Simulation – Auswirkungen des Japet.W-Exoskeletts auf die Bewegung

Bericht über die Auswirkungen des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 bei Handhabungsbewegungen – Muskuloskelettsimulation

Bericht über die Auswirkungen des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 bei Handhabungsbewegungen – Muskuloskelettsimulation

Rückenschmerzen, die oft als das „Leiden des Jahrhunderts“ bezeichnet werden, gewinnen in den Industrieländern zunehmend an Bedeutung. Tatsächlich hatten, haben oder werden nach Angaben des französischen Nationalen Instituts für Forschung und Sicherheit (INRS) mehr als zwei von drei Beschäftigten in Frankreich Rückenschmerzen haben oder haben (INRS, 2018). LBP scheint eine Pathologie multifaktoriellen Ursprungs mit mehreren Risikofaktoren zu sein, die mit manueller Handhabung, Stürzen, ungünstigen Körperhaltungen, schwerer Anstrengung usw. verbunden sind (INRS, 2018). So viele Faktoren, die im beruflichen Umfeld zu finden sind, alle Sektoren zusammen. Schmerzen im unteren Rückenbereich sind für 20% der Arbeitsunfälle und 7% der Berufskrankheiten verantwortlich und machen damit fast 11,5 Millionen arbeitsfreie Tage pro Jahr aus.

Um die Risiken von Kreuzschmerzen am Arbeitsplatz zu begrenzen, führen einige Unternehmen ergonomische Studien durch, um die Arbeitsplätze so gut wie möglich zu gestalten. Wenn eine Anpassung des Arbeitsplatzes nicht möglich ist, können neue Lösungen wie z.B. Exoskelette in Betracht gezogen werden. Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss des Japet-Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 im Verhältnis zu häufigen Bewegungen bei der manuellen Handhabung zu analysieren.

Verwendetes Modell

Diese muskuloskelettale Simulation wurde mit der Software AnyBody Modeling System durchgeführt, die auf einem Ganzkörpermodell basiert (Ganzkörper, AnyBody Managed Model Repository, AMMR). Dieses Modell ist in der Forschungswelt weit verbreitet, mehr als fünfzig wissenschaftliche Publikationen beziehen sich darauf (AnyBody Technology). Viele Forscher haben diese Software verwendet, um die Belastungen in den verschiedenen Gelenken und insbesondere in der Wirbelsäule (Zee, 2007) (Rajaee, 2005) (Rajaee, 2005) (Rasmussen, 2009) (Bassani, 2017) zu untersuchen, wobei sie sich auf die in vivo-Messungen von Wilke et al. bezogen (Wilke, 2001).

Diese Studie bewertet den Einfluss des Japet-Exoskeletts auf die in den L4L5-Scheiben ausgeübte Kraft anhand verschiedener Parameter: die Lage der Last, die Masse der Last sowie die Position des Körpers beim Tragen der Last.

AnyBody Technology bietet seiner Gemeinschaft die WilkeSpinalDiscPressure-Bibliothek an. Diese Bibliothek besteht aus drei Dateien, die wir als Grundlage verwendet haben: „Standing Lift Close“, „Standing Lift Flexed“ und „Standing Lift Stretched Arms“. Das Japet-Exoskelett wurde in jedem dieser Modelle implementiert. Die durch das Exoskelett bereitgestellten Kräfte betragen 4 kg pro Aktuator (d.h. insgesamt 16 kg).  Um eine Drehbewegung auszuführen, folgt das Becken-/Thoraxsegment einer B-Spline-Kurve, die eine Drehung des Rumpfes von 0° bis 25° erlaubt. Da die Bandscheibe durch einen Punkt im AnyBody-Modell repräsentiert wird, werden wir hier nicht über den intradiskalen Druck sprechen, sondern über die auf die Bandscheibe ausgeübte Kraft.

Einwirkung des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 entsprechend der Belastungsstelle

Um die Auswirkungen des Exoskeletts auf die Bandscheibe in Abhängigkeit vom Ort der Belastung zu beurteilen, trägt das Modell eine Last von 10 kg und steht in orthostatischer Position. Es werden drei Tests durchgeführt: Belastung gegen den Körper, Belastung bei halb ausgefahrenen Armen und Belastung bei ausgefahrenen Armen (Abbildung 1.)

mouvement distance corps

Abbildung 1: Einfluss des Exoskeletts auf die auf die Bandscheibe L4L5 ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Position der 10kg-Last

Wie von Wilke et al. vor einigen Jahren gezeigt wurde, nehmen die auf die L4L5-Scheibe ausgeübten Kräfte mit zunehmendem Abstand der Last vom Körper zu. Es ist zu beachten, dass das Exoskelett die auf die L4L5 Bandscheibe ausgeübte Kraft um durchschnittlich 135 N (oder 13,8 kg) reduziert, unabhängig von der Lage der Belastung.

Aufprall des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 entsprechend der Masse der Belastung

Um die Auswirkungen des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 in Abhängigkeit von der Masse der Belastung zu beurteilen, befindet sich das Modell in orthostatischer Position und trägt unterschiedliche Lasten mit halb gestreckten Armen. Die Lasten betragen 0 kg, 5 kg, 10 kg, 15 kg und 20 kg.

mouvement poids

Abbildung 2: Einfluss des Exoskeletts auf die auf die Bandscheibe L4L5 ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Masse der getragenen Last

Abbildung 2. zeigt, dass der Verschleiß des Japet-Exoskeletts während des Lasthaltens eine Reduktion von durchschnittlich 135N (oder 13,8kg) auf der L4L5-Scheibe ermöglicht, unabhängig von der Masse der Last.

Einwirkung des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 in Abhängigkeit von der Position des Operateurs beim Tragen der Last

Um die Auswirkungen des Exoskeletts auf die Bandscheibe L4L5 in Abhängigkeit von der Position des Operateurs beim Tragen einer Last zu bewerten, trägt das Modell eine Last von 10 kg mit halb ausgefahrenen Armen für zwei Arten von Bewegungen: axiale Rotation und Vorwärtsbiegung.

mouvement rotation axiale

Abbildung 3: Einfluss des Exoskeletts auf die Kraft, die auf die Bandscheibe L4L5 bei einer Belastung von 10 kg während der axialen Rotation ausgeübt wird

Bei Rotationswinkeln von 0° bis 20° ermöglicht es das Exoskelett, die intradiskale L4L5-Kraft um durchschnittlich 113N zu reduzieren (Dekompression zwischen 11% und 12%). Bei 25° Drehung wird die Kraft um 92N reduziert, d.h. 9% Dekompression.

mouvement levée

Abbildung 4: Einfluss des Exoskeletts auf die Kraft, die auf die Bandscheibe L4L5 bei einer Tragfähigkeit von 10kg während der Bodenbelastung, 45° Vorwärtsverformung und 90° Vorwärtsverformung ausgeübt wird

Das Japet-Exoskelett ermöglicht eine 4%ige Dekompression der L4L5-Scheibe, wenn die Last (10 kg) auf dem Boden aufgenommen wird, sowie beim Tragen der Last in Vorwärtsbiegung um 90°. Bei einer Vorwärtsbeuge von 45° beträgt die Dekompression der Bandscheibe 8%.

Schlussfolgerung

Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass das Exoskelett es ermöglicht, die Kräfte auf die Bandscheibe L4L5 zu reduzieren, unabhängig von der Lage der Last, der Masse der Last oder der Körperhaltung beim Tragen der Last. Bei Drehwinkeln zwischen 0° und 20° sowie bei Biegewinkeln von weniger als 45° wirkt das Gerät jedoch wirksamer.

Diese Ergebnisse können kritisiert werden, da es sich nicht um reale, aus der Bewegungserfassung resultierende Bewegung handelt, sondern um künstlich erzeugte Bewegung. Die erzielten Ergebnisse sind jedoch ermutigend. Es wäre relevant, eine ähnliche Studie auf der Grundlage realer Aufnahmen in Arbeitssituationen und in großem Maßstab durchzuführen.

Literaturhinweise

Bassani, T. (2017). Validation of the AnyBody full body musculoskeletal model in computing lumbar spine loads at L4L5 level.

INRS. (2018, 10 26). Récupéré sur INRS: http://www.inrs.fr/risques/lombalgies/statistique.html

Rajaee, M. A. (2005). Comparative evaluation of six quantitative lifting tools to estimate spine loads during static activities. Applied Ergonomics.

Rasmussen, J. (2009). Validation of a biomechanical model of the lumbar spine. 22nd Congress of the International Society of Biomechanics.

Wilke, H.-J. (2001). Intradiscal pressure together with anthropometric data – a data set for the validation of models. Clinical Biomechanics.

Zee, M. d. (2007). A generic detailed rigid-body lumbar spine model. Journal of biomechanics.

 

 

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