Мультимодальная эргономическая оценка высокоскоростных рельсовых сидений с интеграцией электромиографии, реакции на проводимость кожи и анализа на основе сценариев

Краткое содержание

В исследовании оцениваются физиологические и эргономические различия между классами мест на высокоскоростных рельсах путём интеграции электромиографии, реакции на проводимость кожи и анализа на основе сценариев для количественной оценки мышечной усталости, стрессовых реакций и общего комфорта при реалистичных поездках.

Аннотация

Большинство существующих исследований по комфорту сидений на высокоскоростной железной дороге (HSR) основаны на субъективных обследованиях и картах давления; Нет физиологических отчётов о мышечной усталости и накоплении стресса при длительном путешествии. Оценка динамической работы сидения в различных условиях передвижения довольно сложна из-за невозможности традиционных лабораторных исследований воспроизвести реальные вариации осанки. Для преодоления этих ограничений текущее исследование сравнивает кресла бизнес-класса, первого класса и эконом-класса в реальном сценарии передвижения с HSR с помощью мультимодального эргономического тестирования, включающего использование электромиографии (ЭМГ), реакции на проводимость кожи (SCR) и сценариевого поведенческого тестирования. 30 участников были разделены на два класса рассадки и распределены в четыре функциональные ситуации: развлечения, ужины, работа и отдых. Если SCR использовался для мониторинга автономных стрессовых реакций, то для регистрации мышечной активности плеч, поясницы и шеи применялась ЭМГ. Результаты показывают, что хотя кресла бизнес-класса снижают нагрузку поясничного отдела, они не устраняют усталость верхних конечностей и шеи, особенно в положении откидывающегося. Сиденья первого класса имеют максимальную рабочую позу, но не могут обеспечить гибкую поддержку для различных пропорций тела, что приводит к дискомфорту в голове и пояснице. Благодаря низкой регулировке, кресла эконом-класса создают наибольшее мышечное напряжение, несмотря на высокий уровень поддержки поясничной части и шеи. Это исследование позволяет понять регулируемые, эргономически идеализированные сиденья для поездов в будущих моделях и важность включения поведенческой и физиологической информации в динамический анализ сидений.

Введение

Глобальная мобильность была преобразована благодаря быстрому развитию сетей высокоскоростных железных дорог (HSR), которые сокращают время в пути и улучшают доступность. Несмотря на постоянные технические улучшения инфраструктуры HSR, комфорт сидения, особенно во время длительных перелётов, остаётся важным, но недостаточно изученным компонентом пассажирского опыта. Согласно предыдущим исследованиям, плохо сделанные сиденья могут привести к хроническому перенапряжению мышечно-двигательного аппарата, дискомфорту и мышечной^{усталости 1,2,3}. Эти проблемы усугубляются в более низких классах сидения, где из-за затрат часто возникают негибкие, нерегулируемые конструкции, не способные учитывать различные формы тела и осаночные требования. Международные тренировочные системы, такие как французский TGV и японский Shinkansen, внедрили эргономичные принципы для улучшения конструкции сидений, но всё ещё существует нехватка систематических эмпирических исследований по комфорту сидений HSR, особенно по физиологическому мышечному^{стрессу 4}. Более глубокое понимание комфорта пассажиров и накопления усталости можно получить, применяя подходы с человеческим^{фактором 5}. Создание надёжной системы оценки, измеряющей биомеханическую нагрузку с учётом контекстного использования сидений и реального поведения пассажиров — главная задача.

Недавние исследования в области эргономики и человеческих факторов показали, что ЭМГ и SCR могут предоставлять объективную информацию в реальном времени о физиологических реакциях, связанных с мышечной усталостью и болью в положении^сидя. ЭМГ — это широко распространённая техника оценки локализованного напряжения мышц во время сидячих поз и электрическая мера мышечной активности. Кроме того, SCR вызывает реакции вегетативной нервной системы, которые дают косвенную меру физического дискомфорта и стресса, особенно в длительных статических позах^{с статическим уровнем 7}. Эти методы позволяют более подробно понять эргономические недостатки конструкции сидений, измеряя произвольные и непроизвольные физиологические реакции. Стоит отметить, что предыдущие исследования успешно применяли ЭМГ и SCR для выполнения задач в высококогнитивно сложных условиях и цифровых систем взаимодействия, демонстрируя их универсальность в оценке проектирования, ориентированной на человека. Однако их ещё предстоит напрямую применить в исследованиях посадочных мест железнодорожного транспорта, и необходимо дальнейшее изучение их потенциала как инструмента для определения уровня комфорта пассажиров в динамических многосценариевых^{условиях 8}.

Отсутствие различия на основе сценариев при сборе данных является значительным недостатком современных эргономичных оценок сидений HSR. Традиционные исследования комфорта сидений часто используют статические лабораторные условия, которые не точно отражают реальные условия^{путешествий 2}. Но в реальной системе HSR пассажиры выполняют различные задачи: есть, работает, отдыхают и развлекаются, что требует разных мышечных нагрузок и корректировок^{осанки 9}. Исследователи могут выявлять биомеханические стрессоры, уникальные для каждого контекста использования, объединяя ЭМГ и SCR в рамках сценариевого подхода. Это позволяет более точно оценить характеристики сиденья при различных видах передвижения. Хотя этот метод оказался успешным в таких областях, как цифровая эргономика и взаимодействие человека с машиной, его применение в проектировании транспортных сидений всё ещё находится на зачаточном^этапе. Кроме того, лишь немногие исследования использовали мультимодальные физиологические и поведенческие измерения для систематического сравнения мышечной усталости по различным классам мест, хотя немногие изучали картирование распределения^{давления 11}.

Концептуальная основа, используемая здесь (рисунок 1), показывает, что развитие высокоскоростной железной дороги, опыт пассажиров и городская агломерация взаимосвязаны сложным образом. Стоит отметить, что это подчёркивает то, как изменение образа жизни пассажиров и развитие города создают новые требования к проектированию кресел HSR, при этом основными аспектами являются взаимодействие человека и машины, поведение в путешествиях и комфорт пассажиров. Потребности в путешествиях HSR также зависят от связности между городскими кластерами, которые определяют ожидания пассажиров относительно долгосрочного комфорта и эргономичности сидений. Дизайн традиционных кресел также подвергается вызовам из-за меняющихся рабочих моделей, изменений образа жизни, включая более частое использование мобильных устройств и изменяющихся рабочих привычек людей, требующих инновационного эргономичного дизайна. Результаты оправдывают более пластичный, человечный способ проектирования сидений, что соответствует целям исследования.

Рисунок 1: Концептуальная основа исследований межгородских высокоскоростных железных дорог. Здесь показана корреляция между населением, городской агломерацией и исследованиями высокоскоростных железных дорог (HSR). Она сосредоточена на влиянии городского роста и современной жизни на модели пассажирского транспорта, спрос на потребление и потребность в пространстве. Кроме того, диаграмма подчёркивает ориентированный на человека подход, который связывает процессы урбанизации, мобильности и изменений образа жизни, иллюстрируя, как HSR влияет и реагирует на городские кластеры и меняющееся поведение пассажиров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Чтобы восполнить эти пробелы, в этой работе методично сравниваются физиологические эффекты различных рассадок HSR в бизнес-классах, первом и эконом-классах с использованием ЭМГ и SCR. Оригинальной особенностью этого исследования является переходный характер экспериментального дизайна, основанного на сценариях, что позволяет выявить проблемы мышечной усталости, характерные для различных рабочих поз, отдыха, обедов и развлечений. Исследование предоставляет количественную физиологическую информацию и включает реальные действия пассажиров для эффективного решения с учётом эргономики и человеческих факторов.

В исследовании представлены обоснованные рекомендации по адаптации поясничного отдела, оптимизации положения подлокотников и структуре сидения в зависимости от вариаций мышечной нагрузки и реакций вегетативного ответа на различные типы сидений. Помимо предоставления новых научных данных по эргономике длительного сидения в HSR, текущие исследования также определяют реалистичное дизайнерское мышление будущих версий кресел HSR в случаях, когда пассажиры делают акцент на комфорте, инклюзивности и гибкости. Исследование продвигает старую дискуссию о эргономичных сидениях в транспорте и предлагает рекомендации производителям скоростных поездов по тому, как удовлетворить различные требования пассажиров в их категории с помощью интеграции биомеханических и реальных человеческих практик.

Протокол

Этическое одобрение было получено от Медицинского подкомитета Комитета по этике науки и технологий Университета Цинхуа (номер одобрения: THU01-20250087), и все участники предоставили письменное информированное согласие перед участием в исследовании.

Исследование определяет физиологическое напряжение и мышечную усталость в различных классах сидений на высокоскоростных железных дорогах (HSR) с помощью многомодальной эргономической оценки. Этот подход даёт более динамичный подход по сравнению с традиционными статическими измерениями мышечной активности и физиологического стресса при различных положениях сидения и перемещениях с помощью сочетания ЭМГ и SCR в рамках симуляции сценария. Для измерения интенсивности активации мышц и прогрессирования усталости также были включены два физиологических показателя, широко используемых в эргономических и биомеханических оценках, таких как медианная частота (MF) и средний квадрат корня (RMS^).

В исследовании использовались сопоставимые экспериментальные контроли и нейтральная база (калибровка до теста). В качестве нейтрального физиологического ориентира для нормализации участники фиксировали свои уровни ЭМГ и SCR в состоянии покоя во время 10-минутной базовой калибровки в стандартном вертикальном положении перед каждой сессией. Кроме того, сравнения мест бизнес-, первого и эконом-класса служили экспериментальными методами контроля, позволяя разделять специфические для мест эффекты в рамках одинаковых сценариев.

Экспериментальная среда и оборудование
Для экологической достоверности все измерения проводились в настоящих кабинах высокоскоростных железных дорог (HSR). На рисунке 2 показаны места и окружающая среда бизнес-класса, эргономичные решения, освещение салона и пассажирские места. Эти элементы способствуют общему комфорту и, кроме того, влияют на такие физиологические реакции, как изменения SCR и активность ЭМГ. Носимая сенсорная система в этом исследовании, описанная на рисунке 3, использовалась в физиологическом мониторинге. Оборудование, использованное в эксперименте, включало:
Электромиография (ЭМГ): Поверхностные ЭМГ-датчики были прикреплены к нижней части спины, шее и плечам для фиксации амплитуды мышечной активности (μV) и изменений медианной частоты (Hz), которые являются индикаторами мышечной усталости.
Реакция на проводимость кожи (SCR): Для записи электродермальной активности, связанной с физическим дискомфортом и стрессом, использовался датчик Shimmer3 GSR+ на частоте 50 Гц.
Синхронизация данных: Программное обеспечение на базе Python обеспечивало интеграцию в реальном времени двух типов данных — EMG и SCR — во всех экспериментальных условиях.

Точное размещение датчиков: Для достижения воспроизводимости и точного приёма сигнала электроды поверхностной электромиографии (sEMG) должны размещаться в соответствии с руководящими принципами^{SENIAM 13}. Биполярные электроды Ag/AgCl располагались на мышцах стерно-клейдоумастоидной (середина между сосцевидным отростком и стернальным вырезом), верхней трапециевидной (середина между шипистым отростком C7 и акромионом) и позвоночнику (3 см латерально от спинного отростка L3), так что электроды располагались параллельно волокнам мышц с расстоянием между электродами 20 мм. Каждое место было выбрито, протирано 70% изопропиловым спиртом и слегка стирано, чтобы импеданс кожи был менее 5 Ω. Латеральный надмыщелок был покрыт опорным электродом. Датчики были SCR-датчиками, электроды которых фиксировались на дистальных фалангах указательного и среднего пальцев недоминантной руки с калибровкой за 10 минут до теста, где определялись исходные значения EMG и SCR. К нижней части спины, шее и плечам были установлены ЭМГ-датчики для оценки амплитуды активации мышц (μV) и изменения медианной частоты (Hz), что является одним из признаков мышечной усталости.

Физиологические данные собирались с помощью датчиков для SCR и беспроводных систем sEMG для измерения мышечной активности, оба синхронизированы с помощью программного обеспечения для сбора данных на базе Python для обеспечения временной точности. Все устройства калибровались перед каждой сессией для поддержания точности и надёжности сигнала.

Рисунок 2: Экспериментальная среда салона (бизнес-класс). Внутренняя планировка и эргономические особенности салона HSR, где акцент делался на комфорте пассажиров и планировании пространства в салоне. В ней есть большие откидные сиденья с экранами приватности, регулируемыми органами управления сидением и регулируемым освещением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3: Экспериментальная установка для физиологического мониторинга. Показана внутренняя планировка салона HSR, которая подчёркивает индивидуальные пассажирские особенности, атмосферное освещение и эргономичные сиденья. Он делает акцент на комфорте, изготовлении и практичности, включая полуприватность сидений, просторное пространство для ног и регулируемый светильник для чтения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Участники и экспериментальный дизайн
Всего было привлечено 30 здоровых взрослых участников (15 мужчин и 15 женщин) с использованием стратифицированного подхода выборки для обеспечения равного представительства в условиях рассевания бизнеса, первого класса и экономичных мест. Участников включали, если они были взрослыми в возрасте от 18 до 40 лет, состояли в хорошем общем состоянии здоровья и не сообщали о истории нарушений опорно-двигательного аппарата, поражающих шею, плечи или поясницу. Пациенты должны были не иметь диагностированных неврологических или системных заболеваний, иметь возможность комфортно сидеть на протяжении всего эксперимента и согласиться соблюдать все процедуры. Участников исключали, если у них недавно или продолжалась боль в шее, плечах или пояснице; перенёс операции на позвоночнике или верхней части тела; у меня были кожные аллергии на электроды Ag/AgCl; были беременны; применял лекарства, влияющие на нервно-мышечную активность; или не могли безопасно завершить протокол.

Финальная выборка состояла из 30 здоровых взрослых (15 мужчин и 15 девушек), у всех не было неврологических и опорно-двигательных нарушений. Выборка охватывала типичный диапазон размеров тел, релевантный для оценки мест коммерческих самолётов, и все участники были доминированы правой рукой для обеспечения согласованности измерений электромиографии.

Была принята экспериментальная схема кроссовера, позволяющая случайным образом распределять участников по разным конфигурациям мест, чтобы каждый человек мог познакомиться с местами в бизнес-классе, первоклассном и эконом-классе. Во время оценки на месте каждый участник выполнил четыре функциональных сценария одинаковой продолжительности в течение одного часа сессии. Эти ситуации отражают распространённое поведение во время полёта, включая отдых в расслабленной сидячей позе, еду или питье за столиком, работу за ноутбуком или планшетом, а также участие в развлекательных занятиях, например, просмотре видео на телефоне или планшете. Такая конструкция позволяла участникам познакомиться с различными типичными условиями в салоне и активностями в полёте, что позволило контролируемо сравнивать паттерны активации мышц в разных условиях.

Краткое изложение сценариев и частое присутствие пассажиров в каждом испытательном сценарии приведено на рисунке 4.

Стандартизация сценариев: Каждый практический сценарий стандартизировался с чёткими инструкциями и стандартами позы для обеспечения единообразия участников и снижения запутанных переменных. Участники сценария отдыха, положив руки на подлокотники, а ноги лежали на земле. В обеденной обстановке участники выполняли стандартизированное питание, а столики поднимались до постоянной высоты 45 см над основанием сиденья. В рабочей обстановке участники выполняли последовательное печатное письмо, сохраняя контакт спины с опорой поясничной части, а ноутбуки или планшеты располагались на столике под фиксированной высотой и углом. В развлекательном сценарии участникам говорили держать голову и плечи в нейтральном положении и держать устройства на постоянной дистанции просмотра. Для обеспечения соблюдения исследователи следили за осанкой в каждом сценарии и вносили необходимые корректировки. Для знакомства участников со стандартизированными позициями и задачами перед сбором данных была проведена краткая тренировочная сессия.

Рисунок 4: Классификация сценариев условий эксперимента. Деятельность пассажиров в условиях HSR включает работу как в офисе, питание, развлечения, сон и передвижение. Он привлекает внимание к разнообразным занятиям, которыми занимаются путешественники во время путешествий, что демонстрирует многофункциональность и многофункциональность этого пространства для сидения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Физиологические метрики для оценки мышечной усталости
Для улучшения оценки мышечной усталости в качестве основных физиологических показателей мы использовали средний квадрат (RMS) и MF. RMS количественно оценивает всю электрическую активность мышцы и даёт оценку мышечной нагрузки, тогда как MF представляет собой изменения спектра, вызванные усталостью, в сигнале^{EMG 8}. Следующие уравнения послужили основой для этих вычислений:

(1)

В уравнении (1) T представляет собой общую продолжительность, а EMG² — записанный сигнал ЭМГ в момент времени t. Более высокие значения RMS указывают на большую мышечную нагрузку, а более низкие — на снижение^{мышечной нагрузки 8}.

(2)

В уравнении (2) p(f) представляет собой спектральную плотность мощности сигнала ЭМГ. Снижение MF со временем свидетельствует о увеличении мышечной^{усталости 14}.

Для тщательной оценки мышечного напряжения и физиологических стрессовых реакций в различных ситуациях сидения были проанализированы данные SCR совместно с ЭМГ. Мышечная усталость и физиологический стресс измерялись с помощью SCR и поверхностной электромиографии (sEMG). Электроды были размещены на грудино-ключковидной (шее), трапециевидной (плечо) и позвоночнике (поясничный) для sEMG. Необработанные сигналы подвергались полноволновой ректификации, чтобы изменить отрицательные значения на положительные после полосовой фильтрации (20-450 Гц), чтобы устранить артефакты движения и низкочастотный шум. Сигнал был сглажен с помощью окна скользящей средней 200 мс. Интенсивность мышечной активности измерялась с помощью среднего квадрата корня (RMS), а прогрессия усталости определялась путём выделения медианной частоты (MF) из спектральной плотности мощности.

Автономные изменения были медленными и изолированы вместе с помощью записи сигналов SCR на частоте 50 Гц и низкочастотной фильтрации на частоте 2 Гц. Тонический базовый уровень отмечался вычислением уровня проводимости кожи (SCL), а мгновенные стрессовые реакции фиксировались путём удаления величины и задержки фазовых пиков SCR. Измерения ЭМГ и СКР синхронизировались в реальном времени, а статистические тесты, включая корреляции Пирсона, односторонний ANOVA и повторные измерения ANOVA, проводились для подтверждения корреляции между физиологическими параметрами и субъективными оценками комфорта. Для измерения эргономики сидений в различных классах HSR в различных контекстах активности конвейер гарантирует, что исходные физиологические данные преобразуются в надёжные и понятные измерения.

Сбор и обработка данных
Перед сбором данных проводилась 10-минутная базовая калибровка для обеспечения точности сигнала. Затем каждый участник проходил фиксированную 60-минутную фазу активности, соответствующую заранее определённым экспериментальным условиям. Справедливый доступ к разным конфигурациям мест обеспечивался благодаря случайному распределению мест. После исследования были собраны полуструктурированные интервью и оценки субъективного дискомфорта с использованием шкалы типа Ликерта от 1 до 10, основанной на классической методологии, введённой^{Ликертом 15}, что даёт качественные данные о воспринимаемом комфорте.

Для более точных измерений мышечного напряжения разница значений ЭМГ во всех случаях рассчитывалась до и после каждого сценария. Уменьшение разницы в ЭМГ означает более расслабленное сидение и меньшую мышечную нагрузку.

Статистический анализ и обработка
Предварительная обработка данных: Для извлечения значимых трендов сигналов применялись полосная фильтрация (20-450 Гц), полноволновая ректификация и окно скользящей средней длительностью 200 мс. Сначала были предварительно обработаны необработанные сигналы ЭМГ и SCR для обеспечения качества данных и сопоставимости между участниками. Сигналы ЭМГ проходили через полосную фильтрацию в диапазоне от 20 до 450 Гц, выпрямлялись и сглаживались с помощью окна среднего квадрата (RMS) длительностью 100 мс. Данные SCR фильтровались с низкочастотной частотой 5 Гц и нормализованы относительно отдельных записей базовой линии, полученных во время калибровки до тестирования. Артефакты и выбросы движения удалялись с помощью ручной проверки и автоматического порогового определения. Предварительно обработанные данные затем усреднялись по каждому сценарию для последующей статистической анализа.

Статистический анализ: Сравнения ANOVA: Односторонний ANOVA использовался для сравнения амплитуд ЭМГ между классами рассад, а повторные измерения ANOVA оценивали тенденции мышечной усталости со временем. Анализ SCR: Сигналы фильтровались низкочастотными частотами 2 Гц, а пиковые частоты событий SCR (пики в минуту) сравнивались с помощью ANOVA. Корреляционный анализ: тесты Пирсона исследовали взаимосвязь между рейтингами ЭМГ, SCR и субъективным дискомфортом.

Качественный анализ
Потенциальные различия в биомеханических нагрузках и пользовательском опыте тематически анализируются с изучением связи между субъективными впечатлениями и физиологическими результатами. Это сочетание методов обеспечивает комплексный, основанный на данных подход к оценке эргономики сиденья HSR и основанную на доказательствах платформу для адаптивного дизайна сидений.

Результаты

Результаты указывают на высокие различия в автономной нервной активности, мышечной усталости и общем комфорте среди классов сидения с ГСР. Для получения всесторонней картины влияния конструкции кресел на физиологическое и психологическое благополучие пассажиров во время длительных перелётов интегрированы SCR, ЭМГ и поведенческие наблюдения, основанные на сценариях. Эти результаты подтверждают эргономические гипотезы, представленные во введении, подтверждая теорию о том, что класс сиденья и осанка, зависящая от сценария, ...

Обсуждение

В данном исследовании предлагается мультимодальная эргономическая система оценки, основанная на сценариях, которая интегрирует электромиографию (ЭМГ), реакцию на проводимость кожи (SCR) и контекстуальный поведенческий анализ для оценки комфорта сидений на высокоскоростных железных дорогах (HSR). В отличие от традиционных лабораторных исследований рассадок, которые в первую очередь сосредоточены на статической осанке или распределении давления, настоящая работа включает динамические повед...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Адгезивные электроды ЭМГ (одноразовые)	Нораксон	9113A
Спиртовые мазки (стерильные)	BD Medical	326895
Скрипт синхронизации данных (Python 3.9)	Открытый исходный код	Н/Д
Программное обеспечение для синхронизации данных	Пользовательский (на основе Python)	Н/Д	Разработан на Python для интеграции сигналов EMG и SCR в реальном времени.
Датчик электромиографии (поверхностный ЭМГ)	Delsys	Беспроводная электромагнитная система Trigno
Программное обеспечение для обработки сигналов EMG	DelsysEMGworks 4.6	Н/Д
Интерфейс сбора физиологических данных	Национальные инструменты	USB-6001
Python-библиотеки (numpy, pandas, scipy, matplotlib)	Открытый исходный код (Python Software Foundation)	Н/Д
Анкета (шкала Лайкерта)	Обычай	Н/Д	Используется для сбора субъективных оценок комфорта (шкала 1 и ndash; 10) после каждого сценария.
Типы рассадок (бизнес/First/Eco)	Хижина HSR (реальный мир)	Н/Д	Три класса сидений с разными эргономическими характеристиками оценивались на месте.
Датчик Shimmer3 GSR+ (для измерения SCR)	Ощущение мерцания	SH-GSR3+	Используется для измерения реакции проводимости кожи (SCR) с частотой дискретизации 50 Гц при стрессе и дискомфорте.
Программное обеспечение для статистического анализа (IBM SPSS Statistics 26.0)	IBM	Н/Д
Гель поверхностных электродов	Лаборатории Паркера	Signa Gel 300
Поверхностные датчики ЭМГ	Не указано (скорее всего, Shimmer или Delsys)	Н/Д	Накладывается на плечи, поясницу и шею; используется для измерения амплитуды активации мышц и усталости.
Монитор температуры и влажности	Testo	0560 6050
Стол с лотками	Интегрировано в кресла HSR	Н/Д	Используется в обеденных и рабочих ситуациях для размещения ноутбуков и еды.
Видеокамера для видеозаписи (поведенческое наблюдение)	Канон	EOS M50
Салфетки для подготовки кожи	Medline	MDS093855H