星期五,三月25 2011 05:41

全身振動

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職業接觸

全身振動的職業暴露主要發生在交通運輸中,但也與某些工業過程有關。 陸地、海上和空中交通都可能產生振動,從而導致不適、干擾活動或造成傷害。 表 1 列出了一些最有可能與健康風險相關的環境。


表 1. 可能適合警告全身振動不利影響的活動

拖拉機駕駛

裝甲戰車(例如坦克)和類似車輛

其他越野車:

土方機械——裝載機、挖掘機、推土機、平地機、

  • 鏟運機、翻斗車、滾筒
  • 林業機械
  • 礦山和採石場設備
  • 叉車

 

一些卡車駕駛(鉸接式和非鉸接式)

一些公共汽車和電車駕駛

一些直升機和固定翼飛機在飛行

有混凝土生產機械的一些工作者

部分鐵路司機

一些高速船舶的使用

騎摩托車

一些汽車和貨車駕駛

一些體育活動

其他一些工業設備

資料來源:改編自 Griffin 1990。 


最常見的劇烈振動和衝擊可能發生在越野車輛上,包括土方機械、工業卡車和農用拖拉機。

生物動力學

與所有機械結構一樣,人體具有共振頻率,在該頻率下身體會表現出最大的機械響應。 人類對振動的反應不能僅用單一的共振頻率來解釋。 人體內有很多共振點,共振頻率因人而異,也因姿勢而異。 身體的兩種機械反應通常用於描述振動導致身體移動的方式: 可傳播性阻抗.

傳遞率顯示從座椅傳遞到頭部的振動分數。 身體的傳遞性高度依賴於振動頻率、振動軸和身體姿勢。 座椅上的垂直振動會引起頭部多個軸的振動; 對於垂直頭部運動,傳遞率往往在大約 3 到 10 赫茲的範圍內最大。

身體的機械阻抗表示使身體在每個頻率下運動所需的力。 雖然阻抗取決於體重,但人體的垂直阻抗通常在 5 Hz 左右出現共振。 身體的機械阻抗,包括這種共振,對振動通過座椅傳輸的方式有很大影響。

急性效應

不舒服

振動加速引起的不適取決於振動頻率、振動方向、與身體的接觸點和振動暴露的持續時間。 對於坐著的人的垂直振動,任何頻率引起的振動不適都與振動幅度成正比:振動減半將趨向於使振動不適減半。

振動產生的不適可以通過使用適當的頻率權重(見下文)來預測,並通過不適的語義量表來描述。 對於振動不適沒有有用的限制:可接受的不適因環境而異。

建築物中可接受的振動幅度接近振動感知閾值。 除了振動頻率、方向和持續時間之外,假定建築物振動對人體的影響還取決於建築物的用途。 各種標準都給出了建築振動評估指南,例如英國標準 6472 (1992),它定義了評估建築物振動和衝擊的程序。

活動干擾

振動會損害信息的獲取(例如,通過眼睛)、信息的輸出(例如,通過手或腳的運動)或將輸入與輸出相關的複雜中央過程(例如,學習、記憶、決策)。 全身振動影響最大的是輸入過程(主要是視覺)和輸出過程(主要是連續的手控)。

振動對視覺和手動控制的影響主要是由受影響的身體部位(即眼睛或手)的運動引起的。 可以通過減少振動向眼睛或手的傳輸,或通過使任務不易受干擾(例如,增加顯示器的尺寸或降低控件的靈敏度)來降低影響。 通常,通過重新設計任務可以大大減少振動對視覺和手動控制的影響。

簡單的認知任務(例如,簡單的反應時間)似乎不受振動的影響,除了受喚醒或動機的變化或對輸入和輸出過程的直接影響。 這對於一些複雜的認知任務也可能是正確的。 然而,實驗研究的稀疏性和多樣性並不排除振動對認知產生真實而重要影響的可能性。 振動可能會影響疲勞,但幾乎沒有相關的科學證據,也沒有證據支持國際標準 2631(ISO 1974、1985)中提供的“疲勞降低的熟練程度限制”的複雜形式。

生理功能的變化

當受試者在實驗室條件下暴露於新的全身振動環境時,生理功能就會發生變化。 典型的“驚嚇反應”變化(例如,心率加快)會隨著持續暴露而迅速恢復正常,而其他反應則進行或逐漸發展。 後者取決於振動的所有特徵,包括軸、加速度大小和振動類型(正弦或隨機),以及其他變量,例如晝夜節律和受試者的特徵(參見 Hasan 1970;Seidel 1975;Dupuis 和 Zerlett 1986)。 野外條件下生理機能的變化往往與振動沒有直接關係,因為振動往往與其他重要因素共同作用,如高精神壓力、噪音和有毒物質。 生理變化通常不如心理反應(如不適)敏感。 如果所有關於持續性生理變化的可用數據都根據全身振動的幅度和頻率的第一次顯著表現進行總結,則有一個下限約為 0.7 m/s 的邊界2 rms 在 1 和 10 Hz 之間,並上升到 30 m/s2 有效值在 100 赫茲。 已經進行了許多動物研究,但它們與人類的相關性值得懷疑。

神經肌肉變化

在主動自然運動期間,電機控制機制充當前饋控制,不斷根據來自肌肉、肌腱和關節中傳感器的額外反饋進行調整。 全身振動引起人體的被動人工運動,這種情況與運動引起的自激振動有根本區別。 全身振動過程中缺少前饋控制是神經肌肉系統正常生理功能最明顯的變化。 與自然運動(隨意運動在 0.5 到 100 赫茲之間,運動時低於 2 赫茲)相比,與全身振動相關的頻率範圍更廣(8 到 4 赫茲之間),這是有助於解釋反應的進一步差異非常低和高頻的神經肌肉控制機制。

全身振動和瞬態加速度會導致坐著的人的淺表背部肌肉的肌電圖 (EMG) 發生與加速相關的交替活動,需要維持強直收縮。 這種活動應該是反射性的。 如果被振動的對像以彎曲的姿勢放鬆地坐著,它通常會完全消失。 肌肉活動的時間取決於加速度的頻率和幅度。 肌電圖數據表明,在 6.5 至 8 赫茲的頻率和突然向上位移的初始階段,由於脊柱的肌肉穩定性降低,可能會導致脊柱負荷增加。 儘管全身振動導致肌電圖活動較弱,但振動暴露期間的背部肌肉疲勞可能超過在沒有全身振動的正常坐姿下觀察到的疲勞。

在暴露於頻率高於 10 Hz 的正弦波全身振動期間,肌腱反射可能會暫時減弱或消失。 暴露於全身振動後姿勢控制的微小變化變化很大,其機制和實際意義尚不確定。

心血管、呼吸、內分泌和代謝變化

將觀察到的暴露於振動期間持續存在的變化與適度體力勞動期間的變化(即心率、血壓和耗氧量增加)進行了比較,即使振動幅度接近自願耐受極限。 增加的通風部分是由呼吸系統中的空氣振盪引起的。 呼吸和代謝變化可能不對應,可能表明呼吸控制機制受到干擾。 關於促腎上腺皮質激素 (ACTH) 和兒茶酚胺的變化,已經報導了各種和部分矛盾的發現。

感覺和中樞神經變化

全身振動引起的前庭功能變化是基於受影響的姿勢調節,儘管姿勢是由一個非常複雜的系統控制的,在這個系統中,前庭功能受到干擾可以在很大程度上由其他機制補償。 前庭功能的變化似乎對極低頻率的暴露或接近全身共振的暴露具有重要意義。 前庭、視覺和本體感受(組織內接收到的刺激)信息之間的感覺不匹配被認為是對某些人工運動環境做出生理反應的重要機制。

短期和長期暴露於噪音和全身振動的實驗似乎表明振動對聽力有輕微的協同作用。 作為一種趨勢,4 或 5 赫茲的高強度全身振動與更高的附加臨時閾值偏移 (TTS) 相關。 額外的 TTS 與曝光時間之間沒有明顯的關係。 額外的 TTS 似乎隨著更高劑量的全身振動而增加。

衝動的垂直和水平振動喚起大腦潛能。 人類中樞神經系統功能的變化也已通過聽覺誘發腦電位檢測到(Seidel 等人,1992 年)。 這些影響受到其他環境因素(例如噪音)、任務的難度以及受試者的內部狀態(例如,覺醒、對刺激的關注程度)的影響。

長期影響

脊柱健康風險

流行病學研究經常表明,長期暴露於強烈全身振動(例如,在拖拉機或土方機械上工作)的工人的脊柱健康風險較高。 Seidel 和 Heide(1986 年)、Dupuis 和 Zerlett(1986 年)以及 Bongers 和 Boshuizen(1990 年)對文獻進行了批判性調查。 這些評論得出的結論是,長期強烈的全身振動會對脊柱產生不利影響,並會增加腰痛的風險。 後者可能是椎骨和椎間盤原發性退行性變化的次要後果。 發現脊柱的腰部是最常受影響的區域,其次是胸部區域。 幾位作者報告說,頸椎部分的高損傷率似乎是由固定的不利姿勢引起的,而不是由振動引起的,儘管沒有確鑿的證據支持這一假設。 只有少數研究考慮了背部肌肉的功能並發現了肌肉功能不全。 一些報告表明腰椎間盤脫位的風險明顯更高。 在幾項橫斷面研究中,Bongers 和 Boshuizen (1990) 發現司機和直升機飛行員的腰痛比可比較的參考工作者更嚴重。 他們得出結論,專業車輛駕駛和直升機飛行是腰痛和背部疾病的重要危險因素。 在起重機操作員和拖拉機司機中觀察到因椎間盤疾病導致的殘疾養老金和長期病假增加。

由於流行病學研究中暴露條件的數據不完整或缺失,尚未獲得確切的暴露-效應關係。 現有數據不允許證實無副作用水平(即安全限度)以可靠地預防脊柱疾病。 多年低於或接近當前國際標準 2631 (ISO 1985) 的接觸限值並非沒有風險。 一些研究結果表明,隨著接觸時間的延長,健康風險也會增加,儘管選擇過程使得在大多數研究中很難發現兩者之間的關係。 因此,目前無法通過流行病學調查建立劑量效應關係。 理論上的考慮表明,在暴露於高瞬變期間,高峰值負載作用在脊柱上會產生明顯的不利影響。 因此,使用“能量當量”方法計算振動劑量(如國際標準 2631 (ISO 1985) 中所述)對於暴露於包含高峰值加速度的全身振動是有問題的。 尚未從流行病學研究中得出取決於振動頻率的全身振動的不同長期影響。 40 至 50 赫茲的全身振動通過腳施加到站立的工人身上,隨後腳部骨骼發生退行性變化。

一般來說,受試者之間的差異在很大程度上被忽略了,儘管選擇現象表明它們可能非常重要。 沒有明確的數據表明全身振動對脊柱的影響是否取決於性別。

人們對是否普遍接受脊柱退行性疾病作為一種職業病存在爭議。 尚不清楚具體的診斷特徵,這些特徵是否可以可靠地診斷出由於暴露於全身振動而導致的疾病。 非暴露人群中退行性脊柱疾病的高患病率阻礙了對暴露於全身振動的個體的主要職業病原學的假設。 可能改變振動引起的應變的個體體質風險因素尚不清楚。 使用最小強度和/或最短全身振動持續時間作為識別職業病的先決條件不會考慮個體易感性的預期相當大的差異。

其他健康風險

流行病學研究表明,全身振動是導致其他健康風險的一系列致病因素中的一個因素。 噪音、高精神壓力和輪班工作是已知與健康障礙相關的重要伴隨因素的例子。 對其他身體系統疾病的調查結果往往是不同的,或者表明病理學的普遍性對全身振動幅度的矛盾依賴性(即,不良反應的普遍性越高,強度越低)。 站立在用於混凝土振動壓縮的機器上並暴露於超過暴露極限的全身振動的工人觀察到中樞神經系統、肌肉骨骼系統和循環系統的症狀和病理變化的特徵性複合體ISO 2631 的頻率高於 40 Hz (Rumjancev 1966)。 這種複合體被命名為“振動病”。 雖然被許多專家拒絕,但同一個術語有時被用來描述由於長期暴露於低頻全身振動而導致的模糊臨床表現,據稱最初表現為外周和大腦植物血管疾病,伴有非特定的功能特徵。 根據現有數據,可以得出結論,不同的生理系統彼此獨立反應,並且沒有任何症狀可以作為全身振動引起的病理學指標。

神經系統、前庭器官和聽力。 頻率高於 40 赫茲的劇烈全身振動會導致中樞神經系統受損和紊亂。 關於頻率低於 20 Hz 的全身振動的影響,已報告了相互矛盾的數據。 僅在一些研究中,發現了非特異性抱怨的增加,例如頭痛和易怒。 一位作者聲稱長期暴露於全身振動後會出現腦電圖 (EEG) 紊亂,而其他作者則否認了這一說法。 一些已發表的結果與前庭興奮性降低和其他前庭障礙(包括頭暈)的發生率較高是一致的。 然而,由於檢測到矛盾的強度效應關係,全身振動與中樞神經系統或前庭系統的變化之間是否存在因果關係仍然值得懷疑。

在一些研究中,在長期暴露於全身振動和噪音後,觀察到聽力永久性閾值漂移 (PTS) 的額外增加。 Schmidt (1987) 研究了農業司機和技術人員,並比較了工作 3 年和 25 年後的永久閾值變化。 他得出結論,如果根據國際標準 3 (ISO 4) 的加權加速度超過 6 m/s,全身振動會在 8、2631、1985 和 1.2 kHz 處引起額外的顯著閾值偏移2 均方根同時暴露於超過 80 分貝 (dBA) 的等效噪聲水平。

循環系統和消化系統。 已檢測到四種主要的循環障礙,在暴露於全身振動的工人中發生率較高:

  1. 外周疾病,如雷諾綜合症,靠近全身振動的應用部位(即站立工人的腳或駕駛員的手,程度較低)
  2. 腿部靜脈曲張、痔瘡和精索靜脈曲張
  3. 缺血性心髒病和高血壓
  4. 神經血管變化。

 

這些循環障礙的發病率並不總是與振動暴露的強度或持續時間相關。 儘管經常觀察到各種消化系統疾病的高患病率,但幾乎所有作者都同意全身振動只是一個原因,可能不是最重要的。

女性生殖器官、妊娠和男性泌尿生殖系統。 流產、月經紊亂和姿勢異常(例如,子宮下降)的風險增加被認為與長期暴露於全身振動有關(參見 Seidel 和 Heide,1986 年)。 無法從文獻中得出用於避免這些健康風險的更高風險的安全暴露限值。 個體易感性及其時間變化可能共同決定了這些生物學效應。 在現有文獻中,尚未報導全身振動對人類胎兒的有害直接影響,儘管一些動物研究表明全身振動會影響胎兒。 未知的妊娠不良影響閾值表明將職業暴露限制在最低合理範圍內。

對於男性泌尿生殖系統疾病的發生,已經發表了不同的結果。 在一些研究中,觀察到前列腺炎的發生率更高。 其他研究無法證實這些發現。

相關標準

無法提供精確的限制來防止全身振動引起的疾病,但標准定義了量化振動嚴重程度的有用方法。 國際標準 2631(ISO 1974、1985)定義了暴露限值(見圖 1),該限值“設定為被認為是健康人類受試者疼痛閾值(或自願耐受限值)水平的大約一半”。 圖 1 中還顯示了源自英國標準 6841 (BSI 1987b) 的垂直振動的振動劑量值作用水平; 該標準部分類似於國際標準的修訂草案。

圖 1. 人體對全身振動響應的頻率依賴性

VIB020F1

振動劑量值可以被認為是持續一秒的振動的大小,其對測量的振動同樣嚴重。 振動劑量值使用四次方時間依賴性來累積從最短可能衝擊到一整天振動的暴露期間的振動嚴重程度(例如,BSI 6841):

振動劑量值 = 

振動劑量值程序可用於評估振動和重複衝擊的嚴重程度。 這種四次方時間相關性比 ISO 2631 中的時間相關性更易於使用(見圖 2)。

圖 2. 人體對全身振動的反應的時間依賴性

VIB020F2

英國標準 6841 提供以下指導。

高振動劑量值會導致嚴重的不適、疼痛和傷害。 振動劑量值還以一般方式表示導致它們的振動暴露的嚴重程度。 然而,目前對於振動劑量值與受傷風險之間的精確關係還沒有達成共識。 眾所周知,在 15 m/s 範圍內產生振動劑量值的振動幅度和持續時間1.75 通常會引起嚴重的不適。 可以合理地假設增加振動暴露會增加受傷風險 (BSI 1987b)。

在高振動劑量值下,可能需要事先考慮暴露人員的健康狀況並設計充分的安全預防措施。 還可以考慮定期檢查經常接觸的人的健康狀況。

振動劑量值提供了一種可以比較高度可變和復雜暴露的量度。 組織可以使用振動劑量值指定限製或行動水平。 例如,在某些國家/地區,振動劑量值為 15 m/s1.75 已被用作暫定行動水平,但根據情況將振動或反复衝擊暴露限制在更高或更低的值可能是適當的。 根據目前的理解,行動水平僅用於指示可能過度的近似值。 圖 2 說明了與 15 m/s 的振動劑量值對應的均方根加速度1.75 用於 24 秒到 2631 小時之間的曝光。 通過計算振動劑量值,可以將任何暴露於連續振動、間歇振動或反复衝擊的情況與動作水平進行比較。 不考慮暴露於振動或衝擊可能對健康造成的影響而超過適當的行動水平(或 ISO XNUMX 中的暴露限值)是不明智的。

機械安全指令 歐洲經濟共同體聲明,機械的設計和構造必須將機械產生的振動造成的危害降低到最低可行水平,同時考慮到技術進步和減少振動的方法的可用性。 這 機械安全指令 (歐洲共同體理事會 1989 年)鼓勵通過減少源頭(例如,良好的座椅)之外的額外手段來減少振動。

暴露的測量和評估

應在身體和振動源之間的界面處測量全身振動。 對於坐著的人,這涉及將加速度計放置在受試者坐骨結節下方的座椅表面上。 有時還會測量座椅靠背(靠背和靠背之間)以及腳和手的振動(見圖 3)。

圖 3. 測量坐著的人的振動暴露的軸

VIB020F3

單靠流行病學數據不足以定義如何評估全身振動以預測不同類型振動暴露對健康的相對風險。 流行病學數據的考慮以及對生物動力學反應和主觀反應的理解被用來提供當前的指導。 振盪運動對健康的影響取決於運動的頻率、方向和持續時間的方式目前被認為與振動不適的方式相同或相似。 然而,假設總暴露量而不是平均暴露量很重要,因此劑量測量是合適的。

除了根據現行標準評估測得的振動外,還建議報告頻譜、不同軸的幅度和暴露的其他特徵,包括每日和終生暴露持續時間。 還應考慮其他不利環境因素的存在,尤其是坐姿。

 

 

 

預防

只要有可能,最好從源頭減少振動。 這可能涉及減少地形的起伏或降低車輛的行駛速度。 其他減少振動傳遞給操作員的方法需要了解振動環境的特徵以及振動傳遞給身體的途徑。 例如,振動的幅度通常因位置而異:某些地區的振動幅度較低。 表 2 列出了一些可以考慮的預防措施。


表 2. 當人員暴露於全身振動時要考慮的預防措施總結

群組

行動

管理

尋求技術諮詢

 

就醫

 

警告暴露人員

 

培訓暴露人員

 

查看曝光時間

 

有關於從暴露中移除的政策

機器製造商

測量振動

 

旨在最大限度地減少全身振動的設計

 

優化懸掛設計

 

優化座位動態

 

使用人體工程學設計提供良好的姿勢等。

 

提供機器維修指導

 

提供座椅保養指導

 

提供危險振動警告

工作場所的技術人員

測量振動暴露

 

提供合適的機器

 

選擇衰減好的座位

 

維護機器

 

通知管理層

Medical

就業前篩選

 

常規體檢

 

記錄所有體徵和報告的症狀

 

警告有明顯傾向的工人

 

就暴露後果提出建議

 

通知管理層

暴露者

正確使用機器

 

避免不必要的振動暴露

 

檢查座椅是否調整正確

 

採取良好的坐姿

 

檢查機器狀況

 

將振動問題通知主管

 

如果出現症狀,請尋求醫療建議

 

將相關疾病通知雇主

資料來源:改編自 Griffin 1990。


座椅可以設計成減弱振動。 大多數座椅在低頻時會出現共振,導致座椅上發生的垂直振動幅度高於地板! 在高頻下,振動通常會衰減。 在使用中,普通座椅的共振頻率在 4 赫茲左右。 共振時的放大部分由座椅中的阻尼決定。 增加座椅緩衝墊的阻尼會降低共振時的放大率,但會增加高頻時的傳輸率。 座椅之間的傳遞率存在很大差異,這會導致人們體驗到的振動存在顯著差異。

座椅有效振幅傳輸率 (SEAT) 提供了座椅針對特定應用的隔離效率的簡單數字指示(參見 Griffin 1990)。 大於 100% 的 SEAT 值表明,總體而言,座椅上的振動比地板上的振動更嚴重。 低於 100% 的值表示座椅提供了一些有用的衰減。 座位應​​設計為具有與其他約束兼容的最低 SEAT 值。

在懸浮座椅的座椅底板下方提供了一個單獨的懸浮機構。 這些用於某些越野車輛、卡車和客車的座椅具有低共振頻率(約 2 赫茲),因此可以減弱約 3 赫茲以上頻率的振動。 這些座椅的傳輸率通常由座椅製造商確定,但它們的隔離效率隨操作條件而變化。

 

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