生理指标作为建筑工人身体疲劳实时测量的评价:最新研究进展

本文是针对论文《生理指标作为建筑工人身体疲劳实时测量的评价:最新研究进展》（Evaluation of Physiological Metrics as Real-Time Measurement of Physical Fatigue in Construction Workers: State-of-the-Art Review）的一篇论文解析，该论文于2021年发表于《JOURNAL OF CONSTRUCTION ENGINEERING AND MANAGEMENT》期刊。该研究作者包括Anwer, Shahnawaz; Li, Heng; Antwi-Afari, Maxwell Fordjour。

【背景】身体疲劳是建筑工人主要的健康和安全问题。许多以前的研究依靠访谈或问卷调查来评估建筑工人的身体疲劳程度。然而，这些传统的方法不仅费时，而且受记忆偏差的限制。为了克服这些限制，许多研究人员使用生理指标(如心率、皮肤温度、肌电活动等)来实时测量身体疲劳。【目的】尽管生理指标在实时评估身体疲劳方面显示出良好的结果，但目前还没有对测量建筑工人身体疲劳的各种生理指标进行总结的最新综述。因此，本综述旨在总结关于使用生理指标实时测量建筑工人身体疲劳的现有证据。【内容】本文采用系统检索的方法对相关研究进行了鉴定，并对生理学指标在测量建筑工人身体疲劳方面的应用进行了批判性评价。首先，总结了各种生理指标在建筑工人身体疲劳实时测量中的应用。第二，列举了各种测量生理指标的可穿戴传感技术。第三，讨论了应用生理指标来测量身体疲劳的潜在挑战。最后，讨论了未来的研究方向，以促进发展和采用各种生理指标监测和缓解建筑工人的身体疲劳。

疲劳可以被定义为“由于身体、精神或情绪消耗而导致的身体或精神能力的下降。在长时间的劳动后发生的体力疲劳会降低个人进行有效劳动的能力。类似地，精神疲劳发生在长时间的精神工作负荷后，可能会导致行为和认知表现的降低。身体活动的强度对精神疲劳有不同的影响。具体来说，轻体力活动可能改善认知功能，而重体力活动可能损害认知能力，这体现了身体和精神疲劳之间的复杂关系。此外，精神疲劳与需要员工精神活跃和警觉的行业更相关，比如长途驾驶、机场行李检查或长时间轮班的护士。然而，由于大多数建筑工人(如体力劳动者)可能不需要高水平的精神警觉性，因此当前的综述重点讨论各种潜在的实时监测建筑工人的身体疲劳。

 建筑工人的工作性质决定了他们普遍存在着身体疲劳。建筑工人的工作通常是在恶劣的环境下进行的户外工作，体力劳动强度高，重复性工作强。目前身体疲劳对建筑工人健康和安全的不利影响已经在文献中得到了充分的记录。因此，在现场监测建筑工人是否存在身体疲劳至关重要，以便能及时采取干预措施。测量建筑工人身体疲劳的方法有很多种。它们可以分为主观测量和客观测量，而这些方法也各有利弊。

在20世纪90年代早期，人们开发了各种主观问卷来量化普通人群的身体疲劳。后来，许多与建筑相关的研究开发了各种主观问卷，以测量建筑工人的工作量或身体疲劳。

目前问卷测量的缺点有：①由于没有制定出标准化的身体疲劳评估量表，不同的研究使用不同的量表来评估身体疲劳，阻碍了研究结果的比较。②虽然主观调查问卷的使用成本较低，但在施工现场进行问卷管理是不方便/不可行的。③该方法还存在记忆偏差。④重要的是，这些问卷不能评估实时的身体疲劳。

为了克服以上主观测量的限制，一些研究人员尝试使用各种生理指标，如心率(HR)、心率变化速率(HRV)、皮肤温度、肌电图(EMG)来监测施工相关活动期间的实时疲劳。而目前为止，并没有关于测量工人身体疲劳的各种生理指标的综述性文章。

因此，本综述旨在①总结各种有可能测量建筑工人实时身体疲劳的生理指标；②总结用于测量相关生理指标的商用可穿戴传感技术；③讨论使用生理指标实时测量身体疲劳的潜在挑战；④为促进各种生理指标的开发和应用，更好地监测和缓解建筑工人的身体疲劳提供未来的研究方向。

‍‍‍‍‍‍‍‍‍（1）心率调节的指标

心率（Heart Reat，简称HR）是监测建筑工人体力活动最常用的生理指标。对体力消耗的心血管反应取决于多种因素，包括体力消耗的强度、持续时间和频率，以及工作环境。平均心率是身体压力和工作量的良好指标。

有许多研究表明，搬运重物会导致更高HR，且HR与频率之间存在正相关关系。HR和被试的主观疲劳评分之间存在很强的相关性。因此HR可以作为衡量身体疲劳的替代指标。最近的研究表明，将HR与其他生理指标相结合可以提高对疲劳的预测精度。例如，Umer等人(2020年)在模拟施工任务中，结合心率、体温调节和呼吸指标预测了大学生95%的身体疲劳水平。尽管HR在疲劳监测中有用，但多种因素(如身体需求、压力和焦虑)可以增加HR。HR也会受到身体姿势(例如，从坐到站)和肌肉收缩力的变化的影响。因此，HR用于疲劳监测时应考虑这些因素。

（2）体温调节的指标

红外温度传感器通常用于监测皮肤温度和疲劳发展过程中相关的温度调节变化。在运动过程中，核心体温升高，身体通过调节体温，试图将核心体温维持在正常生理范围内。本综述中的5项研究使用皮肤温度作为评估不同行业的建筑工人在工作场所的身体疲劳程度的相关指标。Anwer等人报告称，模拟施工任务30分钟后，局部皮肤温度显著升高。Chan等人报告称，在钢筋工作的前35分钟，参与者的听觉温度迅速上升，随后核心温度略有下降，然后再次上升。这些研究表明，通过分析汗液或身体特定部位(如脸颊、耳朵、前额和太阳穴)的温度调节变化模式，可监测疲劳的发展过程。

（3）肌电图指标

通过分析表面肌电信号的中值频率或均方根振幅的变化，可以检测到局部肌肉的身体疲劳。表面肌电图由于其无创且易于应用而被广泛用于检测肌肉疲劳。通过在目标肌肉上放置两个双极表面电极，可以测量相应的肌电信号来估计肌肉活动。‍‍

（4）加速度指标（jerk）

可穿戴传感技术的最新进展为基于现场的实时疲劳评估提供了机会。具体来说，典型的运动捕捉系统集成了磁力计、加速度计和陀螺仪来检测速度、加速度和身体方向，是一种非侵入性、无线和经济有效的技术，用于测量施工任务中的身体运动。这种技术以高频率采样运动学数据，从而能够评估目标身体部位的加加速度度量。有研究评估了使用jerk指标监测砌体工人体力疲劳的可行性。采用可穿戴IMU传感器测量人体11个部位(上臂、前臂、手、骨盆、大腿、腿)的挺举指标。结果表明，在重复砌砖任务中，任务开始时的jerk指标的值明显小于相应的指标，表明身体疲劳。尽管这些结果支持了jerk可以作为一个潜在的生理参数来测量身体疲劳的想法，进一步量化jerk和身体疲劳之间关系的研究是有必要的。

1.用于监测生理指标的可穿戴传感技术

广泛的可穿戴传感技术可用于监测实时生理指标。然而，为了在建筑行业获得广泛的用户接受，这些可穿戴技术应该是最低侵入性的，并满足几个特定的标准。首先，技术应该有效地测量它应该测量的东西。第二，随着时间的推移，该技术应该提供可靠的测量。第三，该技术应具有较高的灵敏度和足够的特异性。最后，该技术应该具有泛化特性，以便能够可靠地测量目标人群中相同的结果(例如，身体疲劳)。

运动式心率监测器（Mobile heart-rate monitor）通常用于监测休息或体力活动时的心率和心率变化率。这些监测仪在测量心率方面显示出非常高的有效性。这些监测仪可以评估身体活动期间和之后心血管和自主系统的功能。他们可以通过心血管等方面的相关情况实时监测在建筑领域中工人的身体疲劳和从疲劳状态恢复的身体情况。运动式心率监测器有两种：胸带式和光学心率监测器。

Zephyr Bioharness是最受欢迎的可穿戴传感器，最初设计用于优化专业运动员的表现，通过连续监测多个生理数据，以跟踪功能运动和工作量。

Equivital (EQ02)作为一种安全、可穿戴的背心销售，内置基于纺织品的电极，以监测实时心肺功能(如心率、HRV和呼吸频率)和体温调节(如皮肤温度)参数。

表面肌电图（Surface EMG）是一种简单、方便、可靠的评估局部肌肉疲劳的技术。肌电图传感器由双极表面电极连接到特定的肌肉块来捕捉目标肌肉的肌电活动。以往的研究已经将肌电图传感器安装在工人在砌体工作来测量肌肉疲劳。虽然表面肌电图测量似乎适合在施工任务中无创监测肌肉疲劳，但表面电极应该连接到目标肌肉，这可能会干扰施工工人的工作。此外，肌电信号很容易受到皮肤准备质量、出汗、环境温度和运动伪影的影响。因此，其在该领域的应用有限，需要进一步研究和完善。

2.在施工任务中应用生理指标进行实时身体疲劳评估的挑战：

①身体疲劳评估的生理指标的有限有效性

②现场测量中影响可穿戴传感技术噪声和信号伪影

③缺乏关于严重身体疲劳每个生理指标临界值信息

④可穿戴传感技术部署中接受度、社会和隐私

本文综述了用于实时测量建筑工人身体疲劳的最新生理学指标。在系统检索方法收集相关数据的基础上，批判性地评价生理指标在测量建筑工人身体疲劳方面的应用，发现一些生理指标具有实时测量建筑工人身体疲劳的潜力。尽管心率指标是在施工过程中最常用的测量疲劳的生理指标，但其他生理指标(皮肤温度、肌电图和jerk指标)也可以评估疲劳。并且研究表明在监测施工任务期间的身体疲劳时，使用多种生理指标比使用单一指标更准确。当前各种可穿戴传感技术已被开发来测量这些生理指标，但仍有许多技术挑战有待克服。

未来的研究还应量化不同施工任务中不同生理指标的信号伪迹等，以细化对任务特异性身体疲劳的估计。总体而言，更好地实时检测建筑工人的身体疲劳，有助于设计适当的个性化工作与休息计划，或适当的工作任务调整，以减轻他们的健康危害，并优化他们的生产效率和工作质量。