译者：赵佳艺 工业工程共学社 1周前
RAP大赛优秀作品的展示第16篇（展示无任何顺序）。
摘要
即使手工追踪性能已经得到了广泛的研究, 对于在较低温度限制下未受损害的追踪性能的研究甚少。本课题试图在研究在手工追踪下手部皮肤温度的影响的同时获取温度界限。十八名研究对象参加了一个学科内部的设计实验。手部皮肤温度与水浴温度10, 20和30℃相对应。 追踪性能是使用Drury[1971.具有侧向约束的运动.人类工效学 14 (2), 293–305] 任务被测量的，即在两条长度为200mm，宽度为1.5，2, 2.5,3 和4mm连续直线之间绘画。性能指标是绘制直线的时间和依照绘制线条和打印线条的交叉点决定的错误的数量。两种性能指标均一致, 并且显示出了线间距和手部皮肤温度之间的显著影响（p<0.5）。水浴温度为10℃下的性能明显比水浴温度为20和30℃的更差。
与工业的相关性:
工人以很多方式暴露在寒冷的温度下。尽管个人防护设备可以尽可能减少冷暴露, 在任务中比如手/手臂跟踪, 当佩戴手套或其他防护设备时,性能消耗会相当显著。因此, 识别超越其界限可识别的性能消耗就会存在的寒冷界限温度和任务特点很重要,以便可以根据现有的温度为个人设计适当的任务。
1. 介绍
研究人员长期以来一直在研究热环境对人体健康和安全的影响。例如, Ramsey等人(1983) 报告说, 不安全行为的数量最少的情况发生在当湿球温度介于17和 23℃之间时,其温度低于热应力与应变的阈限 (ACGIH, 2004)。Fogleman等人 (2005) 发现急性损伤与在-7℃以下和32℃以上有着增加的机率的温度之间存在反向 U 型曲线关系。很多学者(Heus 等人,1995; Nag and Nag,2007)探索了在寒冷条件下的性能影响并且一些学者提出了在寒冷环境下工作的指导方针(Holmer, 1994a,b)。
大多数办公室或手工作业涉及到某种形式的对双手的追踪。尽管温度对追踪技术的影响尚未研究, 但还是存在与许多其他人工任务相关的研究。人们经历寒冷的温度,由于空气或水温低,从风寒(Pienima¨ki, 2000)或在冷库触摸冷的或冷冻产品(Piedrahı´ta 等, 2004)。从寒冷的环境产生的皮肤温度就会在疼痛、不适、麻木和甚至是皮肤损害方面带来健康和安全的风险(Daniels,1956; Chen 等人,1994; Enander,1986;Havenith 等人,1995)。当一个人暴露在寒冷中的时候,由于热量损失,在周围的肌组织 (Ducarme 和 Tikuisis, 1991) 以及在皮肤上(Berne 等人, 2004)往往出现血管收缩。因此,即使手暴露在轻度寒冷的温度下,比如15–25℃(Daanen, 1997), 四肢的血流量也会减少。血流量的减少可能是触觉敏感性的丧失(Provinsand Morton, 1960)，减少的手的性能，握力(Holewijn and Heus, 1992;Giesbrecht 等人, 1995; Geng, 2001, Powell 等人, 2000)和增加的事故风险(Enander, 1984; Havenith 等人, 1995; Heus 等人, 1995;Geng 等人, 2001)。Morton 和Provins (1960)发现触觉敏感度与皮肤温度之间存在L型的函数关系，并且每个个体都有一个相对尖锐的临界温度，在此温度下性能会显著恶化。这种灵敏度的降低使得小对象操作变得困难。因此, 如果不使用适当的保护, 装配、打字和小修任务都会受到"寒冷" 温度的不利影响。当手指温度低于16℃时(Clark,1961; Havenith 等人, 1995; Gaydos and Dusek, 1958) 和有时甚至是当手的温度气冷到19.1℃时(Lockhart 等人,1975).Even though Mills (1957), Lockhart and Kiess (1971),，灵巧程度随之降低。尽管如此，Mills (1957), Lockhart and Kiess (1971),和Teichner(1957)并不是总能找到暴露在寒冷中，手指灵巧程度和手指温度之间的关联，Brajkovic andDucharme (2003)发现手指温度和手指血流相比是一个更为重要的手指灵巧程度指标。
当接触温度在15℃(Geng 等人, 2006; Malchaire 等人, 2002; Havenith 等人, 1992, 1995)左右时，疼痛开始出现；当皮肤温度低于8℃时，出现了显著的触觉辨别的恶化；在7℃时，大约三分之一的被测者出现麻木(Morton and Provins, 1960)，并且冻伤的阈值在接触温度为0℃时(Geng等人, 2006)。Brajkovic等人 (1998) 规定了手指的舒适温度应该高于23摄氏度。在本课题中，我们设法研究10，20和30℃手的温度如何影响追踪性能。
Oksa 等人 (1995) 发现在10℃时，由平均IEMG活性测量的肌肉性能降低。冷却减缓了激动肌的功能，降低了其IEMG活性，但增加了拮抗肌的IEMG活性。一些研究人员报告说，肌肉持续的、第二大的、自主收缩的耐受时间是对温度有依赖性的，在外部温度在18～26℃时最佳(Clarke 等人, 1959)。此外，他们发现当暴露在低于20℃的温度（肌肉温度低于27℃）时，肌肉的最大随意张力降低。然而，正如Clarke 等人 (1959)和Davies 等人(1982)所概述的，在外部和肌肉内部之间总是存在较大的温度梯度，特别是当测试大块肌肉如前臂和腿上肌肉的温度梯度时。为了克服这种差异，Ranatunga 等人 (1987)对较小的外部肌肉进行了实验，即第一背侧骨间肌，它帮助食指的做出外展动作。对于在大约12～40℃的皮肤温度（Ts），他们发现肌肉温度（Tm）在0.5-0.7cm深度处测量，可以被建模为Tm=3.2×0.8Ts，这意味着肌肉的温度紧随手指的皮肤温度。
所有上述的研究都证实了肌肉冷却对力、功率和收缩速度的不利影响，但最近研究人员比如Geurts 等人(2004)已经表明冷却减少了生理震动，从而可以在精确运动期间改善力的控制。一个颤动被定义为“由相互支配的拮抗肌产生的非自主的、有节奏的、摆动的运动”(Anouti and Koller,1995)。Geurts 等人的发现可能是对热差异不适在步枪射击上影响的一个很好的解释。
Lakie 等人 (1994) 表明温度对震颤大小产生影响，并且前臂的适度冷却大大减少腕部的高频震颤(Lakie 等人,1995)，和峰值频率在7和11Hz之间低振幅抖动(Findley和Gresty, 1984)。在随后的研究中，Lakie 等人 (1995)主要是通过减震驱动，并且发现在前臂冷却下，射击精度增加。Lakie 等人 (1995)的研究对象将手放入10℃或44℃的水中浸泡10分钟。他们发现水平分量的准确性，而不是垂直分量，受到热的影响。Reading 等人 (1988)发现研究对象在寒冷条件下（4.4℃）射击固定目标时水平偏离会比在中性条件下（23.9%）增加21%。然而，只要研究对象的身体深部温度在37.9到36.4℃之间，并且手温不低于19℃，Tikuisis 等人 (2002)就没有发现任何性能下降。令人惊讶的是，他们发现当身体处于中性条件下（22℃）与热条件下（35℃）或冷条件下（5℃）相比，被测为射击错误的水平位移和精度都更少。在这些研究中所使用的温度范围内的差异或无差异是由于热应力或热应变的变化尚不清楚。热应力是研究对象所经历的热或冷，而热应变是由于应力所导致的体内热含量和温度的变化。因为在相同的环境条件下可以达到不同水平的热应变，这取决于所使用的个人防护设备的数量和人员参与的活动水平，所以这二者的不同是重要的。Geurts 等人 (2004)为研究的可能差异提供了合理的解释。手的冷却会导致手指麻木(Morton and Provins, 1960)，并减少感觉反馈。在Lakie 等人 (1995)的研究中，前臂肌肉而不是手部被冷却，因此尽管前臂肌肉的收缩特性发生改变并且生理震颤减少，触觉辨别可能没有改变，从而提高了射击性能，甚至改善了带有原发性震颤的研究对象的精细运动能力，比如书写或绘制阿基米德螺旋(Cooper 等人, 2000) (Lakie 等人, 1994)。
通过使用手套或其他形式的保护，可以减少手部暴露于低温环境。然而，与小零件操作和装配相关的灵巧性随着手套的使用而降低(Bishu 等人, 1987)。一些人报道手指灵巧度降低了60—70%(Brajkovic 等人,2001; Havenith and Vrijkotte, 1993)。与此同时，Brajkovic 等人 (2001)在C-7步枪装配和拆卸任务中没有发现不戴手套和戴手套之间的任何区别，并且宣称粗略的手指灵巧任务不像精细的手指灵活性任务一样易受到影响，如普渡木钉板测试。追踪被认为是一个精细的灵活性任务，跟踪可以被认为是一个取决于踪迹的宽度的精细灵活性任务。因此，找到不戴任何防护工具下阻碍运动能力的温度下限至为重要。尽管如此，Sanders and McCormick(1992)指出未受损害的踪迹的下限仍然是不确定的，他们建议环境温度为4—13℃（39—55℉）。
本课题的主要目的是研究追踪性能和手部皮肤温度之间的关系。所使用的任务是在由Drury（(Drury,1971; Drury, 等人,1987)设计的约束路径内进行追踪。该模型已被证明适用于约束路径内的许多类型的追踪任务，比如叉车驱动（Drury和Dawson，1974），机动车驾驶(DeFazio 等人, 1992)，通过走廊的手推车(Drury 等人,1975)和在计算机监视器上控制光标(Accot 和 Zhai, 1997)。Drury的理论模型（1971）假定运动时间（MT）和运动速度（V）取决于移动的距离（A）和约束路径（W）的宽度：
其中a-d是经验常数。
2．研究方法
2.1 研究对象
招募了十八名志愿者参加这项学科内的课题设计。没有参与者有任何手或其他身体缺陷。这项研究得到了大学研究伦理委员会的批准。
2.2 实验过程
环境温度为22℃。用三个控制温度的水浴，分别维持在10, 20和30℃，用以改变参与者的皮肤温度。Ducharme and Tikuisis(1991, 1992), Tikuisis and Ducharme (1991), Lindsell and Griffin (2001),Suizu 和 Harada(2005)对在15和25℃之间的冷水对前臂、手和手指温度的影响进行了研究。21℃的环境温度和15℃的水温得出的手指温度为15.5℃，而环境温度为24℃得出的手指温度为22.1℃（Ducarme和TykusiIS，1991, 1992；TiguiSIS和DuChanMe，1991；Lindsell和Grffin，2001；Suuu 和 Hurad，2005）。
每个研究对象被要求将手浸在温控水浴中1分钟。手指皮肤温度迅速下降。在以前的研究中，当触摸-4℃的铝和钢时，在15～20秒内皮肤温度降为0℃，并且触摸-20℃非金属表面5秒内冷痛会发作(Geng 等人, 2006)。Mortonand Provins报告说，参与者的手指温度在大约3到4分钟内下降到-5℃。换言之，大约是以10℃/分钟的速率下降的。因此，1min的短暂暴露可能足以将手指/手的温度降低到正如Ranatunga 等人 (1987)提出的模拟肌肉温度Tm=3.2×0.8Ts。在本实验中没有测量手部皮肤温度，但过去的研究已经表明手部皮肤温度可以假定接近水浴温度。
实验对象分为三组，每组六个人。每组按不同的平衡顺序来进行三次温度实验。实验对象在每个温度条件下进行5分钟的休息。使用Drury（1971）的任务来测量追踪性能，研究对象用他/她喜欢的手用铅笔在两条直线之间画出从左到右一条的连续线。在将手浸入给定温度的水浴1分钟后，每个研究对象被要求在两个不同宽度的打印线之间绘制5条200mm长的线。两条线之间的宽度分别设置为4, 3，2.5、2和1.5mm，随机将每个宽度分配给每个研究对象。每个研究对象绘制对应三个水温的15条线，即每个温度五条线。研究对象要尽可能快速并且准确地画出每一条线。
3.结果
性能指标是在给定间距（4, 3，2.5，2，1.5毫米）下绘制一条200mm长的线所需的时间和由绘制线与印刷线的交叉所确定的误差数。在所有回归中，用乔林-达林测度检验残差的正态性，在所有情况下，残差均满足正态性检验。
3.1 动作次数/动作速度的分析
数据的正态性检验表明需要对数转换（乔林-达林试验，P＞0.05）。这一要求在标准偏差的变化中与表1的平均值体现出来。转换数据显示了所有变量的方差一致性（科克伦试验，P＞0.05）。A组内的ANOVA体现出了对路径宽度[F（4，68）54.46；P＜0.001 ]和温度[F（2，34）；P＜0.05]的显著影响。
表格1
在实验中使用的五个路径宽度的平均动作时间（s）和误差数。
数字10, 20和30指的是温度。括号数是运动时间和误差数的标准偏差。
这些变量与转化数据之间没有显著的交互作用。Newman–Keuls事后测试表示在10℃和20/30℃下的完成任务时间存在显著差异。动作时间随路径宽度的减小而增加，除了2.5和3mm的对比不显著外，其他所有比较均显著（P＜0.01）。因此，这体现出了手的温度对动作时间有着非常清楚的影响模式。表1和图1中展示出了数据，并且在图2中以Drury模型（速度作为路径宽度的函数）的替代形式体现出数据。将数据按照路径宽度划分可以看出只有在最小的两个路径宽度下水浴温度对动作时间有显著影响。
根据约束路径运动的Drury模型（MT in S，V in mm /S）的平均数据的回归如下：
其中10, 20和30是指以℃为单位的温度。可以看出该模型很好的描述了数据。
图1.在Drury定律下，温度对通过约束路径模型的动作时间的影响
图2.与图1相同的数据，但以Drury定律的速度形式绘制，再次显示出温度的影响
3.2 路径追踪错误的分析
当铅笔移动到所规定的路径之外时，就会出现追踪误差。用平方根变换对数据进行转换，得到数据的正态性（Anderson–Darling 检验, p>0.05）。在条件下（Cochran’s 检验,p>0.05），该变换实现了方差的一致性。课题内ANOVA这些误差展现出路径宽度带来了主要影响[F（4，68）=32.64；P＜0.001 ]。在使用转换数据的分析中，温度的影响不显著。Newman–Keuls事后测试表明误差随着路径宽度的减小而增加；除了两个最宽的路径宽度在误差上没有显著差异之外，所有的比较在P＜0.01之内均显著。误差的模式在图3中展示出，再次作为比率（A/W）的函数。将数据按照不同的路径宽度分类，可以看出只有在最小的宽度上，温度对误差的数量有显著影响。
在每单位运动距离的误差方面，平均数据的回归没有表现出线性关系（1／W），强的二次关系和没有显著的截距。数据被很好地表示（这些回归占至少93%的方差）。
图3．误差是（a/w）比的函数并取决于温度。
抛物线在图3中清晰可见。误差与（1／W）2之间的关系的变化率由
每单位距离误差之间的关系；路径几何和温度的关系由
４．论述
ANOVA结果表示当手部皮肤温度是１０℃时，动作时间（或速度）追踪性能指标显著下降，但对误差的数量没有显著影响。性能的降低通过事后测试显示为当路径宽度下降时，动作速度也会出现持续性的下降。水浴温度的影响局限于两个最小的轨道宽度下的动作时间和最小的轨道宽度下的误差数。这些结果与其他研究中的粗略手指灵巧度和精细手指灵巧性类似，例如Brajkovic 等人 (2001)的在C-7步枪组装和拆卸任务中，徒手和戴手套没有任何差异。降低手/皮肤温度的影响明显地减少了精细的运动神经的控制。Sanders and McCormick (1992)推荐的环境温度为4—13℃似乎适合于轨道宽度相对较大的粗略跟踪。但是，当环境温度为4—13℃时，由于前臂温度的降低，颤抖减小，精度可能会提高（Lakee 等人，1994, 1995）。当只有手被冷却时，在１０℃，较小路径的条件下，时间和误差都被削弱。结果也符合生理变化。在10℃，手是相对冷的，并且低于疼痛阈值(Geng 等人, 2006; Malchaire 等人,2002; Havenith 等人, 1992, 1995). Gaydos and Dusek (1958)发现在手指温度为10～13℃时手指灵巧度显著降低。Lockhart等人 (1975) 报道当研究对象的手背被空气冷却到19.1时，在精神运动任务中会出现明显的减量，如阻塞、打结、螺钉拧紧和普渡板。Tikuisis 等人 (2002) 将精神运动任务中性能的减量归因于在低温下可能丧失灵巧性。尽管在如此短的时间内冷却手会减少感觉反馈，但由于在铅笔上施加了较高的力（虽然没有测量力）这可能导致较高的误差和增加工作时间。较高的力可能导致血流减少和进一步的感觉丧失。
即使阿基米德螺旋是一种常用的评估震颤的工具（Cooper等人，2000；Lakee等人，1994），Drury（1971）追踪任务似乎是用来测量手部温度降低对性能的某些影响的一个敏感的任务，特别是需要良好的精度控制的追踪任务。由于阿基米德螺旋的二维性质，绘制阿基米德螺旋需要大量的腕部运动，特别是对病理震颤患者（Cooper等人，2000）；直线追踪任务可以用作为识别手臂大肌肉群中的震颤的方法。更重要的是，从阿基米德螺旋图中识别病理性震颤为0—3级（0级无震颤；1级几乎不可见的震颤；2级明显的震颤；3级严重震颤）（Cooper等人，2000），这是一个相当粗略的分类。Ｄｒｕｒｙ追踪任务和对应模型的使用可以实现震颤水平的细微区分，可能有助于震颤相关疾病的早期诊断。
温度对误差的影响在10～30℃范围内是近似线性关系。由于温度变化率不同，对动作时间和速度的影响并不容易量化。但在速度形式上，三种温度的变化率相似，截距取决于温度。相比于20℃的温度，10℃的性能可以近似为11mm／s的减量的模型，而在30℃时近似为5mm／s的正增量的模型。相应的数据如图4所示，包括这些温度增量关系。
图4．速度作为Drury追踪任务中路径宽度的函数，通过温度的递增效应（10℃的5mm／s的递减和30℃的11mm／s的增量）显示出速度取决于温度。
毫无疑问，手浸没在水中1min的时间限制是本研究中的一个限制。根据Morton and Provins (1960)的研究，手指温度在大约3到分钟内下降到－５℃，我们由此可知手指温度确实下降得很快。此外，在10℃下性能有显著减量的事实表明，即使是手短期暴露于冷水之中也是有害的。戴手套可能是在低温下减少性能下降的一种可能的方法。然而，我们也应该注意到戴手套会增加对特定任务的肌肉负荷需求，并且由于触觉敏感度降低，也会阻碍小物件的处理(Buhman 等人, 2000)。使用手套或其他适当的保护作为安全措施的效果有待确定，因为尽管手套可以保护手免遭损伤，但由于它们严重削弱了手指的灵巧性(Bishu 等人, 1987; Brajkovic 等人,2001; Havenith and Vrijkotte, 1993)，它们可能对追踪性能的影响比较低的温度更不利。由于浸泡时间相对较短，手部皮肤温度会略高于水浴温度。结果需要考虑这些限制。然而，由于手指温度不易测量，本文所报道的温度具有实际意义。
总之，即使在低温下，Drury追踪任务和模型也非常适合使用。它似乎也比常用于确定病理性震颤患者的阿基米德螺旋有明显的优势，因为它可以尽早地使用一种更为精细的性能量度来诊断患者。
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