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Se obtuvo la aprobación ética del Subcomité Médico del Comité de Ética de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Tsinghua (Aprobación: THU01-20250087), y todos los participantes proporcionaron su consentimiento informado por escrito antes de unirse al estudio.
La investigación determina la tensión fisiológica y la fatiga muscular en las diferentes clases de asientos de tren de alta velocidad (HSR) mediante una evaluación ergonómica multimodal. Este enfoque ofrece una consideración más dinámica en comparación con las mediciones estáticas tradicionales de la actividad muscular y el estrés fisiológico bajo diversas posiciones de asiento y eventos de desplazamiento mediante la combinación de EMG y SCR en el marco de una simulación de escenario. Para medir la intensidad de la activación muscular y la progresión del cansancio, también se incluyeron dos métricas de evaluación fisiológica que se utilizan comúnmente en evaluaciones ergonómicas y biomecánicas, como la frecuencia mediana (MF) y la raíz cuadrática media (RMS),12.
La investigación utilizó controles experimentales comparables y una línea base neutra (calibración previa a la prueba). Como referencia fisiológica neutral para la normalización, los participantes registraron sus niveles de EMG y SCR en reposo durante una calibración de línea base de 10 minutos en una posición estándar erguida antes de cada sesión. Además, las comparaciones de asientos de clase business, first y economy sirvieron como controles experimentales, permitiendo la separación de los efectos específicos de cada asiento bajo las mismas actividades basadas en escenarios.
Entorno experimental y equipamiento
Por validez ecológica, todas las mediciones se realizaron en cabinas reales de tren de alta velocidad (HSR). La Figura 2 muestra la disposición de asientos y el entorno de la sección business, las soluciones ergonómicas, la iluminación de la cabina y las soluciones de asiento para pasajeros. Estos elementos contribuyen al nivel general de comodidad y, además, influyen en reacciones fisiológicas como los cambios en el SCR y la actividad EMG. El sistema de sensores portátiles en esta investigación, descrito en la Figura 3, se utilizó en el monitoreo fisiológico. El aparato utilizado en el experimento consistía en:
Electromiografía (EMG): Se colocaron sensores EMG de superficie en la zona lumbar, cuello y hombros para registrar los cambios en la amplitud de actividad muscular (μV) y en la frecuencia mediana (Hz), que son indicadores de fatiga muscular.
Respuesta de conductancia cutánea (SCR): Se utilizó un sensor Shimmer3 GSR+ para registrar la actividad electrodérmica relacionada con molestias físicas y estrés a 50 Hz.
Sincronización de datos: El software basado en Python aseguraba la integración en tiempo real de los dos tipos de datos, EMG y SCR, en todas las condiciones experimentales.
Colocación precisa del sensor: Para lograr reproducibilidad y adquisición precisa de señales, los electrodos de electromiografía de superficie (sEMG) deben colocarse conforme a las directricesSENIAM 13. Los electrodos bipolares Ag/AgCl se colocaron en los músculos esternocleidomastoideo (punto medio entre el proceso mastoideo y la escotadura esternal), trapecio superior (punto medio entre el proceso espinoso C7 y el acromión) y espinoso erector (3 cm laterales al proceso espinoso L3), de modo que los electrodos se colocaron paralelos a las fibras musculares con una distancia interelectrodos de 20 mm. Cada sitio fue afeitado, limpiado con alcohol isopropílico al 70% y abrasivo ligeramente para asegurar que la impedancia de la piel fuera inferior a 5 Ω. El epicóndilo lateral estaba cubierto con un electrodo de referencia. Los sensores eran sensores SCR, cuyos electrodos estaban fijados en las falanges distales del índice y el dedo medio de la mano no dominante, con una calibración previa a 10 minutos, donde se determinaban los valores de referencia base de EMG y SCR. Se colocaron sensores EMG en la zona lumbar, cuello y hombros para evaluar la amplitud de activación muscular (μV) y el cambio de frecuencia mediana (Hz), que es uno de los signos de fatiga muscular.
Los datos fisiológicos se recogieron utilizando sensores para SCR y sistemas inalámbricos sEMG para la medición de la actividad muscular, ambos sincronizados mediante un software de adquisición de datos basado en Python para garantizar la precisión temporal. Todos los dispositivos se calibraban antes de cada sesión para mantener la precisión y fiabilidad de la señal.

Figura 2: Entorno experimental de la cabina (clase business). La distribución interior y las características ergonómicas de una cabina HSR, donde se ponía el énfasis en la comodidad de los pasajeros y la planificación del espacio en la cabina. Cuenta con asientos reclinables grandes con pantallas de privacidad, controles ajustables para sentarse y iluminación ajustable. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 3: Montaje experimental para monitorización fisiológica. Se muestra una distribución interior de la cabina HSR, que enfatiza las características personalizadas para los pasajeros, la iluminación ambiental y los asientos ergonómicos. Se centra en la comodidad, la fabricación y la practicidad, que incluyen semi-privacidad en los asientos, espacio amplio para las piernas y una luz de lectura ajustable. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Participantes y diseño experimental
Un total de 30 participantes adultos sanos (15 hombres y 15 mujeres) fueron reclutados mediante un enfoque de muestreo estratificado para garantizar una representación igualitaria en las condiciones de asientos empresariales, de primera clase y económicas. Se incluyeron participantes si eran adultos entre 18 y 40 años, con buena salud general y no reportaban antecedentes de trastornos musculoesqueléticos que afectaran al cuello, los hombros o la zona lumbar. Se exigía que las personas no tuvieran enfermedades neurológicas o sistémicas diagnosticadas, pudieran sentarse cómodamente durante todo el experimento y aceptaran seguir todos los procedimientos. Se excluyó a los participantes si presentaban dolor reciente o continuo en el cuello, hombros o lumbar; se había sometido a una cirugía de columna o de la parte superior del cuerpo; tenía alergias cutáneas a electrodos Ag/AgCl; estaban embarazadas; usó medicamentos que afectan la actividad neuromuscular; o no pudieron completar el protocolo de forma segura.
La muestra final consistió en 30 adultos sanos (15 varones y 15 mujeres), todos libres de deficiencias neurológicas y musculoesqueléticas. La muestra abarcó un rango típico de tamaños corporales relevantes para la evaluación de asientos de aeronaves comerciales, y todos los participantes fueron dominantes por la mano derecha para garantizar la consistencia en las mediciones electromiográficas.
Se adoptó un diseño experimental crossover para asignar aleatoriamente a los participantes diferentes configuraciones de asientos, de modo que cada individuo experimentara asientos business, de primera clase y económicos. Durante la evaluación en asiento, cada participante completó cuatro escenarios funcionales de igual duración en una sesión de 1 hora. Estos escenarios reflejan comportamientos comunes durante el vuelo, como descansar en una postura relajada sentada, comer o beber usando la mesa de bandeja, trabajar en un portátil o tableta, y participar en actividades de entretenimiento como ver vídeos en un teléfono o tablet. Este diseño permitió a los participantes estar expuestos a una variedad de entornos típicos de cabina y actividades en vuelo, facilitando la comparación controlada de los patrones de activación muscular entre condiciones.
El resumen de los escenarios y la frecuencia de pasajeros en cada escenario de prueba se resume en la Figura 4.
Estandarización de escenarios: Cada escenario práctico se estandarizó con instrucciones claras y estándares de postura para garantizar la uniformidad entre los participantes y reducir las variables de confusión. Los participantes en el escenario de reposo se recostaban con los brazos apoyados en los reposabrazos y los pies planos en el suelo. En el entorno de comedor, los participantes completaron una tarea estandarizada mientras las mesas de bandejas se elevaban a una altura constante de 45 cm sobre la base del asiento. En el entorno laboral, los participantes realizaron una tarea de mecanografía consistente manteniendo la espalda en contacto con el soporte lumbar, mientras que los portátiles o tabletas se colocaban sobre la mesa bandeja a una altura y ángulo fijos. En el escenario de entretenimiento, se les indicó a los participantes que mantuvieran la cabeza y los hombros en posición neutral y que mantuvieran sus dispositivos a una distancia constante de visualización. Para garantizar la adherencia, los investigadores vigilaron la postura durante cada escenario y realizaron ajustes según fuera necesario. Para familiarizar a los participantes con las posiciones y tareas estandarizadas, se realizó una breve sesión de práctica antes de la recogida de datos.

Figura 4: Clasificación de condiciones experimentales de escenarios. Las actividades de los pasajeros en entornos HSR incluyen trabajar en una oficina, comer, recibir invitados, dormir y moverse. Llama la atención sobre las diversas actividades que realizan los viajeros durante los viajes, lo que ejemplifica la versatilidad y los múltiples usos del espacio de asientos. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Métricas fisiológicas para la evaluación de la fatiga muscular
Para mejorar la evaluación de la fatiga muscular, empleamos el cuadrático medio (RMS) y la MF como indicadores fisiológicos principales. La RMS cuantifica toda la actividad eléctrica del músculo y da una estimación del esfuerzo muscular, mientras que la MF representa alteraciones del espectro inducidas por fatiga en la señalEMG 8. Las siguientes ecuaciones sirvieron como base para estos cálculos:
(1)
En la Ecuación (1), T representa la duración total, y EMG 2 es la señal EMG registrada en el tiempo t. Valores RMS más altos indican mayor esfuerzo muscular, mientras que valores más bajos sugieren una reducción de la distensión muscular8.
(2)
En la Ecuación (2), p(f) representa la densidad espectral de potencia de la señal EMG. Un desplazamiento a la baja de la MF con el tiempo indica un aumento de la fatiga muscular14.
Para una evaluación exhaustiva de la tensión muscular y las respuestas al esfuerzo fisiológico bajo diversas situaciones de asiento, se analizaron los datos de la RCE en conjunto con EMG. La fatiga muscular y el estrés fisiológico se midieron mediante SCR y electromiografía superficial (sEMG). Los electrodos se colocaron en el esternocleidomastoideo (cuello), trapecio (hombro) y espina erectora (lumbar) para la sEMG. Las señales en bruto sufrían rectificación de onda completa para cambiar valores negativos a positivos tras ser filtradas en paso de banda (20-450 Hz) para eliminar artefactos de movimiento y ruido de baja frecuencia. La señal se suavizaba con una ventana de media móvil de 200 ms. La intensidad de la activación muscular se midió utilizando la raíz cuadrática media (RMS), y la progresión del cansancio se identificó extrayendo la frecuencia mediana (MF) de la densidad espectral de potencia.
Los cambios autonómicos eran lentos y se aislaban entre sí mediante la grabación de señales SCR a una frecuencia de 50 Hz y el filtrado pasa-bajas a una frecuencia de 2 Hz. La línea base tónica se caracterizó por el cálculo del Nivel de Conductancia Cutácea (SCL), y se registraron reacciones instantáneas de estrés eliminando la magnitud y el retardo de los picos de SCR fásicos. Las mediciones EMG y SCR se sincronizaron en tiempo real, y se realizaron pruebas estadísticas, incluyendo correlaciones Pearson, ANOVA unidireccional y ANOVA de medidas repetidas, para demostrar la correlación entre parámetros fisiológicos y valoraciones subjetivas de confort. Para medir la ergonomía de los asientos en diferentes clases de HSR en distintos contextos de actividad, la cadena asegura que los datos fisiológicos en bruto se conviertan en mediciones fiables y comprensibles.
Recogida y procesamiento de datos
Antes de la recogida de datos, se realizó una calibración de línea base de 10 minutos para asegurar la precisión de la señal. Cada participante completó entonces una fase fija de actividad de 60 minutos correspondiente a las condiciones experimentales predefinidas. Se aseguró una exposición justa a diferentes configuraciones de asientos mediante asignación aleatoria. Tras el ensayo, se recopilaron entrevistas semiestructuradas y valoraciones subjetivas de malestar utilizando una escala tipo Likert del 1 al 10 basada en la metodología clásica introducida porLikert 15, proporcionando datos cualitativos sobre la comodidad percibida.
Para obtener mediciones más precisas de la tensión muscular, se calcularon los valores diferenciales de EMG en todos los escenarios antes y después de cada escenario. Una diferencia menor en EMG significa sentarse más relajado y menos esfuerzo muscular.
Análisis estadístico y procesamiento
Preprocesamiento de datos: Se aplicaron filtrado pasa-banda (20-450 Hz), rectificación de onda completa y una ventana de media móvil de 200 ms para extraer tendencias significativas de señal. Las señales en bruto de EMG y SCR se preprocesaron primero para garantizar la calidad y comparabilidad de los datos entre los participantes. Las señales EMG se filtraron paso banda entre 20 y 450 Hz, rectificaron y suavizaron usando una ventana de cuadrado medio (RMS) de 100 ms. Los datos SCR se filtraron pasa-bajo a 5 Hz y se normalizaron en relación con los registros individuales de línea base obtenidos durante la calibración previa a la prueba. Los artefactos de movimiento y los valores atípicos se eliminaron mediante inspección manual y regulación automática de umbrales. Los datos preprocesados se promediaron en cada escenario para análisis estadísticos posteriores.
Análisis estadístico: Comparaciones de ANOVA: Se utilizó una ANOVA unidireccional para comparar las amplitudes de EMG entre las clases de asientos, mientras que una ANOVA de medidas repetidas evaluó las tendencias de fatiga muscular a lo largo del tiempo. Análisis SCR: Las señales fueron filtradas pasa-bajo a 2 Hz, y las tasas de pico de eventos SCR (picos por minuto) se compararon usando ANOVA. Análisis de correlación: Las pruebas de correlación de Pearson examinaron las relaciones entre EMG, SCR y las valoraciones subjetivas de malestar.
Análisis cualitativo
Las posibles disparidades en la tensión biomecánica y la experiencia del usuario se analizan temáticamente examinando la relación entre impresiones subjetivas y resultados fisiológicos. Esta combinación de métodos proporciona un enfoque integral y basado en datos para evaluar la ergonomía de los asientos HSR y una plataforma basada en la evidencia para la mejora adaptativa del diseño de asientos.