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L’approbation éthique a été obtenue du sous-comité médical du Comité d’éthique des sciences et technologies de l’Université Tsinghua (Approbation n° : JEU01-20250087), et tous les participants ont fourni un consentement éclairé écrit avant de rejoindre l’étude.
La recherche détermine la tension physiologique et la fatigue musculaire dans les différentes classes de sièges à grande vitesse (HSR) grâce à une évaluation ergonomique multimodale. Cette approche offre une prise en compte plus dynamique par rapport aux mesures statiques traditionnelles de l’activité musculaire et du stress physiologique sous diverses positions de sièges et événements de déplacement, grâce à la combinaison d’EMG et de SCR dans le cadre d’une simulation de scénario. Pour mesurer l’intensité de l’activation musculaire et la progression de la fatigue, deux métriques d’évaluation physiologique couramment utilisées dans les évaluations ergonomiques et biomécaniques, telles que la fréquence médiane (MF) et la carrée moyenne (RMS), ont également étéincluses 12.
La recherche a utilisé des témoins expérimentaux comparables et une base neutre (étalonnage avant le test). Comme référence physiologique neutre pour la normalisation, les participants ont enregistré leurs niveaux d’EMG et de SCR au repos lors d’une calibration de base de 10 minutes en position verticale standard avant chaque séance. De plus, les comparaisons de sièges en classe affaires, première et classe économique servaient de contrôles expérimentaux, permettant la séparation des effets spécifiques à chaque siège dans les mêmes activités basées sur des scénarios.
Environnement expérimental et équipements
Pour des raisons écologiques, toutes les mesures ont été effectuées dans de véritables cabines de train à grande vitesse (HSR). La figure 2 illustre les sièges et l’environnement de la section business, les solutions ergonomiques, l’éclairage de la cabine et les solutions de sièges passagers. Ces éléments contribuent au niveau général de confort et, en outre, influencent des réactions physiologiques telles que les changements de SCR et l’activité EMG. Le système de capteurs portables dans cette recherche, décrit à la Figure 3, a été utilisé pour la surveillance physiologique. L’appareil utilisé dans l’expérience se composait de :
Électromyographie (EMG) : Des capteurs EMG de surface ont été fixés dans le bas du dos, le cou et les épaules pour enregistrer l’amplitude d’activité musculaire (μV) et les variations de fréquence médiane (Hz), qui sont des indicateurs de fatigue musculaire.
Réponse de conductance cutanée (SCR) : Un capteur Shimmer3 GSR+ a été utilisé pour enregistrer l’activité électrodermique liée à l’inconfort physique et au stress à 50 Hz.
Synchronisation des données : Les logiciels basés sur Python assuraient l’intégration en temps réel des deux types de données, EMG et SCR, dans toutes les conditions expérimentales.
Positionnement précis des capteurs : Pour obtenir une reproductibilité et une acquisition précise du signal, les électrodes d’électromyographie de surface (sEMG) doivent être placées conformément aux directivesSENIAM 13. Les électrodes bipolaires Ag/AgCl étaient positionnées sur les muscles sternocléidomastoïdien (point médian entre le processus mastoïdien et l’encoche sternale), du trapèze supérieur (point médian entre le processus épineux C7 et l’acromion) et des muscles érecteurs (3 cm latéraux au processus épineux L3) de sorte que les électrodes étaient positionnées parallèlement aux fibres musculaires avec une distance inter-électrodes de 20 mm. Chaque site a été rasé, essuyé avec de l’alcool isopropylique à 70 %, puis légèrement abrasé pour garantir que l’impédance cutanée soit inférieure à 5 Ω. L’épicondyle latéral était recouvert d’une électrode de référence. Les capteurs étaient des capteurs SCR, dont les électrodes étaient fixées aux phalanges distales de l’index et du majeur de la main non dominante, avec un étalonnage préalable à 10 minutes, où les valeurs de référence de référence EMG et SCR étaient déterminées. Des capteurs EMG ont été fixés dans le bas du dos, le cou et les épaules pour évaluer l’amplitude de l’activation musculaire (μV) et le changement de fréquence médiane (Hz), qui est l’un des signes de fatigue musculaire.
Les données physiologiques ont été collectées à l’aide de capteurs pour la SCR et de systèmes sEMG sans fil pour la mesure de l’activité musculaire, tous deux synchronisés par un logiciel d’acquisition de données basé sur Python pour garantir la précision temporelle. Tous les appareils étaient calibrés avant chaque session pour maintenir la précision et la fiabilité du signal.

Figure 2 : Environnement expérimental de la cabine (classe affaires). La disposition intérieure et les caractéristiques ergonomiques d’une cabine HSR ont mis l’accent sur le confort des passagers et la planification de l’espace dans la cabine. Il dispose de sièges inclinables larges avec des écrans d’intimité, des commandes de siège réglables et un éclairage réglable. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Figure 3 : Installation expérimentale pour la surveillance physiologique. Une disposition intérieure HSR est présentée, mettant en valeur les caractéristiques personnalisées pour les passagers, l’éclairage ambiant et les sièges ergonomiques. Il met l’accent sur le confort, la fabrication et la praticité, ce qui inclut une semi-intimité des sièges, un espace spacieux pour les jambes et une lumière de lecture réglable. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
Participants et conception expérimentale
Un total de 30 participants adultes en bonne santé (15 hommes et 15 femmes) ont été recrutés selon une approche d’échantillonnage stratifié afin d’assurer une représentation égale entre les conditions de sièges professionnels, de première classe et économiques. Les participants étaient inclus s’ils étaient des adultes âgés de 18 à 40 ans, en bonne santé générale, et sans antécédents de troubles musculosquelettiques affectant le cou, les épaules ou le bas du dos. Les individus devaient ne pas avoir de maladie neurologique ou systémique diagnostiquée, être capables de rester confortablement assis tout au long de l’expérience et accepter de suivre toutes les procédures. Les participants étaient exclus s’ils présentaient des douleurs au cou, aux épaules ou au lombage récentes ou en cours ; avait subi une opération de la colonne vertébrale ou du haut du corps ; avait des allergies cutanées aux électrodes Ag/AgCl ; étaient enceintes ; a utilisé des médicaments affectant l’activité neuromusculaire ; ou n’ont pas pu accomplir le protocole en toute sécurité.
L’échantillon final comprenait 30 adultes en bonne santé (15 hommes et 15 femmes), tous exempts de troubles neurologiques et musculosquelettiques. L’échantillon couvrait une gamme typique de tailles corporelles pertinentes pour l’évaluation des sièges d’avions commerciaux, et tous les participants étaient dominants de la main droite afin d’assurer la cohérence des mesures électromyographiques.
Un design expérimental crossover a été adopté pour assigner aléatoirement les participants à différentes configurations de sièges afin que chacun puisse bénéficier de sièges affaires, de première classe et d’économie. Lors de l’évaluation en siège, chaque participant a complété quatre scénarios fonctionnels de durée égale en une session d’une heure. Ces scénarios témoignent de comportements courants en vol, notamment le repos assis et détendu, manger ou boire sur la table plateau, travailler sur un ordinateur portable ou une tablette, et participer à des activités de divertissement comme regarder des vidéos sur un téléphone ou une tablette. Cette conception permettait aux participants d’être exposés à une variété d’environnements typiques de cabine et d’activités en vol, permettant une comparaison contrôlée des schémas d’activation musculaire selon les conditions.
Le résumé des scénarios et la fréquence des passagers dans chaque scénario testé sont résumés à la Figure 4.
Standardisation des scénarios : Chaque scénario pratique a été standardisé avec des instructions claires et des normes de posture afin de garantir l’uniformité entre les participants et de réduire les variables de confusion. Les participants au scénario de repos étaient allongés, les bras posés sur les accoudoirs et les pieds à plat sur le sol. En salle à manger, les participants ont accompli une tâche standardisée tandis que les plateaux ont été relevés à une hauteur constante de 45 cm au-dessus du sommet du siège. En milieu de travail, les participants ont effectué une tâche de frappe régulière tout en gardant leur dos en contact avec le soutien lombaire, tandis que les ordinateurs portables ou tablettes étaient positionnés sur la table à hauteur et angle fixes. Dans le scénario de divertissement, les participants devaient garder la tête et les épaules en position neutre et maintenir leurs appareils à une distance constante de visionnage. Afin de garantir l’adhésion, les chercheurs ont surveillé la posture à chaque scénario et ont apporté des ajustements si nécessaire. Pour familiariser les participants avec les positions et tâches standardisées, une brève séance d’entraînement a été organisée avant la collecte des données.

Figure 4 : Classification des conditions d’expérience des scénarios. Les activités passagers dans les milieux HSR incluent le travail au bureau, le repas, l’accueil, le sommeil et les déplacements. Il attire l’attention sur la diversité des activités auxquelles les voyageurs participent pendant leurs déplacements, illustrant ainsi la polyvalence et les multiples usages de l’espace assis. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.
Métriques physiologiques pour l’évaluation de la fatigue musculaire
Pour améliorer l’évaluation de la fatigue musculaire, nous avons utilisé le carré moyen radiculaire (RMS) et la MF comme principaux indicateurs physiologiques. La RMS quantifie l’ensemble de l’activité électrique du muscle et donne une estimation de l’effort musculaire, tandis que la MF représente les altérations du spectre induites par la fatigue dans le signalEMG 8. Les équations suivantes ont servi de base à ces calculs :
(1)
Dans l’équation (1), T représente la durée totale, et EMG2 est le signal EMG enregistré au temps t. Des valeurs RMS plus élevées indiquent un effort musculaire plus important, tandis que des valeurs plus basses suggèrent une réduction de la tensionmusculaire 8.
(2)
Dans l’équation (2), p(f) représente la densité spectrale de puissance du signal EMG. Un décalage à la baisse de la MF au fil du temps indique une fatigue musculaireaccrue 14.
Pour une évaluation approfondie de la tension musculaire et des réponses physiologiques au stress sous différentes situations d’assise, les données SCR ont été analysées en collaboration avec l’EMG. La fatigue musculaire et le stress physiologique ont été mesurés à l’aide de la RCS et de l’électromyographie de surface (sEMG). Des électrodes étaient placées sur le sternocléidomastoïde (cou), le trapèze (épaule) et les érecteurs (lombaires) pour la sEMG. Les signaux bruts subissaient une rectification en ondes complètes pour passer les valeurs négatives à positives après avoir été filtrés en passe-bande (20-450 Hz) afin d’éliminer les artefacts de mouvement et le bruit de basse fréquence. Le signal était adouci par une fenêtre de moyenne mobile de 200 ms. L’intensité de l’activation musculaire a été mesurée à l’aide de la Root Medium Square (RMS), et la progression de la fatigue a été identifiée en extrayant la fréquence médiane (MF) de la densité spectrale de puissance.
Les changements autonomes étaient lents et isolés ensemble par enregistrement des signaux SCR à une fréquence de 50 Hz et un filtrage passe-bas à une fréquence de 2 Hz. La base tonique a été marquée par le calcul du niveau de conductance cutanée (SCL), et des réactions de contrainte instantanées ont été enregistrées en retirant la magnitude et le délai des pics de SCR phasiques. Les mesures EMG et SCR ont été synchronisées en temps réel, et des tests statistiques, incluant les corrélations de Pearson, l’ANOVA unidirectionnelle et l’ANOVA à mesures répétées, ont été réalisés pour démontrer la corrélation entre les paramètres physiologiques et les évaluations subjectives du confort. Pour mesurer l’ergonomie des sièges dans différentes classes HSR et dans différents contextes d’activité, le pipeline garantit que les données physiologiques brutes sont converties en mesures fiables et compréhensibles.
Collecte et traitement des données
Avant la collecte des données, une calibration de base de 10 minutes était effectuée pour garantir la précision du signal. Chaque participant a ensuite complété une phase d’activité fixe de 60 minutes correspondant aux conditions expérimentales prédéfinies. Une exposition équitable aux différentes configurations de sièges a été assurée grâce à une attribution aléatoire des sièges. Après l’essai, des entretiens semi-structurés et des évaluations subjectives de l’inconfort ont été collectés à l’aide d’une échelle de type Likert de 1 à 10 basée sur la méthodologie classique introduite parLikert 15, fournissant des données qualitatives sur le confort perçu.
Pour obtenir des mesures plus précises de la tension musculaire, les valeurs différentielles de l’EMG dans tous les scénarios ont été calculées avant et après chaque scénario. Une différence réduite dans l’EMG signifie une position assise plus détendue et moins de fatigue musculaire.
Analyse statistique et traitement
Prétraitement des données : Un filtrage passe-bande (20-450 Hz), une rectification en ondes complètes et une fenêtre de moyenne mobile de 200 ms ont été appliqués pour extraire des tendances significatives du signal. Les signaux bruts EMG et SCR ont d’abord été prétraités afin d’assurer la qualité et la comparabilité des données entre les participants. Les signaux EMG ont été filtrés en bande-passe-bande entre 20 et 450 Hz, rectifiés et lissés à l’aide d’une fenêtre de racine quadratique moyenne (RMS) de 100 ms. Les données SCR ont été filtrées passe-bas à 5 Hz et normalisées par rapport aux enregistrements individuels de base obtenus lors de l’étalonnage pré-test. Les artefacts de mouvement et les valeurs aberrantes ont été supprimés par inspection manuelle et un seuil automatisé. Les données prétraitées ont ensuite été moyennées sur chaque scénario pour une analyse statistique ultérieure.
Analyse statistique : Comparaisons ANOVA : Une ANOVA unidirectionnelle a été utilisée pour comparer les amplitudes EMG entre les classes de sièges, tandis qu’une ANOVA à mesures répétées évaluait les tendances de fatigue musculaire au fil du temps. Analyse SCR : Les signaux ont été filtrés passe-bas à 2 Hz, et les taux de crête d’événements SCR (pics par minute) ont été comparés à l’aide d’ANOVA. Analyse de corrélation : Les tests de corrélation de Pearson ont examiné les relations entre EMG, SCR et les évaluations subjectives de l’inconfort.
Analyse qualitative
Les disparités potentielles dans la contrainte biomécanique et l’expérience utilisateur sont analysées thématiquement en examinant la relation entre les impressions subjectives et les résultats physiologiques. Cette combinaison de méthodes offre une approche globale et fondée sur des données pour évaluer l’ergonomie des sièges HSR et une plateforme fondée sur des preuves pour l’amélioration de la conception adaptative des sièges.