关于平板电脑倾斜角度与使用时间对健康年轻人颈肩部姿势、肌肉活动及不适感影响的研究报告
本研究由 Siriyaphorn Rungkitlertsakul、Petcharatana Bhuanantanondh（通讯作者）以及 Bryan Buchholz 合作完成。Siriyaphorn Rungkitlertsakul 与 Petcharatana Bhuanantanondh 来自泰国玛希隆大学物理治疗学院，Bryan Buchholz 则来自美国马萨诸塞大学洛厄尔分校生物医学工程系。这项原创性研究成果以题为“The effect of tablet tilt angles and time on posture, muscle activity, and discomfort at the neck and shoulder in healthy young adults”的论文形式，于2023年3月23日发表在学术期刊《PLOS ONE》上。
一、 学术背景与研究目标 本研究属于人体工程学与职业健康领域，具体聚焦于移动电子设备使用对人体肌肉骨骼系统的影响。随着平板电脑的普及，其用户，尤其是年轻人，报告颈部和肩部不适的比例日益增高。平板电脑将屏幕与数据输入界面合二为一的特性，常导致用户采用低头、耸肩等不良姿势，从而增加颈椎和肩部的生物力学负荷，可能引发疼痛和损伤。先前的研究已探讨了不同平板倾斜角度对阅读、游戏、打字等任务的影响，但针对“书写”这一在年轻用户中常见任务的系统性研究尚属空白。此外，现有关于倾斜角度的研究多集中于短时间使用，而长时间使用导致的姿势变化、肌肉疲劳和不适感累积效应尚不明确。
因此，本研究旨在填补上述知识空白，具体目标为：1）比较在平板电脑上进行书写任务时，0°（水平）与30°倾斜角度对健康年轻人颈部和肩部姿势、肌肉活动及主观/客观不适感的影响，以验证30°倾斜角是否有助于预防颈肩问题；2）探究长达40分钟的持续书写过程中，上述指标随时间的变化规律，以确定用户何时需要休息。研究者假设，两种倾斜角度之间以及40分钟任务期内各时间间隔之间，在结果指标上会存在显著差异。
二、 详细研究流程 本研究采用横断面、重复测量的实验设计，共包含以下几个详细步骤：
1. 参与者招募与筛选： 研究招募了20名健康年轻成年人（平均年龄20.30±2.13岁），其中男性2名，女性18名。所有参与者均为右利手，拥有至少一年的平板使用经验，且每日使用时间不低于2小时。通过《改良版北欧肌肉骨骼问卷》进行筛查，确保他们在实验前7天内颈部及上肢无疼痛，并排除有相关损伤史、系统性疾病、神经或心血管疾病等情况的个体。参与者签署知情同意书，实验方案获玛希隆大学中央机构审查委员会批准。
2. 实验设备与测量工具： 研究使用了多种先进设备进行多维度数据采集： * 惯性测量单元： 用于采集身体关节运动学数据，通过融合加速度计、陀螺仪和磁力计信号提高精度，被证实具有可接受的信效度。 * 表面肌电图： 用于测量肌肉电活动。传感器组合体积小巧，佩戴于皮肤表面目标肌肉处。 * 视觉模拟量表： 通过电子应用程序（Interactive Clinics app）采集，用于评估参与者主观的疼痛或不适强度（0-10分），该电子版VAS显示出良好的信度。 * 心率变异性： 使用 Polar H7 心率传感器测量，作为评估疼痛反应的客观生理指标，其通过智能手机应用采集的数据与心电图相比具有优秀的并发效度。
3. 实验工作站设置与传感器佩戴： 根据每位参与者的人体测量学数据调整座椅和桌子高度。平板电脑（iPad Pro）置于桌上，其屏幕底边与桌沿平行且距离10厘米。实验前，在参与者额头中部和右上臂肱骨中部放置IMU传感器。为放置sEMG传感器，先剔除相应部位毛发并用酒精清洁皮肤，然后依据欧洲sEMG建议将传感器贴附于以下肌肉：双侧颈竖脊肌（颈椎第4棘突旁开2厘米）、双侧上斜方肌（肩峰与第7颈椎棘突连线中点）、右侧三角肌前束（肩峰前缘前2厘米、下3厘米处）。HRV传感器湿润后紧贴于参与者胸肌下方。所有传感器在实验条件开始前进行基线数据采集。
4. 实验程序： 参与者需以随机顺序，分别在0°和30°两种平板倾斜角度下，连续书写40分钟。两种条件之间设有5分钟的活动休息（站立和伸展）。书写任务为在平板屏幕上用触控笔重新抄写一段60-80词的泰语寓言段落，参与者以舒适速度书写，期间不允许移动平板、缩放或更改笔的颜色，并保持坐姿舒适但不倚靠椅背（以避免接触传感器），同时避免与任务无关的身体活动。 在40分钟任务期内，数据按10分钟间隔分段采集：每段开始时（第2-3分钟）、中间（第5-6分钟）和末尾（第8-9分钟）记录IMU（线性加速度）和sEMG数据，这三个片段的数据取平均值代表该时间段的数据。HRV和VAS数据则在每个10分钟时间段的最后5分钟内记录。
5. 数据处理与分析： * 姿势数据： 对IMU采集的线性加速度数据进行0.2秒移动平均平滑处理，通过特定公式计算矢状面上的颈部和肩部角度（正值代表屈曲，负值代表伸展）。 * 肌电数据： 原始EMG信号经过带通滤波、整流和低通滤波转换为均方根值，并针对每个肌肉，将整个80分钟实验期间观察到的最大信号进行归一化处理。 * 心率变异性数据： 使用Kubios HRV标准软件进行伪差校正和频谱分析，获取低频与高频功率比。 * 统计分析： 使用SPSS 22进行。采用描述性统计呈现数据。由于数据不服从正态分布，使用威尔科克森符号秩检验比较两种倾斜角度的差异，使用弗里德曼检验比较不同时间间隔的差异。显著性水平α设为0.05。若时间间隔存在显著差异，则使用威尔科克森符号秩检验进行事后两两比较，并调整显著性水平至0.005。
三、 主要研究结果 1. 平板倾斜角度的影响： * 姿势： 与0°倾斜角相比，30°倾斜角下的颈部屈曲角度显著更小，肩部伸展角度也显著更小（即肩部更接近中立位或屈曲更少）。具体统计值为：颈部屈曲（z = -4.637, p<0.001），肩部伸展（z = -3.734, p<0.001）。 * 肌肉活动： 右侧上斜方肌的肌肉活动在30°倾斜角下显著高于0°倾斜角（z = -3.820, p<0.001）。然而，双侧颈竖脊肌、左侧上斜方肌以及右侧三角肌前束的肌肉活动在两种角度间无显著差异。 * 不适感： 颈部VAS评分在0°倾斜角下显著高于30°倾斜角（左侧：z = -4.699, p<0.001；右侧：z = -3.874, p<0.001）。肩部VAS评分和HRV（LF/HF比值）在两种角度间无显著差异。
2. 使用时间的影响（超过40分钟）： * 姿势与肌肉活动： 颈屈曲和肩伸展角度，以及所有被测肌肉（双侧颈竖脊肌、双侧上斜方肌、右侧三角肌前束）的活动水平，在基线期与开始书写后的四个10分钟时间段之间均存在显著差异（即书写时负荷显著高于静息基线），但在书写任务内部的四个时间段之间均未表现出随时间推移的显著变化趋势，即姿势和肌肉活动在40分钟内保持相对稳定。 * 不适感： 颈部不适感（VAS）随时间推移呈现显著上升趋势。更重要的是，首次出现具有统计学意义的显著增加发生在第20分钟（与基线相比：左侧z = -3.180, p=0.001；右侧z = -2.934, p=0.003）。肩部VAS评分随时间无显著变化。 * 心率变异性： HRV的LF/HF比值在第20、30、40分钟时均较基线显著升高，表明交感神经活动相对增强，这与主观颈部不适感增加的时间点相吻合。
四、 研究结论与意义 本研究得出结论：对于进行平板书写任务的健康年轻人，将平板调整至30°倾斜角有助于减少颈部屈曲和肩部伸展，并降低颈部主观不适感。然而，此角度会导致右侧上斜方肌的肌肉活动增加。此外，研究首次量化发现，在持续书写20分钟后，颈部主观不适感和反映生理压力的HRV指标开始出现显著上升。
其科学价值在于：首次系统地评估了平板书写任务中，特定倾斜角度（30°）与长时间使用（40分钟）对颈肩部生物力学和生理反应的联合影响，填补了该领域针对“书写”任务和长时间效应研究的空白。应用价值显著：为平板电脑用户，尤其是学生和年轻从业者，提供了基于证据的、具体的工效学指导建议——建议在书写时将平板倾斜至约30°，并且每连续使用20分钟后应考虑短暂休息，以预防颈肩部问题的发生。这一建议比以往基于其他任务或更短时间研究得出的建议更为精确和具有操作性。
五、 研究亮点 1. 研究任务的针对性： 聚焦于尚未被充分研究的“平板书写”任务，更贴近年轻用户的真实使用场景。 2. 多维度综合评估： 同时结合了姿势（IMU）、肌肉活动（sEMG）、主观不适（VAS）和客观生理反应（HRV）四种测量手段，提供了对颈肩负荷全面、立体的评估。 3. 时间动态分析： 不仅比较了角度差异，还精细分析了40分钟内每10分钟间隔的变化，精准定位了不适感开始显著增加的时间点（20分钟），为制定休息间隔提供了关键数据支持。 4. 严格的控制与测量： 采用随机顺序、标准化工作站设置、基线数据采集、以及高信效度的测量设备，确保了研究结果的内在效度。
六、 其他有价值内容与局限性 研究者在讨论部分对结果进行了深入解释，例如：尽管30°倾斜减少了颈屈，但颈屈角度仍超过20°这一“低颈部疼痛风险”的临界值，提示单靠调整角度可能不足，需要结合休息。右侧上斜方肌活动增加可能与工作面（平板）抬高有关，而非颈屈减少。长时间使用中姿势和肌肉活动的稳定性，可能与实验允许的微小姿势调整（如短暂抬头、躯干转动）以及前臂得到支撑有关，这些调整可能延缓了疲劳。此外，HRV结果与主观颈部VAS变化的一致性，增强了研究发现的可信度。
同时，作者也指出了本研究的局限性：1）仅观察了矢状面的姿势，而用户在使用中可能存在额状面和横断面的不对称姿势；2）样本均为健康的年轻成年人，结论可能无法推广至老年人群或已有颈肩疼痛的患者。这些局限性为未来研究指明了方向，例如进行多平面姿势分析，以及在不同人群中进行验证。