二头肌（M. biceps femoris, MBF）的肌肉活动：1）不使用外骨骼，2）外骨骼处于被动模式，3）50%支持力与20%反向力，4）100%支持力与60%反向力。
结果：下蹲式技术（squat-technique）的MBF活动比弯腰式技术（stoop-technique）低29%（F1,16= 20.53, p < 0.01, ?P2= 0.56）。两种技术的MES活动相似（F1,15= 0.53, p = 0.48, ?P2= 0.03）。当将两种技术的数据合并时，外骨骼显著降低了MES（F3,45= 18.00, p < 0.01, ?P2= 0.53）和MBF活动（F3,48= 10.2, p < 0.01, ?P2= 0.39），且更高的支持水平导致肌肉活动更大幅度地降低。弯腰式技术从外骨骼中获益更多，显示出MES活动（10%–27% MVC）和MBF活动（7%–10% MVC）的显著降低。相比之下，下蹲式搬运显示MES活动（10%–17% MVC）显著降低，但MBF活动（2%–3% MVC）无显著降低。
讨论：结果表明，外骨骼在主要以髋关节伸展为主的弯腰式技术中提供了更大的益处。肌肉活动的减少支持了外骨骼在减轻肌肉负荷和预防与工作相关的肌肉骨骼疾患（work-related musculoskeletal disorders, MSDs）方面的潜力。然而，下蹲式技术的改善有限，这表明外骨骼可能需要针对不同的搬运任务进行调整。未来的外骨骼应旨在根据具体的搬运技术动态调整其支持，以最大化效果。
肌肉骨骼疾患（MSD）是与工作相关的最常见疾病之一，具有多因素病因。在职业环境中，重复搬运重物是导致腰部MSD的一个可能原因。搬运重物主要有两种技术：下蹲式（squat）和弯腰式（stoop）。下蹲式主要通过弯曲膝盖并保持躯干直立来进行，而弯腰式的特点是膝盖轻微弯曲或伸直，躯干前屈。尽管证据并未明确支持任何一种技术，但在实践中，许多治疗师通常更倾向于下蹲式技术。外骨骼是一种用于减少搬运重物时肌肉活动的有趣且合适的方法。外骨骼可分为主动式（由电动机等提供动力）和被动式（由弹簧或绳索提供支持）。已有文献回顾和近期研究表明，背部支持外骨骼（BSE）可以减少竖脊肌（MES）和股二头肌（MBF）等肌肉的活动。然而，大多数研究是使用弯腰式技术进行的，或未明确说明搬运技术。据研究人员所知，尚未有研究在主动外骨骼使用的背景下，比较两种技术对MBF和MES神经肌肉活动的影响。虽然已知外骨骼有助于搬运并减少关键肌肉（MES， MBF）的神经肌肉活动，但尚不清楚其在弯腰式与下蹲式搬运中哪个获益更大。此信息对于评估和改善主动外骨骼的运动支持以预防工作相关MSD至关重要。
因此，本研究旨在分析和比较在使用与不使用主动外骨骼的情况下，两种搬运技术（弯腰式与下蹲式）中MES和MBF的神经肌肉活动。为了清晰区分运动和相关肌肉（MES， MBF）的贡献，本研究结合肌电图（EMG）记录肌肉活动，并进行了三维视频分析。研究假设是外骨骼对两种技术背部与髋部伸肌的肌电图（EMG）活动减少效果相同。本研究的主要贡献在于：1. 研究与比较外骨骼在对称弯腰式与下蹲式搬运中对不同肌肉活动的影响。2. 增进对外骨骼如何影响不同搬运技术的理解，并找出哪种技术可能从外骨骼使用中获益更多。该研究发表在《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》期刊。
为开展本研究，研究人员采用了几个关键技术方法。研究共招募了19名年轻健康的成年人（性别：9名男性，10名女性），最终17名受试者的数据纳入评估。研究使用了市售主动外骨骼Apogee（German Bionic Systems），该设备重约8公斤，通过腰带、胸部背心和腿部附件固定。实验前，首先测量了MES和MBF的最大自主收缩（MVC）。实验程序要求受试者用四种条件（1. 无外骨骼；2. 外骨骼被动模式；3. 50%支持/20%反向力；4. 100%支持/60%反向力）各将15公斤的箱子从地面搬起到直立姿势五次，每种条件内先进行五次弯腰式搬运，休息30秒后进行五次下蹲式搬运，条件间有5分钟休息。通过双极表面肌电图在左侧MES和左侧MBF测量肌肉活动，电极放置遵循SENIAM建议。使用红外摄像机系统（Qualisys）跟踪受试者运动，在身体左侧解剖标志点放置反光标记。肌电和运动学数据通过触发信号同步。数据通过Matlab?处理，肌电数据经全波整流、平滑（150毫秒移动平均）并归一化至MVC峰值。统计分析采用2（技术）×4（支持水平）重复测量方差分析（rANOVA），效应量采用偏η2（?P2）评估，事后分析采用Tukey HSD检验，显著性水平设为p < 0.05。
3.1 合并数据的比较：技术
为研究两种搬运技术之间肌肉活动的普遍差异，将所有数据（四种条件）按每种搬运技术合并。技术比较显示，下蹲式技术的MBF活动比弯腰式技术低29%（F1,16= 20.53, p < 0.01, ?P2= 0.56）。相比之下，两种技术的MES活动相似（F1,15= 0.53, p = 0.48, ?P2= 0.03）。
3.2 合并数据的比较：支持水平
为独立于搬运技术评估外骨骼的普遍影响，将弯腰式和下蹲式技术的数据合并。结果表明，外骨骼对MES活动有显著影响（F3,45= 17.00, p < 0.01, ?P2= 0.53）。具体而言，与不使用外骨骼相比，使用被动外骨骼时肌肉活动降低15% MVC（p1-2= 0.01），50%支持时降低21% MVC（p1-3< 0.01），100%支持时降低33% MVC（p1-4< 0.01）。MBF活动也观察到显著效应（F3,48= 10.20, p < 0.01, ?P2= 0.39），事后分析显示，不使用外骨骼的条件与所有使用外骨骼的条件间存在显著差异。不同支持水平（被动模式、50/20%和100/60%）之间无显著差异。
3.3 交互效应：技术与支持水平
分析技术与支持水平之间的交互效应，显示对MES（F3,45= 4.47, p < 0.01, ?P2= 0.23）和MBF活动（F3,48= 4.85, p < 0.01, ?P2= 0.23）有显著影响。
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弯腰式技术：MES活动随着每个支持水平的增加而显著降低（条件1至条件4：69.8% MVC -> 59.2% -> 50.7% -> 42.4% MVC）。MBF活动仅在不使用外骨骼与所有使用外骨骼的条件比较中显著降低，不同支持水平间无显著差异。
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下蹲式技术：MES活动仅在不使用外骨骼与所有使用外骨骼的条件比较中显著降低（条件1：67.4% MVC；条件4：49.7% MVC），不同支持水平间（条件2、3、4）无显著差异。MBF活动在各条件间无显著差异。
讨论与结论
4.1 结果分类
本研究中观察到的使用外骨骼时MES和MBF肌肉活动的降低幅度与文献报道的范围一致。弯腰式技术的评估显示，MES活动随每个支持水平降低8%–10% MVC，而MBF活动仅在使用被动Apogee时降低，更高支持水平未观察到额外降低。下蹲式技术的评估显示，MES活动在使用100%/60%支持时降低，但各水平间无显著结果；MBF活动无显著降低。
4.2 被动模式外骨骼的影响
在两种技术中，仅佩戴被动模式外骨骼（无主动支持）进行搬运时，MES肌肉活动已降低。研究人员推测，这种降低源于Apogee附件结构产生的压缩和稳定躯干作用，类似于被动腰部矫形器的影响，以及背板限制了躯干前屈范围。弯腰式技术中MBF活动的降低可能源于上身姿势改变导致MBF杠杆臂变化。
4.3 技术与支持水平的差异
分析肌肉活动表明，弯腰式技术似乎比下蹲式技术从主动背部支持外骨骼中获益更多。此外，弯腰式技术中观察到MBF活动降低，而下蹲式技术中没有。由于下蹲式技术主要依赖膝伸展，而Apogee支持髋伸展，此结果符合预期。结果差异可能源于负载相对于身体的位置、外骨骼引入的变量复杂性（如生物力学差异）以及外骨骼对身心综合工作表现的影响尚不完全清楚。
4.4 研究局限性
研究的局限性包括：技术使用顺序未随机化（但疲劳风险被认为可忽略）；本研究中的下蹲式技术更接近半蹲变体，因箱子位于受试者前方；未考虑箱子相对于身体的位置对负荷的影响；未考虑外骨骼对使用者平衡的潜在影响；未分析可能影响用户接受度的认知参数或代谢因素；未设置无负载/无外骨骼的基线条件；仅使用了制造商推荐的两种支持/反向力比例。
4.5 结论
在本研究中，研究人员使用市售主动背部支持外骨骼“Apogee”调查了其在对称搬运的两种不同搬运方式下，对竖脊肌（MES）和股二头肌（MBF）肌肉活动的影响。结果表明，使用者在进行弯腰式技术时比进行下蹲式技术时似乎更能从外骨骼中获益。这一结果也在预期之中，因为弯腰式技术的搬运动作主要来自髋部伸展，而所使用的外骨骼通过髋关节处的电机支持此动作。因此，研究人员发现弯腰式技术中MES活动在不同支持水平下显著降低，每个支持水平使MVC降低增加8%–10%。此外，在弯腰式技术中观察到MBF活动的降低。
研究表明，外骨骼有助于减少搬运动作期间MES和MBF的急性肌肉负荷，从而可能有助于减少与工作相关的肌肉骨骼疾患（MSD）。然而，由于研究人员仅测量了急性效应，仍需要对实践中的长期效应进行进一步研究。此外，应进一步研究用户感知的用力程度和稳定性等主观参数，以及外骨骼在长时间使用中对肌肉疲劳的影响。该研究还表明，外骨骼对不同类型的搬运动作提供的支持水平并不相同。由于外骨骼的目标是在搬运时为用户提供最佳支持，此类结果表明，未来开发能够识别特定运动任务并调整其支持策略的外骨骼，或为用户提供如何搬运以获得最佳支持的指南，可能是有益的。
