非中性坐姿对全身振动测量的影响

《Applied Ergonomics》：Effect of non-neutral seated postures on whole-body vibration measurements

　　摘要：ISO 2631-1通常将座椅与乘员接触面处测得的频率加权加速度视为与操作员的姿势无关，但这一假设很少被明确验证。本研究对这一假设进行了评估。24名参与者在保持前倾、后仰和扭转三种姿势的情况下，坐在机器操作员座椅上，承受三维全身振动。尽管基础激励振动保持不变，但座椅接触面的频率加权均方根加速度在不同姿势下存在显著差异（F=0.871，R=0.765，T=0.845 m/s2；p<0.001），姿势因素可解释78%的方差。沙袋替代实验表明，仅体重重新分布即可导致频率加权均方根加速度出现约13%的变化，这说明姿势变化会影响到座椅悬挂系统的动态特性。按照ISO 2631-1的暴露计算公式，这相当于每日允许暴露时间存在约27%的差异。这些研究结果表明，有必要将姿势因素纳入ISO 2631-1全身振动标准以及职业振动风险评估中。

1. 引言
与直立站立相比，坐姿是一种非中性姿势，它可能会使人在全身振动环境中的其他非中性任务更加复杂，还可能增加不适感并对人体健康造成长期影响（Griffin, 1990; Mansfield, 2004; Magnusson等，1993; Bovenzi和Betta，1994; Killen和Eger，2016）。目前用于评估全身振动带来的健康风险和不适感的参考标准ISO 2631-1（国际标准化组织，1997）是通过在座椅垫与人体臀部接触面处测量输入加速度，进而得出各种评估指标。该标准通过取各方向加速度的平方和开方来处理单方向和多方向振动。ISO 2631-1中考虑了座椅靠背和脚凳的因素，但却忽略了其他姿势相关的影响。在评估实际振动暴露情况时，忽略姿势是一个重大局限，因为操作员常常由于工作需求、工作空间限制或疲劳而处于非中性/ awkward的坐姿（Newell等，2006; Rahmatalla和DeShaw，2011; Raffler等，2017; Blann等，1993; Fethke等，2018; Uenishi等，2000）。研究表明，这些姿势变化会改变振动在人体内的传递方式，影响肌肉激活模式，还会增加脊柱及支撑组织的局部负荷（Griffin, 1990; Fethke等，2018; Jack和Eger，2008; Michida等，2001; Pope等，1998; Goggins等，2022; Seroussi等，1989）。因此，如果不考虑姿势就对全身振动进行评估，可能会低估或错误地反映职业环境中的实际健康风险。这一局限引发了人们对于仅基于中性姿势进行的暴露评估的生态效度方面的担忧。意识到这一问题，国际标准化组织正在制定ISO/CD 3153标准草案，该草案建议使用姿势指数，将躯干倾斜度和不对称性纳入常规的全身振动评估中（国际标准化组织，2025）。虽然这一标准前景广阔，但目前尚未最终确定，而且针对不同姿势的振动风险指标的实证研究也相当匮乏，这就需要进一步开展研究。

近期有一些研究提出了姿势量化框架，以便更好地反映振动暴露条件下的实际坐姿情况。其中一项研究提出了姿势指数（R指数），用于系统地量化振动任务中的躯干倾斜度、颈椎屈曲程度以及不对称性（Raffler等，2010）。该指数与每日暴露加速度值（即A(8)）呈正相关，同时还能预测腰痛的发生概率。在一项针对农业机械操作员进行的实地研究中，R指数得分越高，说明姿势偏差越严重，其全身振动暴露水平以及自我报告的腰痛症状也更为明显。这些研究结果进一步证明了非中性姿势与全身振动在引发肌肉骨骼健康风险方面的相互作用，同时也表明，采用针对不同姿势的指标能够更准确地进行风险评估，从而突破ISO 2631-1的假设限制（Rahmatalla和DeShaw，2011; Raffler等，2010; Rahmatalla等，2025; Zimmermann和Cook，1997）。

还有新的实验研究探讨了姿势与座椅系统中垂直振动传递性之间的相互关系。有一项研究使用了带有与拖拉机悬挂系统相连的座椅面的刚性座椅，测试了四种坐姿：放松态、弯腰态、紧张态以及有靠背支撑的态（Adam等，2020）。该座椅安装在振动台上。尽管消除了座椅垫的影响，但研究结果显示，不同坐姿下的座椅有效振幅传递性数值存在很大差异，其中弯腰态的座椅有效振幅传递性最高。另有研究指出，当加入座椅垫后，由于接触力和压力分布会因姿势不同而产生更复杂的变化，这就更加凸显了在解读全身振动暴露指标时必须考虑人体姿势的重要性（Wu等，1998）。尽管已有这些研究成果，但目前的ISO 2631-1全身振动测量方法并未考虑姿势变化对座椅与人体接触面处输入振动强度的影响。

另一种姿势可能影响全身振动测量结果的机制是姿势导致的身体质量在座椅面上的重新分布。当操作员向前倾时，上身的质心会向前移动，这在座椅面上会产生力矩，从而改变身体与座椅垫之间的压力分布（Wu等，1998）。这种接触力和压力分布的变化又会改变座椅垫以及悬挂系统的变形模式和动态特性，进而影响传递到测量点的振动强度（Adam等，2020; Kitazaki和Griffin，1998; Amari和Perrin，2023）。这一机制与人体的主动神经肌肉反应无关，这说明仅体重重新分布就可能在座椅与人体接触面处引入测量误差。

尽管已有这些研究成果，但在全身振动暴露测量中如何处理姿势问题方面仍存在重大缺陷。近期一些以姿势为研究重点的研究探讨了不良坐姿以及不同的座椅设计如何改变表观质量以及从座椅到头部的振动传递情况，也就是振动向骨盆、躯干和头部的三维传递情况（Amari和Perrin，2023; Mirakhorlo等，2022; Goggins等，2022），而目前关于被动式和主动式悬挂座椅的研究则主要集中在降低振动传递强度、提升舒适度或减少对肌肉骨骼的负荷方面（Kia等，2022; Munyaneza和Sohn，2022）。关于全身振动风险因素以及主动式座椅悬挂控制技术的综合研究进一步表明，座椅设计、悬挂系统的动态特性以及姿势之间会以复杂的方式相互作用，共同决定车辆操作员所面临的振动环境（Singh等，2024; Al-Ashmori和Wang，2020）。然而，目前的ISO 2631-1标准仍然假设在座椅面上测得的频率加权加速度能够独立于姿势来反映输入振动暴露情况。目前还没有研究系统地量化非中性姿势如何改变座椅与人体接触面处的振动强度，而这一数值正是用于计算诸如每日频率加权均方根值以及基于HGCZ的暴露时长等与健康相关的指标的依据。因此，开展本研究十分必要，它能够明确揭示ISO 2631-1标准中输入测量值因姿势不同而产生的变化情况，并将这些影响与座椅悬挂系统本身的固有特性区分开来。

鉴于此前已有大量关于姿势与振动相互作用的研究，现有文献主要关注的是那些描述振动如何在乘员体内传播的传输指标，比如从座椅到头部的振动传递率、表观质量以及驱动点阻抗等。相比之下，ISO 2631-1标准中的健康和舒适度评估则是基于在座椅与乘员接触面处测得的输入加速度，而这一加速度被默认为与乘员的姿势无关。本研究通过人类受试者和无神经肌肉及组织变异性的沙袋替代模型，对这一假设进行了检验。

2. 材料与方法
2.1 受试者
共有24名成年人（12名男性，12名女性）参与了这项研究。男性受试者的平均年龄（±标准差）为43.4±18.8岁，平均身高为177.3±12.5厘米，平均体重为80.1±9.9千克。女性受试者的平均年龄为26.7±7.9岁，平均身高为162.3±5.5厘米，平均体重为66.1±15.1千克。所有受试者在参与研究前的两周内均自称没有背痛症状。该研究方案已获得爱荷华大学机构审查委员会的批准，所有受试者也都签署了书面知情同意书。

2.2 实验步骤——人类坐姿实验
受试者坐在一台农业机械座椅上，该座椅安装在一个刚性钢架上（图1）。实验所使用的座椅是沃尔沃Isringhausen品牌，配有机械弹簧悬挂装置。该座椅的制造商提供的刚度和阻尼参数并未公开，本研究也没有对其进行独立检测；不过，这类座椅代表了运输和农业作业领域中常见的悬挂类型。该钢架连接在一个六自由度运动模拟器上（Moog-FCS 628，位于美国密歇根州安娜堡市），该模拟器能够沿所有平动轴产生宽带随机振动。为了确保每位受试者坐姿端正时踝关节和膝关节的角度约为90°，实验中使用了可调节高度的脚凳（图1a）。

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图1. 实验中的坐姿：a）前倾，b）后仰，c）向右扭转，d）向左扭转。
每次实验中，受试者要承受70秒的三维随机振动，其未加权总均方根加速度值为1.08 m/s2，频率范围高达30 Hz（图2）。每位受试者需要完成三种不同的坐姿状态下的实验（图1）：a）持续保持前倾状态（躯干相对重力方向屈曲角度≥15°）；b）持续保持后仰状态（躯干相对重力方向伸展角度≥15°）；c）扭转状态，即受试者在70秒的实验时间内，每隔15秒在向右扭转和向左扭转两种状态之间交替一次。向右扭转和向左扭转这两个状态合在一起被视为一种扭转状态，共包含2次扭转动作，每次持续15秒，中间有大约10秒的过渡时间，这样就有了三种坐姿状态可供统计分析。每位受试者每种坐姿状态都需要完成一次实验，每次实验重复3次。所有受试者所承受的振动输入和坐姿总体上是相同的，只不过不同坐姿组合的出现顺序是随机安排的。

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图2. 实验输入振动在振动台刚性平台层面上的频率谱，X轴代表前后方向，Y轴代表横向方向，Z轴代表垂直方向。
实验过程中，受试者的躯干角度是通过MTx惯性传感器来监测的（Xsens Technologies公司，位于荷兰恩斯赫德），数据采集频率为120赫兹。该惯性传感器的质量为30克，尺寸为38毫米×53毫米×21毫米，接触面积为20平方厘米，它被固定在胸骨上部。通过该传感器的制造商提供的软件，可以将采集到的加速度计、陀螺仪和磁力计数据转换为俯仰角、横滚角和偏航角。其中，传感器的偏航角用于表示躯干的屈曲/伸展角度，而俯仰角则用于表示躯干的扭转角度。受试者正常舒适地坐在座椅上30秒时的平均俯仰角、横滚角和偏航角被作为“中性”参考数据。这些姿势数据并没有用于统计分析，而是用来确认在每次实验和每次重复试验中，受试者确实达到了预设的姿势角度阈值。

座椅与人体接触面处的振动是通过一个三轴座椅垫加速度计来测量的（356B41型号，PCB Piezotronics公司，位于美国纽约州迪普威市）。输入振动也是通过一个三轴加速度计来测量的（356A14型号，PCB Piezotronics公司，位于美国纽约州迪普威市），该加速度计被安装在运动平台上。所有的加速度计数据都以500赫兹的频率进行采样，然后使用MATLAB软件（R2024a版本，The MathWorks公司，位于美国马萨诸塞州纳蒂克市）进行处理。在MATLAB中，我们应用了人体振动加权滤波器，然后根据ISO 2631-1标准的规定，为每个加速度计计算出总频率加权均方根幅度值（FWRMS，单位为m/s2）（国际标准化组织，1997）。我们还计算了座椅与人体接触面处的未加权总均方根幅度值（UWRMS，单位为m/s2），以及运动平台处的FWRMS和UWRMS值。

振动数据是按照ISO 2631-1标准的要求进行处理的。总FWRMS值是通过结合不同方向的加权分量，并使用ISO 2631-1中为坐姿人类设定的比例因子来计算得出的：
(1)a{wv}={(1.4·a{wx})2+(1.4·a{wy})2+(1.0·a{wz})2}
在这个公式中，a{wx}和a{wy}是使用Wd滤波器处理后得到的水平方向（X轴和Y轴）的频率加权均方根加速度值，而a{wz}则是经过Wk滤波处理后的垂直方向加速度值。

每日暴露时长阈值规定了工人每天可以承受全身振动暴露的时间长度，这一时间长度是通过a{wz}值来表示的。当暴露时间达到这一阈值时，工人就会进入健康指导警戒区（HGCZ），即存在潜在健康风险；如果暴露时间超过这一阈值，则属于很可能存在健康风险的情况，相关标准规定可见ISO 2631-1标准的附录B。基于能量相等的原理，达到健康指导警戒区下限所需的操作时间可以通过以下公式计算：
(2)TPotentialHealthRisk=(0.43awv)2×8=1.5/(awv2)
其中，0.43 m/s2是对应健康指导警戒区下限的8小时整体频率加权均方根加速度值或矢量和。在判断振动暴露是否超过了健康指导警戒区的上限时，则使用0.87 m/s2这个数值。方程式（2）可用于确定与每日综合WBV-姿势暴露相关的日暴露时长阈值。所有实验中每位参与者的累积振动暴露剂量均远低于ISO 2631-1健康指导警戒区下限，符合实验室全身振动研究的伦理要求。2.3 沙袋替代实验为分离姿势重量变化对振动的影响与人体组织及肌肉的作用，我们采用了在座椅上放置沙袋的受控机械实验，以此模拟人类参与者采取的前倾、后仰及扭转姿势时的质心位置。选择沙袋是因为它们无法再现人体肌肉骨骼组织的非线性动态响应或主动肌肉支撑作用；排除这些变量后，我们就能将界面加速度的任何变化都归因于座椅悬挂系统对垂直载荷分布变化的反应。因此，该实验并非作为人体试验的生物等效替代品，而是用于测试悬挂系统刚度特性的机械控制实验。如图3所示，两个22.7公斤的沙袋（总重45.4公斤）被放置在座椅上。这一总质量是为了近似模拟直立坐姿时座椅垫通常承受的体重部分。对成年受试者的实验测量表明，在正常及非正常坐姿下，约有50–55%的体重由座椅垫承担。因此，45.4公斤的重量相当于75–90公斤体重的典型成年操作员的座椅承受负荷，这一数值符合有关坐姿工作的标准人体测量设计准则（Shen等人，1999年；Pheasant和Haslegrave，2006年）。下载：下载高分辨率图像（665KB）下载：下载全尺寸图像图3. 不同坐姿下沙袋负荷的位置布置。每个沙袋位置都旨在近似对应所研究的人类姿势。位置1代表中性坐姿，位置2代表后仰姿势，位置3代表轻微前倾姿势，而位置4和5则代表侧倾/扭转姿势。与人类受试者一样，座椅垫与沙袋之间的界面输入加速度是通过三轴座椅垫加速度计（356B41，PCB Piezotronics公司，纽约州迪普威市）来测量的。输入振动则通过固定在运动平台上的三轴加速度计（356A14，PCB Piezotronics公司，纽约州迪普威市）进行测量。2.4 统计方法我们使用标准的描述性统计量（均值、标准差、中位数、四分位数范围）来分析座椅-参与者界面以及运动平台处的FWRMS和UWRMS分布情况。我们的主要分析目标是探究姿势状态（三个等级：前倾[F]、后仰[R]、扭转[T]）对座椅-参与者界面处FWRMS的影响。因此，在重复测量方差分析中，以座椅-参与者界面处的FWRMS作为因变量，姿势状态作为固定效应的自变量，参与者身份作为随机效应。统计显著性水平设定为α=0.05。在发现姿势状态具有显著影响（p<0.05）后，再通过Bonferroni校正法对不同姿势状态之间进行两两比较。此外，还进行了类似的重复测量方差分析，但此时以运动平台处的FWRMS作为因变量。开展第二个模型的目的是在座椅-参与者界面处的FWRMS存在姿势状态的显著主效应时提供参考依据。一项事后敏感性分析（重复测量被试内方差分析；α=0.05；1?β=0.80；3个等级；假设被试内相关性ρ=0.5）证实，当前的样本量（N=24）足以检测到小至Cohen’s f≈0.27的效应，这一数值远低于主要研究结果中所观察到的效应大小。所有的统计分析都是使用Python（3.12版本）完成的，其中数据处理与可视化工作借助了pandas、numpy、matplotlib和seaborn这些库，而推断统计则采用statsmodels和scipy工具。3. 结果3.1 姿势对座椅界面FWRMS的影响研究结果表明，姿势状态会对传递到座椅-参与者界面的振动强度产生明显影响（见图4）。所有参与者都达到了预定的姿势状态，这一事实通过MTX惯性追踪器得到了验证。在所有受试者中，前倾姿势产生的座椅处FWRMS数值最大（均值=0.871±0.072米/秒2），其次是扭转姿势（0.845±0.068米/秒2），再往后是后仰姿势（0.765±0.076米/秒2）。姿势状态对座椅-参与者界面处FWRMS的影响具有统计学显著性（F(2,46)=80.19，p<0.001，部分η2=0.78，Cohen’s f=1.87）。对于不同姿势状态下的座椅-参与者界面FWRMS值，所有两两比较也都具有显著差异。值得注意的是，所有受试者都表现出相同趋势：即前倾姿势产生的座椅-参与者界面FWRMS数值最大，其次是扭转姿势，最后才是后仰姿势。下载：下载高分辨率图像（281KB）下载：下载全尺寸图像图4. 不同姿势状态下，座椅底部（运动平台加速度计，蓝色）以及座椅-参与者界面（座椅垫加速度计，橙色）处的总频率加权均方根加速度（FWRMS，单位：米/秒2）分布情况。显著性标记表示经过Bonferroni校正后的两两比较p值（***p<0.001，**p<0.01）。误差条代表±1个标准差。关于图中颜色标识的含义，可参阅本文的网络版本。相比之下，运动平台（座椅底部）处的FWRMS数值在不同姿势状态下基本保持一致：前倾时为0.737±0.006米/秒2，后仰时为0.734±0.005米/秒2，扭转时为0.736±0.005米/秒2。姿势状态对运动平台处FWRMS的影响并不具有统计学显著性（F(2,46)=0.77，p=0.471），因此无需进行两两比较。即便能检测到不同姿势下座椅底部FWRMS的微小差异，其数值大小也仅约为平均值的0.5%，完全可以忽略不计，且不会改变主要研究结论，因为座椅-参与者界面处的姿势差异幅度要大一个数量级。总体而言，这些结果表明所有试验中的输入振动强度是均匀的。对于座椅-参与者界面以及运动平台处的UWRMS进行分析后，其结果模式与FWRMS的分析结果一致。为便于查阅，表1列出了按不同姿势分类的各轴向（X、Y、Z）频率加权均方根加速度以及总FWRMS的描述性统计数据。表1. 不同姿势下座椅-参与者界面各轴向的频率加权均方根加速度（均值±标准差、中位数、最小值、最大值；数据来自24名受试者，共3次重复测量）。轴向姿势均值（米/秒2）标准差中位数最小值最大值X轴（FWRMS）前倾0.01410.00240.01330.01100.0193后仰0.01350.00150.01400.01000.0162扭转0.01420.00240.01350.01000.0194Y轴（FWRMS）前倾0.01180.00080.01200.01000.0131后仰0.01250.00070.01260.01130.0140扭转0.01240.00100.01210.01090.0150Z轴（FWRMS）前倾0.08490.00750.08420.07200.1009后仰0.07350.00790.07340.06200.0916扭转0.08190.00740.08160.06600.0976总FWRMS前倾0.08870.00730.08790.07500.1042后仰0.07790.00770.07800.06600.0954扭转0.08610.00690.08500.07100.10113.2 沙袋替代实验：载荷分布对FWRMS的影响此前的研究已经探讨了非中性姿势在WBV作用下的以下影响：(a) 肌肉骨骼损伤风险与腰部健康状况（Magnusson等人，1993年；Bovenzi和Betta，1994年；Raffler等人，2017年；Fethke等人，2018年；Singh等人，2024年；Kittusamy和Buchholz，2004年；Rehn等人，2005年）；(b) 振动在人体内的传播过程（Rahmatalla和DeShaw，2011年；Jack和Eger，2008年；Goggins等人，2022年；Zimmermann和Cook，1997年；Amari和Perrin，2023年；Mirakhorlo等人，2022年；Bhiwapurkar等人，2019年；Huang等人，2020年）；(c) 坐姿人体的共振频率（Kitazaki和Griffin，1998年）；以及(d) 座椅向身体的振动传递能力与座椅悬挂系统的响应特性（Adam等人，2020年；Kia等人，2022年；Munyaneza和Sohn，2022年；Al-Ashmori和Wang，2020年；Eger等人，2008年；Oborne和Boarer，1982年）。据笔者所知，目前尚无研究阐明姿势如何影响身体重量分布，进而影响作用于人体的振动强度的机制。在与人体受试者相同的输入振动条件下（即图2所示），我们计算了不同重量分布下的总FWRMS输入加速度值。如图5所示，尽管所有情况下沙袋的总重量保持不变，但总FWRMS加速度幅值却出现了变化。换言之，重量分布的变化会改变座椅垫以及悬挂系统的变形模式与特性，进而导致悬挂系统的响应方式以及相应的输入加速度测量值出现差异。下载：下载高分辨率图像（191KB）下载：下载全尺寸图像图5. 座椅上不同沙袋重量分布位置对应的总频率加权均方根加速度（FWRMS，单位：米/秒2）数值。位置1代表中性坐姿，位置2代表后仰姿势，位置3代表轻微前倾姿势，位置4和5则代表侧倾/扭转姿势。虽然各位置间的FWRMS绝对值差异在0.991–1.118米/秒2之间，约13%，但根据ISO 2631-1中的暴露时长计算公式（方程式（2））推算，这会导致每日允许暴露时长出现约27%的差异（1.19小时对比1.51小时），这一差异在职业健康领域具有实际意义。3.3 每日允许暴露时长图6展示了不同姿势状态下，受试者每日的平均允许暴露时长，误差条则表示各受试者的个体标准差。下载：下载高分辨率图像（538KB）下载：下载全尺寸图像图6. 根据ISO 2631-1标准，为达到健康指导警戒区下限，不同受试者及不同姿势状态下的每日允许暴露时长（小时数）。误差条代表±1个受试者级别的标准差。该图表显示，与不同姿势之间的系统性差异相比，同一受试者在多次测量中的个体差异相对较小。如表2所示，平均而言，前倾姿势下的每日允许暴露时长为2.02±0.33小时，后仰姿势下为2.64±0.51小时，扭转姿势下则为2.14±0.33小时。这些结果表明，与处于前倾和扭转姿势的受试者相比，处于后仰姿势的受试者可以在更长的时间内持续暴露在振动环境中，才达到ISO 2631-1规定的健康指导警戒区限制值。表2. 根据ISO 2631-1标准，不同姿势状态下24名受试者进行3次重复测量后的每日允许暴露时长（小时数），用于达到健康指导警戒区下限。姿势均值（小时）标准差中位数（小时）最小值（小时）最大值（小时）Q1值Q3值前倾姿势(F)2.020.332.021.442.771.832.21后仰姿势(R)2.640.512.561.713.582.193.15扭转姿势(T)2.140.332.161.533.091.952.334. 讨论有两种不同的物理机制将坐姿与操作人员所经历的振动环境联系起来。第一种机制已有大量文献探讨，即姿势会改变振动在人体内的传播方式：肌肉激活状态与组织刚度的变化会改变表观质量、驱动点阻抗以及座椅向头部的振动传递效率（Goggins等人，2022年；Amari和Perrin，2023年；Mirakhorlo等人，2022年；Bhiwapurkar等人，2019年；Huang等人，2020年）。另一种机制则发生在振动到达人体之前，即座椅-参与者界面处的测量点。当姿势发生变化时，施加在座椅垫上的载荷无论在大小还是分布上都会发生改变（Wu等人，1998年），进而改变座椅垫与悬挂系统的有效刚度（Adam等人，2020年；Kitazaki和Griffin，1998年），因此即便基底激励保持不变，坐骨结节处的加速度也会随之变化（国际标准化组织，1997年）。由于所有ISO 2631-1标准中的风险指标都是基于该测量点计算得出的，因此第二种机制会导致一种标准中未予考虑的输入阶段系统偏差。在针对人类受试者的研究中，我们观察到坐姿会对所测得的输入总FWRMS加速度幅值产生明显影响。具体而言，与前倾和扭转姿势相比，后仰姿势下的座椅处FWRMS数值大约高出10–13%，尽管在所有条件下座椅底部的FWRMS振动强度始终保持一致。这些结果说明，即使施加在座椅底部的振动强度不变，坐姿的变化也会影响座椅-参与者界面处的振动强度——而该界面正是ISO 2631-1标准中规定的振动进入人体的入口。这种变化是由于姿势改变了人体重量分布，进而引发了座椅悬挂系统与座椅垫的动态响应，而非座椅底部本身的机械振动输入发生了变化。虽然人的体重、座椅垫的非线性特性、主动式座椅，以及人体肌肉组织在WBV作用下的非线性动态响应（Munyaneza和Sohn，2022年；Al-Ashmori和Wang，2020年；Kittusamy和Buchholz，2004年；Rehn等人，2005年；Eger等人，2008年；Zhang等人，2025年；Ding等人，2024年）都可能影响WBV测量结果，但姿势变化导致的重量分布变化似乎也会增加测量结果的不确定性。各轴向的描述性分析结果（见表1）显示，姿势带来的差异主要以垂直方向（Z轴）的成分为主，这一事实支持我们将总频率加权均方根值（即矢量和）作为ISO 2631-1标准中的核心评估指标，而具体的各轴向详细分析则可留待日后开展。这一结论也说明，振动的主要变化体现在垂直方向，而这与悬挂系统密切相关，因为悬挂系统本身就是为应对垂直方向的加速度而设计的。沙袋控制实验（结果部分3.2节）也支持这一机制：在没有生物载体的情况下，即便基底激励保持不变，仅仅是载荷分布的变化就会导致界面加速度出现可测量的变化，这一现象恰恰印证了姿势变化会改变座椅悬挂系统的有效刚度这一观点。沙袋实验中得到的FWRMS数值在0.991到1.118米/秒2之间，变化范围约为13%，这一数值与人类受试者实验中观察到的10–13%的姿势相关变化范围一致。由于允许的每日振动暴露时间与1/a2成正比（公式2），输入加速度的13%变化相当于允许暴露时间约26%的变化，这对于职业暴露评估而言具有实际意义。ISO 2631-1标准中的健康风险评估是基于腰部脊柱在随机振动作用下的健康状况。该标准的基本理念是，来自座椅接口的振动力会通过位于骨盆后下部的坐骨结节进入人体。因此，测量应在靠近坐骨结节的单一点上进行。进入人体的重复振动力可能导致腰椎运动节段的压缩、屈曲以及腰椎疲劳（Magnusson等人，1993年；Pope等人，1998年；Seroussi等人，1989年；Kia等人，2022年；Singh等人，2024年）。ISO 2631-1规定的参考姿势要求受试者在测试时保持中立姿势，目光前方，双手放在膝盖上，如图7a所示（国际标准化组织，1997年）。此外，ISO 2631-1中定义的频率加权曲线（Wk、Wd）是根据这种中立姿势下的研究得出的，并未考虑非中立坐姿的情况（Griffin，1990年；国际标准化组织，1997年）。

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图7. （a）中立姿势和（b）非中立姿势（前倾）的示意图，展示了重量转移对座椅载荷的影响。当机器操作员采取非中立姿势时，其座椅上的重量分布会发生改变（Amari和Perrin，2023年；Mirakhorlo等人，2022年）。以前倾为例说明非中立姿势（图7b）。在这种情况下，上身的质心会向前移动，产生一个力矩，试图使座椅向下压的同时旋转。由于重量转移导致的压力分布变化可能会改变悬挂系统的变形模式及其响应。图6中的个体数据进一步表明，这些与姿势相关的差异明显超过了每种姿势下试验间的微小变化，从而进一步证明是姿势本身而非测量噪声导致了暴露时间上的差异。这些结果表明，与处于前倾和扭曲姿势的受试者相比，处于倾斜姿势的受试者可以在达到ISO 2631-1（HGCZ）标准限值之前承受更长时间的振动。相反，前倾和扭曲姿势的容忍时间较短，意味着在相同的振动条件下，潜在的健康风险会更快出现。因此，姿势在振动暴露耐受性中起着关键作用，在本研究中应用的振动强度范围内，倾斜姿势能提供相对较长的安全操作时间。同样，不同姿势导致的测量差异也会影响ISO 2631-1和ISO 10326中所规定的不适度量值和SEAT值。本研究存在若干局限性。首先，本研究仅在座椅与受试者接触点的ISO 2631-1规定测量点量化了姿势效应，并未对脊柱节段进行检测。这是有意为之，因为必须首先确定输入测量点的姿势相关变化，才能正确解读不同姿势下的脊柱传输特性；否则，脊柱处的差异就无法明确归因于传输特性而非输入变化。其次，我们的样本为24名性别均衡的成年人，这一规模与类似的随机振动研究相当，但研究结果可能不适用于所有体型、年龄或职业的人群。未来的研究应纳入更多样化的更大规模群体。此外，仅测试了三种不同的姿势状态（前倾、倾斜和扭转），每种状态都由一个最小角度阈值定义。实际上，操作员会采用连续的姿势角度和动态的姿势转换。因此，当前的结果应被理解为代表姿势类别的效应，而非躯干角度与FWRMS之间的连续剂量-反应关系。最后，本研究使用的是带有机械弹簧悬挂系统的单一机器座椅，在实验室控制的振动台作用下进行测试。虽然这有助于严格控制振动刺激，但限制了研究结果在其他座椅类型（如空气悬挂座椅、汽车座椅、无悬挂座椅）、不同缓冲材料以及与此处使用的宽带随机信号不同的实际现场振动谱中的应用。虽然预计重量转移机制在不同类型的座椅上都会起作用，但其对输入FWRMS的影响程度很可能因座椅而异。这些发现对于职业环境中的ISO 2631-1合规性评估具有直接且可量化的意义。健康指导警戒区（HGCZ）的边界是由附录B中的反平方暴露公式确定的：T = 1.5/a2wv。在人类受试者实验和沙袋机械控制实验中都观察到了大约13%的由姿势引起的FWRMS变化，这一变化会导致计算出的允许每日暴露时间大约变化30%（不同姿势下的允许时间为2.02小时和2.64小时，见表2）。对于那些依赖单一中立姿势测量来设定允许暴露时间的从业者和雇主来说，这一误差具有实际意义：处于持续前倾姿势的工人实际上可以被允许工作的时间比HGCZ标准所规定的时间长约30%。此外，ISO 2631-1中的频率加权函数Wk和Wd是基于中立姿势研究得出的（Griffin，1990年；国际标准化组织，1997年），并且无论操作员的姿势如何都统一应用，这意味着此处记录的输入阶段偏差加剧了人们对该标准在实际职业环境中的有效性的担忧（Rahmatalla和DeShaw，2011年；Fethke等人，2018年）。正在制定的ISO/CD 3153标准（国际标准化组织，2025年）提议将姿势指数纳入每日FWRMS指标中，而目前的实验证据为这一方法提供了直接支持。

5. 结论
这一现象背后的机制是体重在座椅缓冲垫和悬挂系统上的重新分配：当操作员前倾或扭转身体时，重心的变化会改变座椅系统的有效刚度，进而影响在座椅与乘员接触点测得的振动。这一机械机制通过沙袋替代实验得到了独立验证，该实验也产生了大约13%的FWRMS变化，且没有涉及人体组织或神经肌肉反应。因此，这项研究表明有必要将姿势因素纳入整体振动标准ISO 2631-1中。这一发现对于评估健康状况、不适度、SEAT值以及其他许多行业和职业安全健康专家在评估随机振动暴露时所依赖的指标具有重要意义。总体而言，与前倾和扭曲姿势相比，倾斜姿势的允许每日暴露时间分别减少了24%和19%。尽管大多数评估指标，如SEAT值、不适感和健康状况，都取决于输入振动的强度，但姿势的作用同样非常重要。

资金支持
本研究得到了美国疾病控制与预防中心下属的国家职业安全与健康研究所（NIOSH）的支持，该支持是通过与大平原农业健康中心签订的合作协议提供的（CDC/NIOSH资助编号：U54OH007548）。本研究的发现和结论仅为作者个人观点，并不一定代表CDC/NIOSH的观点。

作者贡献声明
Salam Rahmatalla：概念设计、正式分析、资金获取、研究调查、方法论、监督、初稿撰写、审稿与编辑。Jonathan DeShaw：软件应用、审稿与编辑。Yash Kumar Dhabi：数据整理、正式分析、软件应用、初稿撰写。Brian Fiegel：数据整理、审稿与编辑。Elizabeth M. Ritchie：数据整理、审稿与编辑。Tyler Guzowski：数据整理、审稿与编辑。Geb Thomas：资金获取、审稿与编辑。David G. Wilder：资金获取、审稿与编辑。Nathan B. Fethke：资金获取、研究调查、项目管理、资源协调、监督、审稿与编辑。

Salam Rahmatalla|Jonathan DeShaw|Yash Kumar Dhabi|Brian Fiegel|Elizabeth M. Ritchie|Tyler Guzowski|Geb Thomas|David G. Wilder|Nathan B. Fethke
美国爱荷华州爱荷华市爱荷华理工学院，爱荷华大学