站立时人体对垂直振动的动态响应：姿势及振动幅值的影响英格兰，南安普顿SO17 1BJ, 南安普顿大学，声音和振动研究所，人的因素研究小组Y.MATSUMOTOAND和M.J.GRIFFIN（1997年五月一日初稿，1997年十一月五日最终完成）本实验对腿部姿势与振动幅值对站立时人体对垂直全身震动的动态反应的影响进行了研究运动最先在第一、八胸椎处和第四腰椎处、左右髂嵴处和膝盖处的皮肤表面被察觉十二名被测者参加了这个实验，包括三种腿部姿态（正常姿势，腿部弯曲和单腿站立）下在0.5-30Hz的频率范围内产生五种随机振动等级（0.125-2.0 ms−2 r.m.s.)时的反应1.0 ms−2r.m.s.时表观质量的主要共振频率在不同姿势下有所不同：正常姿势下为5.5Hz，腿部弯曲时为2.75Hz，单腿站立时为3.75Hz 正常姿势下，到第四腰椎和髂嵴的传递率表现出与表观质量在低频率时相似的趋势在频率低于15Hz时双腿直立情况下双腿上没有共振双腿弯曲时，双腿在膝盖处的弯曲动作和上半身的俯仰或弯曲动作会对全身共振的影响与在表观质量上的情况一样，在高频率时到上半身的振动传播时衰减单腿站立时，上半身在髋关节处的复合旋转运动会对低频率下表观质量的共振和高频率时到上半身的垂直振动传播的衰减产生影响。
当振动强度从0.125增大到2.0时正常姿势下表观质量时的共振频率从6.75衰减到5.25Hz这种“软化”现象也发生在振动传递到身体其他产生共振的部位时1. 介绍人们在日常生活中会感受到不同种类的全身振动，通常情况下是坐在车里或者走路的时候有时在乘坐公共交通工具时，人们是站着感受振动的这样的全身震动会对人的健康、活动和感觉产生不利影响为了尽量减小振动对人体产生的不利影响，我们需要探究在振动情况下人体是怎样运动的因而，我们对人体在受到振动和冲击时的生理反应进行了实验研究，以观察人体的动态行为并建立了代表人体反应各方面的数学模型尽管如此，我们还是没有完全明白人体动态反应的机制，这是因为人体结构的复杂性，测量的困难，和不同人之间反应的差异造成的通常有两种方法来描述人体动态反应：一是驱动点频率响应功能，即运动和力在驱动点的比例，例如机械阻抗和表观质量二是传递率，即在相隔两点分别测得运动的比值人们用这两种方法对坐着的人体反应做了许多研究，但是却很少有人将这两种方法应用到对站着的人体的研究上之前的一些研究，对于以正常的站立姿势受垂直的全身振动影响的人体进行机械阻抗和表观质量的测量，发现被试者的主要共振大约是5 Hz [1-3]，还有一些被试者在10-15 Hz也会发生强烈的共振。
Miwa的研究是一个例外，他发现的共振是在7和20Hz人体处于站立时，5Hz的共振与处于这个频率下坐着的人体一致 有些研究分析了被试者站立的姿势对其驱动点反应的影响，Coemann指出，当双腿弯曲站立时，机械阻抗的自然频率由“挺直膝盖垂直站立”时的5.9Hz 减少到2Hz，但他没有提供任何数据证明Miwa对不同站立姿势下的机械阻抗进行了研究，发现当膝盖弯曲时，在相似的震级出现了三个峰值：3Hz(得到的最低频率),20 Hz和60 HzMiwa认为，当被试者双腿处于直立状态时，上身处于绷紧或放松状态没有什么区别，尽管他没能提供数据证明当被试者单腿站立时，其单峰频率为5Hz，比“绷紧”姿势的最低峰频率还低Miwa还对处于其他站立姿势时的机械阻抗进行了研究，例如“用脚后跟站立”的姿势Edwards and Lange[2]在三种不同的振动强度下测量了站立人体的机械阻抗：分别是0.2, 0.35 and 0.5 g尽管另一个测量者的共振频率在测量误差的允许范围之内，其中一个处于“放松站立”姿态的被测者在第一共振频率时（5-4Hz）产生了衰减并且当振动强度增加时共振强度也产生递减当振动强度增强时主要共振频率发生衰减液晶在对坐姿人体的研究中被发现（例见参考文献[5-7]）。
Hagena et al.[8]测量了人在站立时 振动从骶骨到头部和脊柱上五个部位（第一、第四和第五腰椎、第六胸椎及第七颈椎）的垂直传递率通过局部麻醉将K-钢针插入到棘突，可以直接测量到椎骨体的运动他们发现了三个峰值：4Hz(在所有测量部位，尤其是在第五腰椎，第一腰椎和第七颈椎)，8Hz（在所测量部位强度相同），18Hz据说4Hz的峰值与整个身体的模式相一致，而8Hz时的峰值振动情况反映了脊柱的独立共振他们还测量了被试者坐着时的振动情况，发现当人体处于站立和坐着两种状态时，振动情况有些小的差别Pope et al.[9]利用K-钢针的直接测试方法，测量了站立的被试者受到撞击时脊柱的传递率他发现，当被试者以“立正”姿势笔直站立时，第三腰椎垂直方向的传递率的单峰值为5.5 Hz左右，当被试者“膝盖轻微弯曲”时，他对姿势的影响进行了研究，发现人体反应的衰减，小峰值在2.6和15 Hz他还发现骨盆的角度和肌肉的张力会对第三腰椎的反应产生一些影响，而撞击力度的大小只会产生非常细微的差别Herterich and Schnaub[10]也测量了当被试者站立时，振动到脊柱和头部的传递率通过将传感器连接在皮肤上，他们发现腰部脊柱垂直方向的最大传递率为8 Hz，头部和颈部脊柱垂直方向的最大传递率为16-20 Hz。
Paddan 和 Griffin [11]使用咬合条去测量人体在站立时在六个方向上对垂直振动的反应情况，结果显示在5Hz时有一个特殊的峰值，尤其当处于腿部固定姿态时发生在中矢面上（即在垂直，纵向和斜轴上）腿部固定姿态并不改变传播率，但是在腿部弯曲姿态时，3Hz时会有一个发生在所有轴向上的共振产生，尤其是在中矢面上其他的研究已经得出同样的结论，但是并未考虑旋转运动对头部平移产生的潜在的巨大影响（参考文献, [12, 13]）要更好地理解人体站立时的动态响应，需要更多对不同被测量者和测量位置的实验数据站立时测得的数据对解释坐立时测量者的动态响应也是有帮助的在本研究中，人体站立时各种位置的表观质量和传播率被测得目的是为了研究在不同站立姿态时驱动点反应与身体运动情况的关系，并且研究振动强度对站立时动态响应的影响2.实验方法 振动在人体表面留个部位被测得：第一和第八胸椎，第四腰椎，左右髂嵴和左膝两种压电效应加速测量仪（Entran EGCSY-240D*-10 和EGA-125F-10D）被用来进行测量每种类型的测量仪都是正交定位并附于30mm(水平方向)X35mm(垂直方向)的硬纸板上纸板与测量仪的总质量是12g。
纸板被用双面胶和医学绷带装在皮肤上，在第一胸椎，第八胸椎和第四腰椎的棘突处来测量包括垂直方向（Z轴），纵向（X轴）的运动，在左髂嵴处测量垂直方向和横向（Y轴）处的运动为了测量膝盖上垂直方向和纵向的运动，一对小的测量仪（Entran EGA-125F-10D）被附于一张小的板上，20mm(水平方向)X30mm（垂直方向），将这个总重2g纸板固定在左腿膝盖骨上一个小的测量仪被附在一张小纸卡(30x35mm)上并固定在右髂嵴上以测量垂直运动纸板跟测量仪的总质量是2g 就像Pope et al. [14]所说的一样，在骨头之上的皮肤表面进行运动的测量会因为骨头和传感器之间的组织和皮肤而改变因此，对表面测量所得数据进行修正的方式被研究得出[15-17]这些方式假定由组织和测量仪组成的局部动态系统类似一维自由线性系统在这个研究中，采用由Kitazaki和Griffin[17]发展的方法在这个修正方法中，组织-测量仪系统在每个测量点和测量方向的固有频率和阻尼比由自由阻尼振荡反应的来在这个研究中使用的方法与之前的研究[17]相同，都是在振动发生前完成并且假设局部系统行为不受被试者姿势改变的影响使用一个1m行程的电液振荡器，能产生频域从0.05到50Hz的垂直振动，并可在低失真率下以10 ms−2 进行加速。
Kistler 9281B，一个由四个石英压电传感器组成的力学平台，有着很精确的测量灵敏度，担当测量振荡器和站立的被试者之间的测力振动平台由力学传感器得到的四个信号的和可得被测者脚底的力学平台顶层金属板的输入动作可以用测量仪（Entran EGCSY-240D*-10）测得 由计算机生成的频率在0.5到30Hz的恒定带宽随机信号输入振荡器被试者分别在五种不同强度下进行测试，0.125、0.25、0.5、1.0和2.0 ms−2 r.m.s.,分别持续 60 s从12个测量仪和力学平台测得的信号通过31.5Hz的低通滤波器后可以每秒得到128个样本 十二个健康的男性志愿者参加了这个实验，平均年龄 28岁（从24到35岁），身高1.79M,体重73.5KG通过三种姿势来研究姿势对站立人体动态反应的影响：1、正常 2、双腿弯曲 3、单腿站立姿势的差异在于腿部在正常姿势中，被测者被要求保持双腿直立并固定双脚之间距离为0.3M双腿弯曲姿势要求保持双腿弯曲使膝盖处于脚趾上方而单腿姿势中被测者用其左腿站立并向正常姿势中一样固定所有姿势中，被测者都被要求保持上身处于舒服的姿态并保持竖直和往前看出于安全的目的，所有的被测者都用双手轻轻抓住固定在振荡平台上的框架；没有被测者为了抓住框架而需要改变上半身的姿态。
测量值都是在被测者赤脚的情况下测得的，以此来消除鞋子的影响只有两种振动强度，0.25 和1.0 ms−2 r.m.s.用于单腿站立姿势，所以完成整个实验有12种情况3.分析 表观质量M(f )，采用“互谱密度法”计算得到，即用所输入的加速度和驱动点合力的互谱密度函数，除以所输入的加速度的功率谱密度函数M(f ) = Saf (f )/Sa (f ). (1)用0·25 Hz的分辨率来计算频谱所测量的力包括被测者的体重和力学平台顶层金属板的质量表观质量的测量时不包括被测者的，由有测试者时的表观质量减去相同的顶层金属板静态质量求得与在之前对坐姿被测者的研究类似（参考文献[5]），被测者表观质量的差异性部分归因于他们静态质量的不同因此，每个表观质量都通过区分其在0.5Hz是的被测值进行标准化，在这个时候测得的表观质量与被测者的静态质量几乎一致这提供了比较不同被测驱动点所测得的加速度和身体各测量点的加速度的频率响应函数，即传递率，T(f )，同样是在0.25Hz的分辨率下使用互谱密度法求得：T(f ) = Sio (f )/Si (f ). (2) 这里Sio (f )是两点加速度的互谱密度，Si (f )是驱动点加速度的功谱密度。
如上文所述，每个传递率都是使用由Kitazaki and Griffin [17]发展的方法修正的，以减少骨骼运动和身体表面测量之间的差异 Tb (f ) = C(f )Ts (f ), (3)这里Tb (f ) and Ts (f )分别是到骨骼和骨骼表面皮肤的传递率，C(f )是一个修正频率函数，由在自由振荡测试时取得的组织-测量器系统的固有频率和阻尼比定义 (4)这里f0 和z分别是局部系统的固有频率和阻尼比，i2 = −1 在一些测量位置身体表面斜度对测量的影响很大，尤其是在第一胸椎测量身体表面与垂直轴之间的角度，发现在第一胸椎处十二名被测者的测得值在28到38°之间在频域内脊柱上测得的传递率随着身体皮肤和垂直轴U之间的角度变化而产生线性补偿Tx (f ) = Tx1 (f ) cos u + Tz1 (f ) sin u, (5)Tz (f ) = −Tx1 (f ) sin u + Tz1 (f ) cos u, (6) 这里Tx1 (f ) 和 Tz1 (f ) 分别是在纵向和垂直方向测得的传递率在修正后，所有的脊柱上测得的垂直传递。