速度、力度与琴弦对职业小提琴手身体暴露的影响

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速度、力度与琴弦对职业小提琴手身体暴露的影响

Xuelong Fan, Svend Erik Mathiassen, Peter J. Johansson, Jennie A. Jackson, Teresia Nyman

1. 摘要

本研究考察了速度、力度和琴弦如何影响职业小提琴手上肢身体暴露，以及暴露变异性在音乐特征、受试者间差异和残差变异性之间的分布情况。十二名小提琴手演奏了七组标准化音阶，同时记录双侧上臂和腕部运动学以及肩部和前臂肌肉活动。线性混合效应模型显示，更快的速度增加了右上臂速度和双侧前臂活动，同时减少了右上臂和腕部活动范围。更强的力度增加了双侧前臂和右侧斜方肌活动以及右腕活动范围。较高把位琴弦增加了右上臂抬高和右肩肌肉活动。方差分析确定了暴露主要与音乐特征相关、与音乐特征和受试者间差异共同相关、主要与受试者间差异相关或主要无法解释的几种模式。这些发现支持基于音乐特征进行未来暴露预测，以及通过基于曲目的工作量管理、结构化恢复和个体化技术聚焦策略进行有针对性的预防。

2. 研究亮点

·速度、力度和琴弦产生了不同的上肢暴露模式。

·更快的速度和更强的力度增加了双侧前臂肌肉活动。

·较高把位琴弦增加了右上臂抬高和肩部活动。

·识别出不同的音乐、受试者间和残差方差模式。

·研究结果支持基于曲目和个体化的PRMSD预防。

3. 引言

职业性肌肉骨骼疾患（musculoskeletal disorders，MSDs），在音乐家中常称为演奏相关MSDs（playing-related MSDs，PRMSDs），在古典音乐家中普遍存在（Cruder et al., 2020, 2023; Leaver et al., 2011; Stanhope et al., 2022; Vastamäki et al., 2020）。大学水平或职业音乐家报告的最常见疼痛部位包括颈部、肩部和下背部（Leaver et al., 2011）。职业管弦乐团音乐家患背痛的可能性比普通劳动人群高50%，患肩痛的可能性高160%（Vastamäki et al., 2020）。对音乐家而言，职业暴露（occupational exposure）包括独自练习、与其他音乐家排练、录音以及在观众面前演出的时间。虽然总体练习负荷已被证明取决于经验，但对小提琴手而言，通常包括每天4-6小时和每周17-28小时（Chi et al., 2020）。

在古典音乐家中，包括小提琴手和中提琴手在内的高音弦乐演奏者比演奏其他乐器的音乐家具有更高的PRMSDs患病率（Kok et al., 2018; Leaver et al., 2011; Nyman et al., 2007; Paarup et al., 2011）。演奏高音弦乐器涉及上举且无支撑的手臂执行不对称任务，需要静态负荷、重复运动和精确的运动控制。非运弓臂（左臂）稳定乐器，执行重复的肩部旋转和精确的手指运动以在准确位置按下琴弦，同时产生指尖的节律性振荡以产生揉弦。运弓臂（右臂）执行涉及肩、肘、腕和手指的重复运动，以精确的运动控制将弓拉过琴弦，从而产生任何特定类型的声音（例如，轻柔与响亮，慢速与快速）。此外，双上肢还必须持续协调姿势支撑、精细运动控制和力度调节以达到所需的声音。这种双侧协调可能会增加上体两侧的身体暴露，尤其是在技术上要求较高的乐段中。

上肢暴露可能受到所演奏音乐特征的影响，包括音符演奏速度（速度）、所产生声音的音量（力度）以及演奏音符所用的琴弦。先前研究考察了速度和力度对肩部和前臂肌肉活动的影响；然而，这些研究包括了具有不同熟练水平的音乐家，其结果可能无法反映高技能职业音乐家的暴露模式（Mann et al., 2021; Mann, Paarup, et al., 2023）。关于这些音乐特征如何影响运动学身体暴露（包括上臂和腕部姿势及运动速度）的了解较少，而这些暴露此前已在其他类型工作中与颈部和肩部肌肉骨骼疾患相关联（Nordander et al., 2016）。速度预期会影响运动速度，特别是运弓臂和非运弓手的手指。力度预期会影响产生声音所需的力的大小，演奏更强（即fortissimo, ff）需要比演奏更弱（即pianissimo, pp）更大的运弓力。所演奏的琴弦预期会影响运弓臂和非运弓臂的姿势和肌肉活动，如图1所示。小提琴四根弦E、A、D和G的排列顺序决定了双侧的演奏姿势，演奏E弦（音高最高的弦）需要最低的右肩抬高和最大的左肩外旋，而演奏G弦（音高最低的弦）需要最高的肩抬高和最小的左肩外旋。总之，这些生物力学考虑表明，音乐特征可能塑造小提琴手的内在身体负荷，包括上肢姿势、运动速度和肌肉活动（Rensing et al., 2018）。因此，确定速度、力度和琴弦选择如何影响这些演奏相关暴露，对于表征小提琴手的工作负荷、理解PRMSD机制以及制定有针对性的预防策略非常重要。

除了音乐特征外，个体演奏技术已被证明会影响职业小提琴手的生物力学暴露，已有研究报告小提琴手在两次演奏相同乐曲时具有较高的受试者内可重复性（Fjellman-Wiklund et al., 2004; Mann, Paarup, et al., 2023; Visentin et al., 2015）。然而，关于小提琴手之间暴露变异性在多大程度上可归因于音乐特征与个体因素，目前了解甚少。这些信息是作为能够在演奏复杂乐曲时预测暴露的第一步所需，从而为例如安排排练计划和选择曲目奠定基础。

因此，本研究的主要目的是考察三种音乐特征——即速度、力度和琴弦（tempo, dynamics, and string）——对职业小提琴手上肢姿势、运动速度和肌肉活动的影响。次要目的是考察每种身体暴露的方差中，归因于音乐特征相对于个体演奏技术的比例。

4. 材料与方法

4.1. 受试者

十二名职业小提琴手参与了本研究，他们受雇于瑞典交响乐团或以自由职业者身份工作，且目前未休病假。所有受试者均被告知研究方案，签署了书面知情同意书，并完成了关于过去七天（是/否）和过去十二个月（从不/很少/有时/经常/非常频繁）经历的肌肉骨骼疼痛的筛查（Jonker et al., 2015）。该研究获得了乌普萨拉地区伦理审查委员会（Dnr 2018/412, 2018/412-1）和瑞典伦理审查机构（Dnr 2019-04617）的批准。

4.2. 实验方案

每名小提琴手参加了一项实验室实验，期间记录了肩部、上臂、前臂和腕部的肌肉活动和运动学数据。演奏过程同时进行视频录像以供参考。

该研究采用实验性交叉设计。实验期间，受试者以每分钟120拍、4/4拍号演奏七组一个八度的音阶（八个上行和八个下行音符）。七组音阶在三种音乐特征上系统变化：速度（2个水平：全音符[每分钟30个音符]和十六分音符[每分钟480个音符]）、力度（2个水平：极弱[pp]和极强[ff]）以及演奏音阶所用的琴弦，以调性作为代理变量进行操作化（3个水平：E大调、A大调和G大调）。

在本研究中，四根小提琴弦根据演奏它们所需的右臂（即运弓臂bowing-arm）姿势而非音高被分组为“较高把位（posture）”和“较低把位”琴弦（图1）。因此，E弦和A弦被视为较低把位琴弦，而D弦和G弦被视为较高把位琴弦。要完成一个八度的音阶，音符可以在同一左手位置横跨两根弦上演奏，也可以在一根弦上通过左手换把演奏。A大调音阶在A弦和E弦上以相同左手位置演奏，被用作较低把位参考。G大调音阶在G弦和D弦上以相同左手位置演奏，被用作较高把位比较。因此，G大调和A大调音阶之间的比较被视为评估较高与较低把位琴弦差异的主要对比。E大调音阶仅在E弦上演奏，但需要在琴颈上进行左手换把。因此它被作为额外的较低把位条件纳入。G大调和E大调音阶之间的比较被用作额外的高与低把位对比，而E大调和A大调音阶之间的比较被视为次要对比，以考察较低把位琴弦内与左手位置和演奏暴露相关的差异（表1）。

此外，全程使用节拍器以确保速度一致。要求受试者像为观众演奏一样演奏音阶，使用他们最好的揉弦并产生最好的音色。为确保所有受试者以相同方式演奏音阶，为每组音阶提供了指法。所有音阶均以连贯动作演奏，弓始终保持在弦上（称为连弓演奏）。受试者坐在无靠背的椅子上。乐谱放置在根据个人舒适高度和距离自行调节的谱架上，无需翻页。给予受试者充足的时间进行热身，然后在实验开始前休息。

4.3. 运动学测量

使用两个加速度计（AX3, Activity Ltd., Newcastle, UK）以25Hz采样率获取上臂运动学测量数据（Fan et al., 2021）。传感器放置在双上臂三角肌下方。

双侧腕部运动学使用两个双轴测角仪（Biometrics Ltd., Cwmfeinfach, Gwent, UK）以1000Hz采样频率记录。测角仪的一个模块放置在第三掌骨上方，另一个模块放置在前臂两骨之间的中线位置，如Simonsen等人所述（Simonsen et al., 2018）。

上臂抬高定义为相对于每位受试者坐姿下侧倾直至上臂垂直下垂同时手持2kg哑铃时所执行的垂直中立参考姿势的倾斜角度（Bernmark & Wiktorin, 2002）。上臂抬高/降低运动的正方向为抬高。腕部参考姿势（0度屈曲和偏斜）定义为受试者将手平放在水平面上，调整手使第三掌骨与前臂形成一条直线，如Nordander等人所述（Nordander et al., 2016）。腕部最大屈曲/伸展活动范围通过让受试者坐姿下肘部支撑在桌上、前臂水平放置，执行三次最大腕部屈曲和伸展来确定。每位受试者的最大尺偏和桡偏活动范围通过三次自愿活动范围试验确定，手掌平放在水平面上。腕部屈曲/伸展运动的正方向定义为屈曲，而偏斜运动的正方向定义为桡偏。

4.4. 肌肉活动测量

使用表面肌电图（surface electromyography，sEMG）双侧监测上斜方肌、三角肌和前臂肌肉的肌肉活动。自粘式双极Ag/AgCl电极（N-00-S/25, Ambu A/S, Copenhagen, Denmark）以2cm的电极间距应用于每个位置。在电极放置前，皮肤经剃毛和酒精清洁以降低阻抗。电极使用导电凝胶和粘性固定固定以在运动期间保持接触。信号通过有源屏蔽电缆传输至数字数据记录器（Oldenzaal, The Netherlands），使用24位A/D转换器以每通道1000Hz采样。

对于上斜方肌，电极放置在C7棘突和肩峰之间中点外侧2cm处（Mathiassen et al., 1995）。对于三角肌，电极根据SENIAM（非侵入性肌肉评估表面肌电）指南放置于中/外侧三角肌，位于肩峰和三角肌粗隆之间沿肌腹的中点（Hermie J. Hermens et al., n.d.）。前臂肌肉活动使用穿过前臂的sEMG电极放置方式记录（Fan et al., 2026; Takala & Toivonen, 2013）。选择这种电极放置方式是为了捕捉前臂伸肌和屈肌的联合活动，从而提高前臂工作负荷估计的准确性。具体而言，电极放置在指总伸肌肌腹中点稍外侧和指浅屈肌肌腹稍外侧（Takala & Toivonen, 2013）。

在参考自主收缩（referencevoluntary contractions，RVCs）期间记录亚极量参考自主电激活（reference voluntary electrical activations，RVE）试验。上斜方肌和三角肌的参考收缩在受试者以中立姿势站立、双上肢抬高至90度时进行（Mathiassen et al., 1995）。对于前臂肌肉，亚极量参考收缩逐侧进行，前臂从肘部到腕部支撑在桌上，手伸出桌面边缘，1kg重物悬挂在横跨手指第三近端指间关节的软带上。每位受试者的每次参考收缩重复三次。所有RVC试验持续15秒，其间穿插30秒休息（Åkesson et al., 1997; G.-Å. Hansson et al., 2000）。

4.5. 数据处理

EMG信号通过以下处理流程进行处理。首先，原始信号经数字带通滤波20至400Hz，然后通过50Hz梳状陷波滤波器以去除电源线干扰。使用125ms周期计算滤波后信号的均方根（root mean square，RMS）值，随后通过功率减法进行噪声校正。所得RMS值相对于相应的RVE水平进行归一化，RVE水平计算为三次RVC试验的平均RMS值，以%RVE表示（Mathiassen et al., 1995）。计算每个肌肉部位和每组音阶的第50百分位数（P50）（Fan et al., 2024; G.-Å. Hansson et al., 2000）。

加速度计数据使用Blackman窗滤波器在5Hz进行低通滤波，随后转换为上臂抬高角度，正值表示抬高。计算第50百分位数作为抬高的汇总指标。活动范围计算为角度分布的第90百分位数与第10百分位数之差（P90 - P10）。角速度作为相应角度信号的一阶导数获得，如先前研究所述（Fan et al., 2021; G. Hansson et al., 2001），并对速度同样计算第50百分位数。

测角仪信号重采样至20Hz，使用Blackman窗滤波器在5Hz进行低通滤波，并通过减去中立参考姿势下测量的腕部角度进行校准（G.-Å. Hansson et al., 1996），得到偏斜和屈曲角度，用于计算活动范围和角速度。因此，数据处理为每位受试者的每组音阶和每种身体暴露指标产生一个数值，这些数值随后用于统计分析。

4.6. 统计分析

所有分析在MATLAB R2023a（The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA）中进行。

测量身体暴露的描述性结果以箱线图和表格形式汇总呈现，各音乐特征内的两两差异以第一和第三四分位数间的中位数差异汇总。

音乐特征与身体暴露之间的关联使用线性混合效应（linear mixedeffects，LME）模型在重复测量设计中评估，同时考虑音乐特征（固定效应）和受试者间变异性（随机效应）的影响。因此，在LME模型中，身体暴露指标作为结局变量，音乐特征（速度、力度和琴弦）作为固定效应，受试者作为随机截距。显著性水平设定为α = 0.05。

模型构建遵循前向、基于似然的逐步程序，并采用交互项的强遗传原则。基础模型，𝑚𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒ij = 𝛽o + 𝑢i + 𝜖ij ，使用最大似然（maximum likelihood,ML）拟合以允许不同固定效应结构模型间的比较，并被视为简约模型。交互项仅在纳入相应主效应后才考虑，并根据研究设计限制为力度×琴弦交互作用。在每一步，从剩余候选项集合中独立添加一个候选项到简约模型中以形成全模型；所得模型集使用ML下的似然比检验（LRT）进行比较。若p < α（主要标准），则保留具有最小p值的候选项。当多个候选项在阈值附近显示出可比证据时，使用贝叶斯信息准则变化量（ΔBIC）作为次要标准，倾向于BIC更大降低的项。重复此过程直至没有额外候选项满足纳入阈值α或没有剩余候选项。理论上可达到的最大模型如下（基于当前研究设计，E.1）：

其中i表示受试者索引，j表示观测索引，𝛽0表示固定截距，β1-4表示速度、力度、琴弦以及力度与琴弦交互作用的固定效应系数。𝑢i表示受试者特异性随机截距，ε_ij表示残差误差。

对于每个结局变量，对基础模型的残差进行同方差性（主要）和正态性（次要）筛查。同方差性使用Breusch-Pagan检验和基于拟合值四分位数的基于中位数的Levene检验进行评估（Breusch & Pagan, 1979; Brown & Forsythe, 1974）。仅当两个检验均不显著（p ≥ α）时才判定为同方差。正态性使用Shapiro-Wilk检验评估（Shapiro & Wilk, 1965）。当检测到异方差时，应用具有最优估计λ的单调Box-Cox变换，并在变换后的尺度上重复模型选择（Box & Cox, 1964）。否则，考虑到LME模型对适度偏离正态性的相对稳健性，在原始尺度上进行分析（Blanca et al., 2017）。

固定效应选择后，使用限制性最大似然（REML）重新拟合最终线性混合效应模型，以获得偏差较小的方差分量估计和所选固定效应的最终参数估计。随后进行事后两两比较以评估三种音乐特征的分类型固定效应。对于两水平因子（即速度和力度），模型系数直接表示调整后的均值差。对于超过两个水平的因子（即琴弦），使用拟合模型推导的固定效应估计的线性组合计算两两对比。P值使用Bonferroni校正进行多重比较调整。

当使用Box-Cox变换拟合模型以满足分布假设时，统计推断在变换后的尺度上进行。为便于解释，使用估计的变换参数（λ）将模型预测值反变换回原始尺度，模型性能参数如均方根误差（RMSEs）使用逆Box-Cox函数在原始尺度上计算。

为量化音乐特征、受试者间差异和残差变异性的相对贡献，按照既定方法计算方差指标，包括边际R²（；固定效应）、条件R²（；固定和随机效应）以及组内相关系数（ICC）（Nakagawa & Schielzeth, 2013）。此外，计算以量化归因于受试者间差异和残差变异性的方差比例。共同将总方差分解为归因于音乐特征、受试者间差异和残差变异性的组分。

较大的值表明所考察的音乐特征贡献较强；较大的值表明随机截距捕获的受试者间变异性较大；较大的值表明残差变异性较大。ICC表示受试者间方差相对于受试者间方差加残差方差的比例，较大值表明相对于残差变异性有更大的受试者间变异性。尽管这些指标在数学上相关且包含重叠信息，但联合考察和ICC有助于识别跨暴露的重复方差模式。这些方差指标的方程式见式E.2- E.6：

其中𝑉f 是固定效应预测的方差，是随机效应的总方差，是模型估计的残差方差。

5. 结果

受试者平均年龄49岁，身高171cm，体重70kg。超过半数的受试者为女性（58%），大多数受试者为右利手（91%）。所有受试者左手持琴，右手持弓。超过半数（58%）的受试者在过去7天内至少有一个身体部位疼痛，半数报告在过去12个月内至少有一个上肢区域经常或非常频繁地疼痛。尽管如此，所有受试者均表示他们未休病假，能够按预期正常演奏（表2）。所有12名受试者完成了所有音阶。三种音乐特征——速度、力度和琴弦——均以不同方式影响运动学和肌肉活动身体暴露指标。对于所有暴露指标，描述性结果，包括数值分布、中位数值以及第一和第三四分位数值，显示在图2和图3中，完整数值结果集显示在表S1中。表3-5显示每种音乐特征的受试者内差异，表6显示这些差异的统计检验结果和方差相关指标。这些表格在下面更详细地描述。从建模数据中，未发现力度与琴弦之间的交互作用（所有p > 0.7）。

5.1. 速度的影响

将速度从全音符改为十六分音符（从慢到快）在运动学和肌肉活动方面产生了明显变化，尤其是在右侧（图2，图3，表3，表6）。右上臂抬高速度中位数增加了26°/s（[Q1, Q3]，[23, 40]；p < 0.001），抬高角度中位数减少了9°（[-10, -6]；p < 0.001），抬高活动范围中位数（P90-P10）减少了11°（[-16, -4]；p < 0.001）。这些运动学变化伴随着肩部肌肉活动的改变，包括右侧三角肌活动中位数增加14%RVE（[8, 18]；p < 0.001）和右侧斜方肌活动中位数减少27%RVE（[-39, -10]；p < 0.001）。

在右前臂，右腕偏斜和屈曲活动范围中位数分别减少了12°（[-18, -6]；p < 0.001）和34°（[-36, -22]；p < 0.001）（表3，表6），运弓臂（右侧）前臂肌肉活动中位数增加了48%RVE（[15, 66]；p < 0.001）。

速度对左侧运动学和肌肉活动的影响要么不显著，要么幅度较小（表3，表6），除了左前臂肌肉活动在较快速度演奏时增加了40%RVE（[-2, 46]；p = 0.001）。

总体而言，较快速度演奏时肩部和前臂区域的运动学和肌肉活动变化均发生，且主要见于运弓臂（右侧），除了前臂肌肉活动双侧增加。

5.2. 力度的影响

力度同样影响运动学指标和肌肉活动（图2，图3，表4，表6，表S1）。在右侧，较强的力度使斜方肌活动中位数增加25%RVE（[Q1, Q3] [8, 37]；p < 0.001），前臂肌肉活动增加24%RVE（[12, 39]；p < 0.001）。较强的力度也使右腕偏斜活动范围增加10°（[5, 14]；p < 0.001），右腕屈曲活动范围增加14°（[4, 21]；p < 0.001）。其他右侧运动学指标也有显著变化，但幅度相对较小。力度也影响左侧；然而，演奏较强（ff）与较柔（pp）相比唯一显著的变化是前臂肌肉活动增加23%RVE（[11, 40]；p < 0.001）（表4，表6）。其他身体暴露的变化幅度较小或不显著。

总体而言，力度主要影响右侧肩部肌肉活动、双侧前臂肌肉活动和右腕活动范围。

5.3. 琴弦的影响

如方法部分所述，琴弦效应以调性作为代理变量进行评估，G大调与A大调的比较作为较高与较低把位琴弦间的主要对比。涉及E大调音阶的比较被用作额外对比，以评估在较低把位条件下是否观察到相似模式以及左手位置是否影响结果。总体而言，琴弦相关差异最明显见于右侧，而左手位置相关差异较为有限且主要见于左侧（图2，图3，表5，表6，表S1）。

最大的右侧变化出现在G大调音阶（涉及较高把位琴弦）与A大调和E大调音阶（涉及较低把位琴弦）的比较中（表5，表6）。与A大调音阶相比，G大调音阶使右上臂抬高增加19°（[Q1, Q3] [17, 24]；p < 0.001）。与E大调音阶相比，G大调音阶使右上臂抬高增加24°（[21, 29]；p < 0.001）。相比之下，A大调和E大调音阶之间未观察到显著差异，表明右上臂抬高主要与音阶所用琴弦的差异相关，而非左手位置。

右侧肩部肌肉活动也观察到相似模式（表5，表6）。G大调音阶与A大调音阶相比，右侧斜方肌活动增加34%RVE（[12, 49]；p < 0.001），G大调音阶与E大调音阶相比增加37%RVE（[8, 52]；p < 0.001），而A大调和E大调音阶之间无显著差异。右侧三角肌活动从A大调到G大调音阶增加16%RVE（[14, 21]；p < 0.001），从E大调到G大调音阶增加20%RVE（[15, 25]；p < 0.001），同样A大调和E大调之间无显著差异。值得注意的是，G大调与E大调比较的增幅幅度始终大于与A大调的比较。其他右侧身体暴露要么不显著，要么幅度较小。

在左侧，变化主要见于腕部偏斜和三角肌活动（表5，表6）。与右侧模式相似，G大调音阶与A大调音阶相比左腕桡偏增加7°（[4, 9]；p < 0.001），与E大调音阶相比增加8°（[4, 10]；p < 0.001），而A大调和E大调音阶之间无显著差异。

相比之下，左侧三角肌活动显示不同模式（表5，表6）。E大调音阶与G大调音阶相比增加11%RVE（[4, 13]；p < 0.001），而A大调与G大调之间的差异不显著。此外，在两个较低把位条件比较中，E大调音阶与A大调音阶相比左侧三角肌活动减少7%RVE（[1-10, -2]；p = 0.002）。这表明左侧三角肌活动可能受左手位置的影响大于音阶所用琴弦。其他左侧暴露要么不显著，要么幅度较小。

总体而言，每组音阶所演奏琴弦之间的差异主要反映在右上臂抬高和右侧肩部肌肉活动中，左腕偏斜有中等程度变化。相比之下，相似较低把位琴弦上左手位置的差异似乎主要影响左侧三角肌活动，对右侧暴露影响有限或无影响。

5.4. 方差分析和模型性能

方差分析在身体暴露变量中识别出四种不同模式（表6，图S1）。四种模式分别代表主要与音乐特征相关的暴露、与音乐特征和受试者间差异共同相关的暴露、主要与受试者间差异相关的暴露，或以大量无法解释的变异性为特征、所考察的音乐特征或受试者间差异对其变异贡献很小的暴露。

第一种模式显示对音乐特征的最强依赖性。其特征为中等至较大的值（0.37-0.69）、低至中等的值（0.18-0.42）、较小的
值（0.11-0.22）和低至中等的ICCs（0.23-0.40）。这种模式在右上臂抬高速度中最为明显，其 = 0.69， = 0.18， = 0.12，ICC = 0.40。双侧前臂肌肉活动显示出相似模式，值为0.48-0.57，值为0.32-0.40，值为0.11-0.12，ICCs为0.23-0.26。双侧腕部偏斜速度也属于此模式。这些暴露因此受到音乐特征的显著影响，而受试者间差异仅占总方差的一小部分。在大多数情况下，无法解释的残差方差超过了归因于受试者间差异的方差。

第二种模式反映了音乐特征和受试者间差异的共同显著贡献。它结合了中等至较大的值（0.33-0.65）、相对较小的值（0.07-0.28）和
值（0.28-0.54）以及中等至较高的ICCs（0.51-0.81）。右上臂抬高姿势显示了这种模式，= 0.65， = 0.07， = 0.28，ICC = 0.80。左上臂抬高速度、右腕偏斜和屈曲活动范围以及右侧三角肌和斜方肌活动也观察到相似模式。对于这些暴露，音乐特征和受试者间差异共同解释了大部分方差，留下的残差变异性相对较少。

第三种也是最常见的模式由受试者间差异主导。其特征为较小的值（0.01-0.21）、低至中等的值（0.04-0.40）、中等至较大的值（0.48-0.95）和中等至较高的ICCs（0.57-0.96）。例如，左上臂抬高姿势的 = 0.01， = 0.04， = 0.95，ICC = 0.96。左侧三角肌活动显示相似模式（ = 0.03， = 0.06， = 0.91，ICC = 0.94）。左侧斜方肌活动、双侧腕部姿势、双侧腕部屈曲速度和左腕偏斜活动范围也观察到这种模式。对于这些暴露，受试者间差异占比最大，而音乐特征的贡献相对有限。

第四种模式以大量无法解释的变异性为特征。它包括左腕屈曲活动范围和双侧上臂抬高活动范围，这些变量具有相对较小的值（0.12-0.26）、较大的值（0.52-0.63）、较小的值（0.17-0.26）和低ICCs（0.21-0.30）。因此，音乐特征和受试者间差异均未解释这三个暴露的大部分方差；相反，大部分变异性未被模型解释。

RMSEs相对于相应结局变量的量级通常较小，特别是运动学指标，表明在组水平上具有可接受的平均预测误差（表6，表S1）。总体而言，方差分析区分了主要与音乐特征相关的暴露、与音乐特征和受试者间差异共同相关的暴露、主要与受试者间差异相关的暴露或主要依赖于模型中未捕获的残差因素的暴露。

6. 讨论

本研究考察了三种音乐特征——速度、力度和琴弦——如何与职业小提琴手上肢运动学和肌肉活动相关联。所有三种特征均影响身体暴露，但方式不同。

较快的速度主要影响右侧（运弓侧），增加右上臂速度和前臂肌肉活动，同时减少右上臂和腕部活动范围。较强的力度主要增加双前臂和右侧上斜方肌的肌肉活动，并增加右腕活动范围。在较高把位琴弦上演奏主要影响右侧，增加右上臂抬高和右侧肩部肌肉活动，而与左手位置相关的影响有限，主要见于左侧三角肌活动。

方差分析进一步显示，不同暴露的变异性来源不同。右上臂抬高速度、双侧前臂肌肉活动和腕部偏斜速度主要与音乐特征相关。右上臂抬高姿势、左上臂抬高速度、右腕活动范围和右侧肩部肌肉活动反映了音乐特征和受试者间差异的共同贡献。相比之下，许多腕部姿势、腕部屈曲速度和左侧肩部暴露主要与受试者间差异相关。最后，左腕屈曲活动范围和双侧上臂抬高活动范围主要以所考察的音乐特征或受试者间差异无法解释的残差变异性为特征。

6.1. 音乐特征对暴露的影响

每种音乐特征以不同模式影响身体暴露，提示不同的潜在机制。

速度主要影响右侧运动学和肌肉活动。较快的速度增加了右上臂速度以及右侧三角肌和双前臂的肌肉活动，同时减少了右上臂和腕部的活动范围。这些发现与先前研究部分一致，后者显示在更高速度下身体需求增加（Mann, Paarup, et al., 2023; Rensing et al., 2018; Reynolds et al., 2014），但本研究通过同时显示右腕和上臂活动范围的减少扩展了这些发现。这种组合提示一种以更快但更受限运动为特征的运动策略，可能限制不必要的关节运动并支持快速精确的运弓。与此组合形成显著对比的是，尽管右侧三角肌和前臂活动增加，右侧斜方肌活动却减少。早期研究报告在更高速度下右侧斜方肌活动无变化或增加（Mann, Paarup, et al., 2023; Reynolds et al., 2014）。由于先前研究包括了混合技能水平的人群，而本研究仅涉及职业小提琴手，这种差异可能反映了依赖技能和经验的运动策略。职业小提琴手可能在快速演奏时重新分配肩部复合体内的肌肉努力，在维持运弓表现的同时减少斜方肌活动。

力度主要调节肌肉活动，特别是双前臂和右侧上斜方肌。这种模式部分与先前发现的较强力度下右前臂活动和左手指力增加相一致（Kinoshita & Obata, 2009; Mann, Paarup, et al., 2023; Rensing et al., 2018），但本研究结果也显示了更清晰的双侧前臂参与。与速度不同，较强的力度增加了右腕屈曲和偏斜的活动范围和速度。这表明较响的演奏可能依赖于更宽更快的远端关节活动范围，以帮助前臂和肩部肌肉产生弓力和声音强度，而上臂姿势的变化相对较小。

虽然琴弦使用通过不同调性演奏的音阶进行评估，但结果表明音阶所用琴弦是右侧暴露差异的主要驱动因素。G大调音阶在较高把位琴弦上演奏，即G弦和D弦，而A大调音阶在较低把位琴弦上演奏，即A弦和E弦。E大调音阶代表另一种较低把位条件，因为它仅在E弦上演奏但使用两种不同的左手位置。随着琴弦位置升高，右侧肩部暴露呈梯度增加，G大调音阶产生最大的右上臂抬高以及右侧三角肌和上斜方肌活动，其次是A大调，然后是E大调音阶。这与先前报道的演奏从E弦向G弦转移时肩部运动增加相一致（Shan & Visentin, 2003; Wolf et al., 2019）。相比之下，A大调和E大调音阶之间的差异对右侧暴露影响有限，表明单独左手位置或A弦与E弦之间的换把均不足以显著改变右臂需求。

在左侧，琴弦相关模式不同。G大调音阶与其他调性比较时左腕偏斜发生变化，显示与右侧反应大体一致的模式。然而，左侧三角肌活动在A大调和E大调音阶之间存在差异，且仅在G大调和E大调音阶之间显著增加。这表明左侧三角肌活动可能对左手位置或乐器稳定需求比单独琴弦更敏感。

因此，在音乐特征中，既有相似性也有对比。速度和力度均增加前臂肌肉活动，表明两者均需要力的产生和控制。然而，它们在运动学模式上有所不同：速度增加与关节活动范围减少相关，而较强力度增加腕部活动范围。相比之下，琴弦效应主要是近端的，影响上臂抬高和肩部肌肉活动，反映位置要求而非动态或时间要求。总之，这些发现表明所考察的特征通过基本不同的机制影响身体暴露。

6.2. 音乐特征、受试者间差异和残差变异性解释的方差

本研究的一个关键发现是，身体暴露不仅在对所考察音乐特征的响应上不同，在其总方差如何在音乐特征、受试者间差异和残差变异性之间分布方面也不同。联合考虑、、和ICC识别出四种不同模式：主要与音乐特征相关的暴露、与音乐特征和受试者间差异共同相关的暴露、主要与受试者间差异相关的暴露，以及主要以残差变异性为特征的暴露。

第一种模式代表对音乐特征的最强依赖性，见于右上臂抬高速度、双侧前臂肌肉活动和双侧腕部偏斜速度。对于这些暴露，速度、力度或琴弦占总方差的显著比例，而受试者间差异贡献相对较小。这表明这些身体暴露受到音乐特征所施加需求的强烈塑造和约束，允许小提琴手之间平均暴露水平的相对较小变异。尽管音乐特征解释了比受试者间差异更多的方差，但双侧前臂肌肉活动和双侧腕部偏斜速度仍有显著比例的方差未被解释。因此，这些暴露不能被认为完全可由所考察的音乐特征单独预测，本研究中未包含的额外因素可能对其变异性有贡献。这种残差变异性的重要性可能因暴露而异。例如，腕部偏斜速度，特别是左侧，在所考察的音阶中显示相对有限的变异，表明部分无法解释的方差可能反映测量噪声或实际重要性有限的短期波动。相比之下，对于双侧前臂肌肉活动，残差组分可能反映与测量相关的变异性和表现中未测量方面的组合。先前研究报告在简单和标准化手动任务中前臂EMG的低至中等变异性，表明部分变异性是EMG测量本身固有的（Fan et al., 2026）。此外，音质、艺术表达和其他需要前臂和手精细运动控制的演奏相关细微差别的微妙差异可能导致未被当前模型捕获因此表现为残差方差的变异性。

第二种模式反映了音乐特征和受试者间差异的共同显著贡献。见于右上臂抬高姿势、左上臂抬高速度、右腕偏斜和屈曲活动范围以及右侧三角肌和斜方肌活动。音乐特征和受试者间差异共同解释了这些暴露的大部分方差，留下的残差变异性相对较少。右上臂抬高姿势与右上臂抬高速度形成特别鲜明的对比：两者均与音乐特征密切相关，但姿势也显示相对于其小组分残差的显著受试者间变异性。因此，音乐特征系统地改变了这些暴露，而平均暴露水平在小提琴手之间也存在差异。这种差异可能反映技术、人体测量学、习惯性姿势、乐器设置或运动策略，尽管随机截距模型无法确定各因素的贡献。

第三种也是最常见的模式由受试者间差异主导，包括左上臂抬高姿势、左侧三角肌和斜方肌活动、双侧腕部姿势、双侧腕部屈曲速度和左腕偏斜活动范围。对于这些暴露，音乐特征解释的方差相对较少，而小提琴手之间的差异占最大组分。这表明它们的平均水平可能更强烈地依赖于个体姿势、技术、人体测量学、乐器设置或运动策略，而非所考察的音乐特征。这一解释与先前发现的提琴演奏中斜方肌活动的显著受试者间差异相一致（Fjellman-Wiklund et al., 2004）。同一研究报告了重复演奏期间相对较低的受试者内变异性，表明即使在重复演奏相似材料时，个体音乐家内部的肌肉活动水平可能保持相对一致。然而，由于当前模型包含随机截距而非随机斜率，它们描述了小提琴手之间平均暴露水平的差异，并未确定小提琴手对音乐特征变化的响应不同。

第四种模式主要以残差变异性为特征，包含三种暴露：左腕屈曲活动范围和双侧上臂抬高活动范围。音乐特征和受试者间差异均未解释其方差的很大比例。与第一种模式相似，无法解释的变异性超过了归因于受试者间差异的变异性。然而，与第一种模式中的暴露相比，这些活动范围在所考察的音阶中显示相对较小的变化，表明所考察的音乐特征对其影响有限。它们的变异性可能反而反映短期运动调整、某些技术（例如左手揉弦的使用）、测量变异性、模型中未表示的交互作用或本研究中未捕获的其他因素，而非音乐特征的系统效应或小提琴手之间的稳定差异。

总之，这些模式表明，小提琴演奏期间的身体暴露在是主要与音乐特征相关、与音乐特征和受试者间差异共同相关、主要与受试者间差异相关，还是很大程度上未被当前模型解释方面有所不同。这种区分具有实际意义。与音乐特征密切相关的暴露可能更可预测自曲目，并更易于基于要求苛刻乐段的持续时间和排序进行工作量管理。具有显著受试者间贡献的暴露可能需要个体化关注技术、姿势、乐器设置和运动策略。对于以残差变异性为主的暴露，无法解释的方差可能部分反映当前模型中未包含的因素，如声音产生（即揉弦的使用）、艺术表达和其他需要精细运动控制的演奏相关细微差别，这些在本研究中未被测量。需要进一步研究以确定额外解释因素，并确定这些演奏相关因素在多大程度上对观察到的变异性有贡献，然后才能制定有针对性的干预措施。

6.3. 身体暴露与发生肌肉骨骼疾患的风险

身体暴露的量级只有在与其时间分布（包括暴露发生的时间长度、频率和顺序）一起考虑时，才对PRMSD风险具有意义。许多风险和暴露评估研究关注具有相对同质工作任务职业的全天暴露（6-8小时）。例如，建议的行动水平是应考虑预防措施以降低工作相关肌肉骨骼疾患风险的暴露阈值（Arvidsson et al., 2021）。这些阈值基于长时间测量，通常涵盖约8小时的工作日，而本研究考察了短时间标准化音阶任务。然而，具有相似音乐特征的音阶是小提琴手日常练习、排练和表演的重复性组成部分。因此，观察到的任务特异性暴露可以为以具有相似特征音乐为主的日子的近似暴露情景提供信息，尽管它们不应被解释为直接等同于全天职业测量。

在此背景下，若干暴露达到了可与体力要求高的职业中报告的量级相比的水平。涉及较低把位琴弦的右上臂抬高通常约为30°-50°，而在涉及较高把位琴弦的G大调音阶期间增加至约70°。这些值可与或大于美发（第50百分位数29°）和零售货架补货（第90百分位数55°）等职业中报告的值（Forsman et al., 2017; Nordander et al., 2016）。高臂抬高已被关联到肩部疾患风险增加（Van Der Molen et al., 2017）。具体而言，右上臂抬高超过了被考虑为发展MSDs风险因素的30°建议行动水平，该水平低于大多数音阶中观察到的右臂抬高（Arvidsson et al., 2021）。这表明抬高的右臂姿势代表了提琴演奏中的显著基线暴露，而涉及较高把位琴弦的音乐可能进一步增加累积肩部负荷。

右侧斜方肌活动也随音乐特征变化。较强的力度增加了斜方肌活动，特别是与较高把位琴弦结合时，而较柔演奏时活动较低。与职业行动水平的直接比较可能困难，因为本研究使用了RVE归一化和任务特异性暴露指标，而建议的行动水平基于长时间职业测量和MVE归一化的肌肉活动。尽管如此，观察到的模式表明，较强的力度和较高把位琴弦可能在重复或持续较长时间段时显著增加肩部肌肉负荷，从而增加颈部和肩部周围PRMSDs的风险。

总之，小提琴手PRMSDs的潜在风险可能由持续升高的基线暴露和与特定音乐特征相关的额外增加的组合决定，这些暴露在练习、排练和表演中累积。由于不同音乐特征产生不同暴露模式，某些负荷可通过练习和排练期间的曲目变化来缓解，例如交替具有不同力度的乐段或涉及较高和较低把位琴弦的乐段。然而，给定曲目中所需的音乐特征通常是曲目本身固有的，不能直接修改，尤其是在演出期间。然而，它们的时间分布为干预提供了重要的自由度。要求苛刻的乐段可以分布在练习时段中，与涉及较低暴露的乐段交替，限制连续持续时间，并由结构化恢复时段分隔。因此，即使与特定音乐特征相关的暴露量级无法降低，工作量管理策略也可以针对其持续时间、频率、排序和恢复模式。

6.4. 实际意义

本研究发现对基于曲目选择的职业工作量管理以及因此在组织层面预防PRMSDs的策略具有潜在意义。

首先，结果表明不同音乐特征施加不同的生物力学需求，意味着即使练习持续时间保持不变，身体暴露也可能因演奏的乐曲而有显著差异。这在专业管弦乐团中尤其相关，尽管曲目变化，排练时间表通常是固定的（Nyman et al., 2007）。基于音乐特征在练习和排练方案中引入变化，例如在具有不同力度的乐段之间或在主要在较低和较高琴弦上演奏的音乐之间交替，可能有助于在排练期间分配机械负荷并减少局部疲劳和疾患风险。

其次，跨身体暴露的不同方差模式表明可能需要不同的风险缓解策略。主要与音乐特征相关的暴露，如右上臂抬高速度和双侧前臂肌肉活动，可通过曲目变化和时间安排进行部分管理。识别这些特征依赖性暴露也为从音乐特征估计身体暴露提供了基础，并可能最终支持直接从乐谱预测暴露。相比之下，右上臂抬高姿势在各条件下持续较高，尽管其方差反映了音乐特征和受试者间差异的贡献。因此，在维持传统提琴演奏技术的情况下，仅靠曲目选择不太可能显著减少这种暴露。结合基于曲目的工作量管理、技术优化、人体工程学调整、结构化休息和恢复可能更为合适。先前工作同样建议将挑战性乐段分成较短的练习时段并分布在一天中，以支持充分的休息和恢复（Chan & Ackermann, 2014）。

第三，在许多暴露中观察到的显著受试者间变异性表明，干预措施不应仅依赖通用建议。考虑技术、姿势、乐器设置和运动策略的个体化方法可能对主要与受试者间差异相关或与音乐特征和受试者间差异共同相关的暴露尤为重要。这种变异性也可能有助于解释为什么辅助设备，如动态支撑或人体工程学颈托和肩托，充其量显示出边际效益，在某些情况下对肌肉活动或感知用力有不利影响（Kok et al., 2019; Mann, Olsen, et al., 2023）。这些发现突显了不考虑音乐需求、身体暴露和个体演奏策略之间复杂关系的干预措施的有限有效性。通过区分主要与音乐特征、受试者间差异或两者相关的暴露，本研究为制定更有针对性和个体化的干预措施提供了基础。

最后，观察到的运动模式，如协调的双侧参与、肩部肌肉活动的重新分配和任务特异性腕部调整，可为提琴教学中的教学方法提供信息。在一些经验丰富的音乐家中观察到的有效运动策略的推广可能有助于减少不必要的负荷并改善长期肌肉骨骼健康。更广泛地说，了解音乐特征如何影响身体暴露以及这些影响如何因人而异，可能有助于将通用预防策略定制为个体小提琴手的特定曲目、练习常规和技术需求。

6.5. 优势与局限性

本研究的一个关键优势是系统考察了三种基本音乐特征——速度、力度和琴弦——对职业小提琴手上体和上肢运动学和肌肉活动的影响。

所考察的任务（即演奏音阶）包含了力度和琴弦的控制变化，从而能够评估每种特征对生物力学暴露的影响。然而，为保持可控的实验时长，速度范围有限，且未测试速度、力度和琴弦的所有组合。特别是，琴弦的选择以调性作为代理变量，而实际上有四根弦与多个主要左手位置组合，这未以高分辨率充分测试。因此，观察到的效应，特别是三种特征之间的交互效应，应仅在有限程度上进行评估。未来研究应考察音乐特征之间更广泛的交互作用，以确定其对身体暴露的影响是独立的还是联合的。此外，真实音乐演奏比音阶演奏复杂得多，此处观察到的效应可能无法完全反映在实际曲目演奏中出现的效应。因此，未来研究应在更具生态效度的音乐情境中考察这些发现的普适性。

一些受试者报告了过去7天或12个月内的肌肉骨骼疼痛。然而，所有受试者均为活跃的职业管弦乐团音乐家，未报告疼痛严重到需要病假；因此，他们能够正常演奏。此外，本样本中报告的疼痛患病率低于其他音乐家人群中通常观察到的水平（Ioannou et al., 2018; Kenny et al., 2018）。因此，疼痛对演奏的任何影响可能都是最小的。

样本包括12名平均年龄49岁的职业小提琴手，这限制了研究结果的普适性。我们研究的主要目的是评估音乐特征与暴露之间的关联，而非开发完全验证的工具来预测演奏复杂乐曲时的暴露。未来工作应包括更大和更多样化的弦乐演奏者样本，并考察更复杂和真实的音乐任务，以开发预测模型并评估其实际适用性。此外，还需要研究考察对小提琴手的知情干预，如不同复杂度乐曲之间的交替或改变排练和音乐会时间表，是否能有益地改变身体暴露模式并导致PRMSDs减少。

7. 结论

本研究表明，三种音乐特征——速度、力度和琴弦——在职业小提琴手标准化音阶演奏期间与上肢生物力学暴露系统相关。这些关联因音乐特征和暴露变量而异。方差分析进一步揭示，某些暴露主要与音乐特征相关，其他暴露反映了音乐特征和受试者间差异的共同显著贡献，另一些则主要与受试者间差异或残差变异性相关。

未来研究应在更大样本和更复杂音乐情境中验证这些发现，以确定观察到的效应是否也在完整乐曲演奏期间显现。从音乐特征估计身体暴露可能最终支持直接从乐谱预测暴露。此外，理解音乐特征如何影响身体暴露可能阐明促成小提琴手PRMSDs风险的机制，并支持制定有针对性的干预措施，包括基于曲目的工作量管理、优化的排练和练习时间表、结构化休息和恢复以及个体化技术聚焦策略。

图表注释汇总

图1.图示小提琴手在不同琴弦上演奏时上肢姿势的变化，深灰色位置显示在E弦（音高最高的弦，右臂抬高最低，左肩外旋最大）上演奏时的姿势，浅灰色位置显示在G弦（音高最低的弦，臂抬高最高，左肩外旋最小）上演奏时的姿势。

图2.不同音乐特征下双上臂（u.arm）和肩部肌肉中位数（P50）暴露的箱线图。Elev.表示抬高，rng.表示范围。每个箱体内的中心线表示中位数，箱体边缘表示第1和第3四分位数，须线表示最小和最大值。圆形标记表示个体数据点，标记"+"表示Tukey离群值。蓝色标记和条形表示以全音符极弱演奏的音阶；红色标记和条形表示以全音符极强演奏的音阶；黄色标记和条形表示以十六分音符演奏的音阶。

图3.不同音乐特征下双前臂和腕部中位数（P50）暴露的箱线图。Dev.表示偏斜，Flex.表示屈曲，rng.表示范围。每个箱体内的中心线表示中位数，箱体边缘表示第1和第3四分位数，须线表示最小和最大值。圆形标记表示个体数据点，标记"+"表示Tukey离群值。蓝色标记和条形表示以全音符极弱演奏的音阶；红色标记和条形表示以全音符极强演奏的音阶；黄色标记和条形表示以十六分音符演奏的音阶。

图S1.测量身体暴露的方差分析结果可视化。可视化使用ClustVis 2.0（BII, Estonia）生成。添加了新参数1-R²c以促进聚类。未对列或行应用缩放或居中。使用相关距离和平均连锁对行进行聚类。图例显示方差指标的量级。

表1.受试者演奏的七组音阶任务的描述，由速度、力度和调性/琴弦的组合定义。所有音阶均为一个八度，演奏八个上行和八个下行音符，以每分钟120拍、4/4拍号，每弓一个音符。速度由音符时值定义：全音符对应每分钟30个音符，十六分音符对应每分钟480个音符。力度方面，pp表示极弱，ff表示极强。所有音阶均以演奏空弦开始，即E大调音阶以空E弦开始。§ 调性被用作每组音阶所演奏琴弦的代理变量：E大调音阶仅在E弦上演奏，A大调音阶在A弦和E弦上演奏，G大调音阶在G弦和D弦上演奏。