1、文章编号:1009-6094(2023)07-2366-06防护服对消防员上肢移动性的影响*刘纪坤1，黄一鸣1，2，李亚飞1，张逸文1，杨杰1(1 西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054;2 桂林航空工业学院能源与建筑环境学院，广西桂林 541004)摘要:为提升防护服工效性能，保证救援工作效率，利用三维动作捕捉技术采集 9 名受试者穿着不同服装时的运动数据并计算关节活动度，结合疲劳度及活动受限程度主观评价，通过方差分析和路径分析定量研究防护服对上肢移动性的影响。结果表明:与基础服装相比，穿着防护服时肩关节活动度减小了 25.9%40.2%(p 0.05)，肘关节活动度减小了 15
2、.6%20.7%(p 0.05)，防护服显著增大了肩、肘关节的疲劳度和活动受限程度;服装质量通过活动受限程度影响疲劳度，进而影响肩关节活动度，中介效应显著。研究可为高性能防护服开发提供数据支撑与理论指导。关键词:安全卫生工程技术;关节活动度;防护服;疲劳度;工效性能;路径分析中图分类号:X968文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0227*收稿日期:2022 02 15作者简介:刘纪坤，副教授，博士，从事风险控制与应急管理等研究，271143890 qq com;杨杰(通信作者)，副教授，博士，从事人体热防护研究，jyang xust edu c
3、n。基金项目:国家自然科学基金项目(51904228，51404188)0引言为保证人员安全高效地完成工作，免受高温、振动、细菌等危害，各种功能性防护服应运而生。但是，防护服在提供防护性能的同时，也不可避免地给人体带来了额外的生理负担和行动限制。研究表明，消防装备可能会给消防员增加 15 26 kg 的负重1，过重的防护装备会造成行动限制，从而导致事故风险的增加。美国消防协会的统计数据2 表明，滑倒、跌倒、绊倒事故占消防员所有伤害中的 20%。通过研究防护服的工效性能，优化特定的设计参数，如放松量、加宽、加褶等，尽可能提高服装的穿脱灵活性和可活动范围，从而保护消防员的安全。防护服的设计及其工效
4、性能评价是近年来的研究热点，国内外相关领域的学者从各个方面对其进行了一定的研究。Dorman 等3 和 oh 等4 通过试验研究防护服对人体生理和主观的影响，发现穿着防护服行走的代谢率较对照组增加了 20.9%(p 0.05);同时防护靴的质量达到体重的 5%后会显著增加疲劳感。Xu 等5 研究表明，减轻防护服的质量和热阻都可以显著减轻热应力。2010 年，Coca 等6 对受试者的关节活动范围和操作灵活性 2 个方面进行了评价，相比基础服装，消防服显著减小了多个关节的屈曲角度和工作任务的时间，研究结果为防护服的工效性能评价奠定了基础。Adams 等7 和Dorman 等8 分别研究了消防服的
5、质量、刚度和层数对关节活动度和能量消耗的影响，结果表明，消防服束缚消防员肩部的屈曲以及肘部、臀部、膝和肩部的横向伸展运动，甚至导致重心偏离，增加跌倒风险。在设计改进方面，2017 年，赖丹丹9 首次改进女式消防服的设计，显著降低了其湿阻，提高了穿着者的运动舒适性，主要体现在上衣的长度较国内现有消防服缩短了 11 cm，消防服裤裆部位置抬高了 5 cm，以及膝盖处服装省道的引入。综上所述，目前关于防护服工效性能的研究只能针对单一特定的服装和活动，多为定性或半定量研究，且侧重于防护服的热舒适性。本文利用三维动作捕捉技术测量人体关节活动度，结合主观舒适性评价结果，定量探究不同类型防护服对人体上肢移动
6、性能的影响，以期为开发高性能防护服、有效提升救援人员安全和救援效率提供数据支撑和理论指导。1试验方法1.1受试者本试验选择 9 名身体健康的男性大学生为受试者，基本信息如下:年龄(23.8 0.8)岁，身 高(175.9 5.8)cm，体重(65.2 6.3)kg。所有受试者身体健康，无任何体态异常，参加试验时精神状态良好，24 h 内无剧烈运动、未服用任何药物或酒精等刺激性食物，有较强的理解能力，能够完成试验任务并正确表达内心的感受尺度。所有受试者均自愿参加试验并填写知情同意书，正式试验前受试者已熟悉试验流程和主观感觉等级评价的含义。1.2服装试验服装包括基础服装、灭火防护服、半封闭防化服和
7、全封闭防化服(图 1)，总质量分别 1.1 kg、15.2 kg、13.0 kg 和 13.6 kg。其中基础服装为统一的运动短袖和短裤(LATIT，北京京东世纪贸易有限公司);灭火防护服为 02 式消防服(ZFMH LWSA，6632第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023青岛劳卫士有限公司)，符合 GA 102014消防员灭火防护服 标准;半封闭防化服为符合 OSHA 标准的 B 级化学防护服(FHLWS 001，青岛劳卫士有限公司);全封闭防化服为符合 OSHA
8、 标准的 A 级化学防护服(FHLWS 002，青岛劳卫士有限公司)。其中穿着防护服时均需穿着基础服装并佩戴正压式空气呼吸器(KH LWS 001，青岛劳卫士有限公司)。1.3试验方案采用 三 维 动 作 捕 捉 系 统(Opti Track，美 国Natural Point 有限公司)实时追踪受试者关键解剖位上的反光标记球(图 2)。在数据采集前，测量人体身高、体重和身体各运动段长度。分别在肱骨上端、肱骨外侧髁和茎突处体表安置反光标记球(直径为10 mm)，采集频率为 120 Hz。图 2标记球安置部位Fig 2Installation position of marker ball受试者在
9、静态下进行肩关节外展、肘关节屈曲，将三维动作捕 捉 系 统 采 集 到 的 运 动 数 据 导 入MATLAB 进行计算，得到肩关节在冠状面的最大外展角度、肘关节在矢状面的最大屈曲角度。同时进图 1防护服Fig 1Personal protective clothing行主观舒适性评价，包括疲劳度和活动受限程度。采用 Borg 量表进行疲劳度评价，从 6 开始(7 为极其轻松，9 为很轻松，11 为轻松，13 为有点吃力，15 为吃力，17 为很吃力，19 为极其吃力，20 为精疲力竭);活动受限程度采用 5 点单极量表，从 0 开始(0为没有限制，1 为轻微限制，2 为限制，3 为非常限制，
10、4 为极度限制)。通过关节活动度、疲劳度和活动受限程度定量研究防护服对消防员上肢移动性的影响。1.4统计分析采用方差分析对不同服装工况下的最大活动角度、疲劳度和活动受限程度进行组间均值差异性分析，显著性检验标准为 p 0.05。对肩关节、肘关节最大活动角度分别进行路径分析，研究疲劳度与活动受限程度在不同服装质量对关节活动度影响中的中介效应。方差分析在 SPSS 23 中进行，路径分析在 AMOS 24 中进行。2结果与讨论2.1关节活动度方差分析结果表明，肩关节外展角度与肘关节屈曲角度在不同服装间均存在显著差异(p 0.05)。如图 3 所示，穿着基础服装、灭火防护服、半封闭防化服和全封闭防化
11、服时肩关节外展角度均值分别为 139.5、103.4、83.4和 86.2，肘关节屈曲角度均值分别为 133.6、112.8、107.8和 105.9。肩关节外展活动角度范围为 0 180，本试验结果在这个范围内，穿着基础服装时活动范围占比为 77.5%，穿着防护服时活动范围占比为 46.3%57.4%;与基础服装相比，防护服导致肩关节活动范围降低了25.9%40.2%。肘关节屈曲活动角度范围为 0 150，本试验结果在这个范围内，穿着基础服装时活动范围占比为 89.1%，穿着防护服时活动范围占比为70.6%75.2%;与基础服装相比，防护服导致肘关节活动范围降低了 15.6%20.7%。对于
12、肩关节外展和肘关节屈曲，防护服均显著降低了关节活动角度。与基础服装相比，防护服拥有更大的质量和更厚的面料，这是防护服导致更小的关节活动角度的主要原因之一。对于肩关节而言，外展是主要的活动方式之一，但由于生理结构特点，肩关节外展会受到来自服装腋下松量10 与肩部负重11 的影响。本文中防护服均配备了正压式空气呼吸器，质量高达 7.3 kg，这也是防护服相比基础服装导致肩关节外展角度下降高达 40.2%的主要76322023 年 7 月刘纪坤，等:防护服对消防员上肢移动性的影响Jul，2023原因。半封闭防化服与全封闭防化服比灭火防护服的肩关节外展角度更低，这可能是因为两种防化服均采用芳纶织物双面
13、涂覆聚氯乙烯的面料，而灭火防护服采用的是多层芳纶织物面料，前者面料刚度12 和摩擦力13 更大，且松量设计更为紧凑。肘表 1信效度检验结果Table 1eliability and validity test results观测变量信度分析效度分析删除当前项的Cronbach 系数Cronbach 系数因子载荷系数组合信度 C平均方差萃取 AVE肩关节活动受限程度0.7560.7810.6360.8770.703肩关节疲劳度0.7210.843肘关节活动受限程度0.7810.700肘关节疲劳度0.6020.902关节屈曲活动角度范围为 0 150，受到服装的影响相对肩关节较小，穿着基础服装时角
14、度活动范围*表示 p 0.05。图 3上肢关节活动度Fig 3ange of motion of the upper limb joints为 89.1%，穿着防护服后降至 70.6%75.2%，这可能是因为肘关节负重较肩关节小。张睿明等14 研究表明，在外加载荷为 1.5 kg 时肘关节屈曲角度对舒适度无明显影响。本文研究无外加载荷，各防护服间肘关节屈曲角度没有显著性差异(p 0.05)，但两种防化服相比灭火防护服表现出更小的肘关节屈曲角度，这表明肘关节屈曲主要受到服装面料刚度及厚度15 的影响。但本文尚没有 3 套防护服装的面料数据，这将成为本课题未来研究的方向之一。2.2主观舒适性评价经
15、过信效度检验，疲劳度和活动受限程度评价量表满足分析要求(表 1)。根据受试者对活动过程中疲劳度与活动受限程度评价得分，方差分析结果表明，肩关节和肘关节不同服装间的疲劳度与活动受限程度均存在显著性差异(p 0.05)。图 4 表明，相比基础服装，防护服显著增加了关节活动的疲劳度和活动受限程度。防护服导致肩关节疲劳度增加了 60.9%87.4%，肘关节疲劳度增加了 42.2%48.5%;肩关节活动受限程度增加了 11 23 倍，肘关节活动受限程度增加了6 12 倍。肘关节屈曲的疲劳度与活动受限程度均低于肩关节外展。主观舒适性评价的结果表明，关节活动的疲劳感与活动受限程度随服装变化趋势基本一致，从大
16、到小的顺序均为防化服、灭火防护服、基础服装。人体穿戴防护服时的重量主要由肩部承担11，这与肘关节屈曲的疲劳度与活动受限程度均低于肩关节外展结果一致。毛睿成等16 研究表明，服装质量越大，穿戴后肩部产生的疲劳感越大。除此之外，两种防化服相比灭火防护服具有更差的透气性17，这会增加疲劳感。在活动受限程度方面，半封闭防化服与全封闭防化服没有显著性差异;前者将空气呼吸器背负在防化服外，后者将空气呼吸器背负在防化8632Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期服内，这表明空气呼吸器的背负方式并不会影响肩关节和肘关节的活动。肩关节外展活动受限程度较肘关节屈曲更大，这可能是因为肘关节承重更小，需要通过服装的设计改变重量分布，同时进一步减轻防护服整体质量，进而减小关节活动限制，特别时肩关节的外展活动。表 2中介效应检验结果Table 2Mediation test results模型路径效应值pBoot 下限Boot 上限效应占比/%模型 1间接效应0.614 0.536 0.335=0.1100.0260.2780.01117.43直接效应0.5210.0010.7620.
