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A aprovação ética foi obtida do Subcomitê Médico do Comitê de Ética em Ciência e Tecnologia da Universidade Tsinghua (Aprovação nº: THU01-20250087), e todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes de ingressar no estudo.
A pesquisa determina a tensão fisiológica e a fadiga muscular nas diferentes classes de assentos de trem de alta velocidade (HSR) por meio de uma avaliação ergonômica multimodal. Essa abordagem oferece uma consideração mais dinâmica em comparação às medições estáticas tradicionais de atividade muscular e estresse fisiológico sob diversas posições de assento e eventos de deslocamento, por meio da combinação de EMG e SCR no âmbito de uma simulação de cenário. Para medir a intensidade da ativação muscular e a progressão do cansaço, duas métricas de avaliação fisiológica comumente usadas em avaliações ergonômicas e biomecânicas, como frequência mediana (MF) e raiz quadrática média (RMS), também foramincluídas 12.
A pesquisa utilizou controles experimentais comparáveis e uma linha de base neutra (calibração pré-teste). Como referência fisiológica neutra para normalização, os participantes registraram seus níveis de EMG e SCR em repouso durante uma calibração de linha inicial de 10 minutos em posição vertical padrão antes de cada sessão. Além disso, comparações de assentos de classe executiva, primeira e econômica serviram como controles experimentais, permitindo a separação dos efeitos específicos de assento sob as mesmas atividades baseadas em cenários.
Ambiente experimental e equipamentos
Para validade ecológica, todas as medições foram feitas em cabines reais de trem de alta velocidade (HSR). A Figura 2 mostra a disposição e o ambiente da seção business-class, as soluções ergonômicas, a iluminação da cabine e as soluções para assentos para passageiros. Esses elementos contribuem para o nível geral de conforto e, além disso, influenciam reações fisiológicas como alterações na SCR e atividade do EMG. O sistema de sensores vestíveis nesta pesquisa, descrito na Figura 3, foi utilizado no monitoramento fisiológico. O aparelho utilizado no experimento consistia em:
Eletromiografia (EMG): Sensores EMG de superfície foram instalados na região lombar, pescoço e ombros para registrar as variações de amplitude (μV) e frequência mediana (Hz) da atividade muscular, que são indicadores de fadiga muscular.
Resposta de condutância cutânea (SCR): Um sensor Shimmer3 GSR+ foi usado para registrar atividade eletrodérmica relacionada ao desconforto físico e ao estresse a 50 Hz.
Sincronização de dados: Softwares baseados em Python garantiam a integração em tempo real dos dois tipos de dados, EMG e SCR, em todas as condições experimentais.
Posicionamento preciso do sensor: Para alcançar reprodutibilidade e aquisição precisa de sinais, eletrodos de eletromiografia de superfície (sEMG) devem ser colocados em conformidade com as diretrizes13 do SENIAM. Os eletrodos bipolares Ag/AgCl foram posicionados nos músculos esternocleidomastoide (ponto médio entre o processo mastoide e a incisura esternal), trapézio superior (ponto médio entre o processo espinhoso C7 e o acrômio) e espinhão espinoso (3 cm laterais ao processo espinhoso L3), de modo que os eletrodos fossem posicionados paralelamente às fibras musculares com uma distância entre eletrodos de 20 mm. Cada local foi raspado, limpo com álcool isopropílico a 70% e levemente abrasado para garantir que a impedância da pele fosse menor que 5 Ω. O epicôndilo lateral foi coberto com um eletrodo de referência. Os sensores eram sensores SCR, cujos eletrodos eram fixados às falanges distais do indicador e médio da mão não dominante, com uma calibração pré-teste de 10 minutos, onde os valores de referência de referência de EMG e SCR foram determinados. Sensores EMG foram acoplados à lombar, pescoço e ombros para avaliar a amplitude da ativação muscular (μV) e a mudança de frequência mediana (Hz), que é um dos sinais de fadiga muscular.
Os dados fisiológicos foram coletados usando sensores para SCR e sistemas sem fio sEMG para medição de atividade muscular, ambos sincronizados por um software de aquisição de dados baseado em Python para garantir precisão temporal. Todos os dispositivos eram calibrados antes de cada sessão para manter a precisão e confiabilidade do sinal.

Figura 2: Ambiente experimental da cabine (classe executiva). O layout interno e as características ergonômicas da cabine HSR, onde a ênfase era dada ao conforto dos passageiros e ao planejamento do espaço na cabine. Possui bancos reclináveis grandes, com telas de privacidade, controles ajustáveis para sentar e iluminação ajustável. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 3: Configuração experimental para monitoramento fisiológico. É mostrado um layout interno da cabine HSR, que destaca os recursos personalizados para passageiros, iluminação ambiente e assentos ergonômicos. Ele foca no conforto, na fabricação e na praticidade, que incluem semi-privacidade nos assentos, espaço amplo para as pernas e uma luz de leitura ajustável. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Participantes e desenho experimental
Um total de 30 participantes adultos saudáveis (15 homens e 15 mulheres) foi recrutado usando uma abordagem estratificada de amostragem para garantir representação igualitária entre as condições de assentos empresariais, de primeira classe e econômicas. Os participantes foram incluídos se fossem adultos entre 18 e 40 anos, com boa saúde geral e sem histórico de distúrbios musculoesqueléticos afetando pescoço, ombros ou lombar. Os indivíduos deveriam não ter doenças neurológicas ou sistêmicas diagnosticadas, ser capazes de sentar confortavelmente durante todo o experimento e concordar em seguir todos os procedimentos. Os participantes foram excluídos se apresentassem dor recente ou contínua no pescoço, ombro ou lombar; havia passado por cirurgia na coluna ou na parte superior do corpo; tinha alergias de pele a eletrodos Ag/AgCl; estavam grávidas; usava medicamentos que afetavam a atividade neuromuscular; ou não conseguiram completar o protocolo com segurança.
A amostra final consistiu em 30 adultos saudáveis (15 homens e 15 mulheres), todos livres de comprometimentos neurológicos e musculoesqueléticos. A amostra cobriu uma faixa típica de tamanhos corporais relevantes para avaliações de assentos em aeronaves comerciais, e todos os participantes eram dominantes à direita para garantir consistência nas medições de eletromiografia.
Foi adotado um desenho experimental crossover para designar aleatoriamente os participantes em diferentes configurações de assentos, de modo que cada indivíduo experimentasse assentos executivos, de primeira classe e econômicos. Durante a avaliação no assento, cada participante completou quatro cenários funcionais de igual duração em uma sessão de 1 hora. Esses cenários refletem comportamentos comuns durante o voo, incluindo descansar em uma postura relaxada sentada, comer ou beber usando a mesa de bandeja, trabalhar em um laptop ou tablet e participar de atividades de entretenimento como assistir vídeos em um celular ou tablet. Esse design permitiu que os participantes fossem expostos a uma variedade de ambientes típicos de cabine e atividades em voo, possibilitando a comparação controlada dos padrões de ativação muscular entre condições.
O resumo dos cenários e a frequência de passageiros em cada cenário de teste é resumido na Figura 4.
Padronização de cenários: Cada cenário prático foi padronizado com instruções claras e padrões de postura para garantir uniformidade entre os participantes e reduzir variáveis de confusão. Os participantes do cenário de descanso reclinavam-se com os braços apoiados nos apoios de braço e os pés apoiados no chão. No ambiente de refeições, os participantes completaram uma tarefa padronizada enquanto as mesas de bandejas eram elevadas a uma altura consistente de 45 cm acima da base do assento. No ambiente de trabalho, os participantes executaram uma tarefa consistente de digitação mantendo as costas em contato com o suporte lombar, enquanto laptops ou tablets eram posicionados sobre a mesa de bandejas em altura e ângulo fixos. No cenário de entretenimento, os participantes foram orientados a manter a cabeça e os ombros em posição neutra e a manter seus dispositivos a uma distância constante de visualização. Para garantir a aderência, os pesquisadores acompanharam a postura em cada cenário e fizeram ajustes conforme necessário. Para familiarizar os participantes com as posições e tarefas padronizadas, foi realizada uma breve sessão de prática antes da coleta dos dados.

Figura 4: Classificação das condições experimentais de cenários. As atividades dos passageiros em ambientes de HSR incluem trabalhar em escritório, comer, receber recebimentos, dormir e se movimentar. Ele chama atenção para diversas atividades que os viajantes realizam durante a viagem, exemplificando a multifuncionalidade e múltiplos usos do espaço de assentos. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Métricas fisiológicas para avaliação de fadiga muscular
Para aprimorar a avaliação da fadiga muscular, utilizamos a raiz quadrática média (RMS) e a MF como principais indicadores fisiológicos. O RMS quantifica toda a atividade elétrica do músculo e fornece uma estimativa do esforço muscular, enquanto o MF representa alterações do espectro induzidas pela fadiga no sinalEMG 8. As seguintes equações serviram de base para esses cálculos:
(1)
Na Eq. (1), T representa a duração total, e EMG2 é o sinal EMG registrado no tempo t. Valores mais altos de RMS indicam maior esforço muscular, enquanto valores mais baixos indicam redução da tensãomuscular 8.
(2)
Na Equ. (2), p(f) representa a densidade espectral de potência do sinal EMG. Uma queda na MF ao longo do tempo indica um aumento da fadigamuscular 14.
Para uma avaliação detalhada da tensão muscular e das respostas fisiológicas ao estresse sob várias situações de assento, os dados de SCR foram analisados em conjunto com EMG. Fadiga muscular e estresse fisiológico foram medidos usando SCR e eletromiografia de superfície (sEMG). Eletrodos foram posicionados no esternocleidomastoide (pescoço), trapézio (ombro) e espinha ereitora (lombar) para a sEMG. Os sinais brutos passavam por retificação em onda total para mudar valores negativos para positivos após serem filtrados passa-banda (20-450 Hz) para eliminar artefatos de movimento e ruído de baixa frequência. O sinal era suavizado com uma janela de média móvel de 200 ms. A intensidade da ativação muscular foi medida usando a Quadratura Média Radicular (RMS), e a progressão do cansaço foi identificada extraindo a frequência mediana (MF) da densidade espectral de potência.
As mudanças autonômicas eram lentas e isoladas juntas por meio do registro de sinais SCR em uma frequência de 50 Hz e filtragem passa-baixa em uma frequência de 2 Hz. A linha tônica de base foi marcada pelo cálculo do Nível de Condutância da Pele (SCL), e reações instantâneas de estresse foram registradas ao remover a magnitude e o atraso dos picos de SCR fásicos. As medições de EMG e SCR foram sincronizadas em tempo real, e testes estatísticos, incluindo correlações de Pearson, ANOVA unidirecional e ANOVA de medidas repetidas, foram realizados para comprovar a correlação entre parâmetros fisiológicos e avaliações subjetivas de conforto. Para medir a ergonomia dos assentos em diferentes classes de HSR em diferentes contextos de atividade, o pipeline garante que os dados fisiológicos brutos sejam convertidos em medições confiáveis e compreensíveis.
Coleta e processamento de dados
Antes da coleta de dados, uma calibração de linha de base de 10 minutos era realizada para garantir a precisão do sinal. Cada participante então completou uma fase fixa de atividade de 60 minutos, correspondente às condições experimentais predefinidas. A exposição justa a diferentes configurações de assentos foi garantida por meio da distribuição aleatória de assentos. Após o estudo, entrevistas semiestruturadas e avaliações subjetivas de desconforto foram coletadas usando uma escala do tipo Likert de 1 a 10 baseada na metodologia clássica introduzida peloLikert 15, fornecendo dados qualitativos sobre o conforto percebido.
Para obter medições mais precisas da tensão muscular, os valores diferenciais do EMG em todos os cenários foram calculados antes e depois de cada cenário. Uma diferença menor no EMG significa sentar mais relaxado e menos esforço muscular.
Análise estatística e processamento
Pré-processamento de dados: Filtragem passa-banda (20-450 Hz), retificação em onda completa e uma janela de média móvel de 200 ms foram aplicadas para extrair tendências significativas do sinal. Os sinais brutos de EMG e SCR foram primeiro pré-processados para garantir a qualidade e a comparabilidade dos dados entre os participantes. Os sinais EMG foram filtrados passa-banda entre 20 e 450 Hz, corrigidos e suavizados usando uma janela de quadratura média (RMS) de 100 ms. Os dados SCR foram filtrados passa-baixa a 5 Hz e normalizados em relação às gravações individuais de linha de base obtidas durante a calibração pré-teste. Artefatos de movimento e valores atípicos foram removidos por meio de inspeção manual e limiar automatizado. Os dados pré-processados foram então promediados em cada cenário para análises estatísticas subsequentes.
Análise estatística: Comparações de ANOVA: Uma ANOVA unidirecional foi usada para comparar amplitudes de EMG entre classes de assentos, enquanto uma ANOVA de medidas repetidas avaliou as tendências de fadiga muscular ao longo do tempo. Análise SCR: Os sinais foram filtrados passa-baixa a 2 Hz, e as taxas de pico de eventos SCR (picos por minuto) foram comparadas usando ANOVA. Análise de correlação: Os testes de correlação de Pearson examinaram as relações entre EMG, SCR e avaliações subjetivas de desconforto.
Análise qualitativa
As potenciais disparidades na tensão biomecânica e na experiência do usuário são analisadas tematicamente examinando a relação entre impressões subjetivas e resultados fisiológicos. Essa combinação de métodos oferece uma abordagem abrangente e baseada em dados para avaliar a ergonomia dos assentos HSR e uma plataforma baseada em evidências para aprimoramento adaptativo do design de assentos.