Fallstudie – Einfluss des Japet.W-Exoskeletts auf die Körperhaltung

Ergebnisse der Fallstudie, die in Zusammenarbeit mit einem großen französischen Energiekonzern durchgeführt wurde, über die Auswirkungen des Japet.W-Exoskeletts auf die Körperhaltung während der manuellen Handhabung.

Fallstudie: Einfluss eines Lenden-Exoskeletts auf die Körperhaltung während der Handhabung

In Zusammenarbeit zwischen der Forschungsabteilung bei Japet und der Ergonomie-Abteilung eines großen französischen Energiekonzerns.

1. Einleitung

Erkrankungen der Lendenwirbelsäule sind in den Industrieländern immer häufiger anzutreffen. Es wird geschätzt, dass 80 % der erwachsenen Bevölkerung derzeit an Schmerzen im unteren Rücken leidet oder leiden wird, mit einer jährlichen Prävalenz von 30 % (Olivier N., 2016). Diese Häufigkeit hat sich in Frankreich zwischen 1980 und 2000 mehr als verdreifacht. Zahlreiche epidemiologische Studien wurden durchgeführt, die eine ähnliche Prävalenz in den verschiedenen Industrieländern bestätigen. Chronische Kreuzschmerzen, die per Definition länger als drei Monate andauern, machen 20 % der Kreuzschmerzen insgesamt aus. Dies betrifft zwischen 10 % und 20 % der Bevölkerung, wobei das bevorzugte Alter zwischen 35 und 45 Jahren liegt.

Rückenschmerzen sind ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit und eine Belastung für die Wirtschaft, da sie erhebliche Kosten verursachen, die in Frankreich bis zu 20 Milliarden Euro pro Jahr erreichen können (Thevenon A., 2015) (Dogan C., 2016). Rückenschmerzen (Lumbalgie) sind eine der kostspieligsten Krankheiten für Unternehmen. Sie sind für 10 % der Arbeitsausfälle (in allen Sektoren zusammen) und für 13 % der Invaliditätsansprüche verantwortlich.

Ergonomen spielen eine sehr wichtige Rolle, da sie die mit dem Arbeitsplatz verbundenen Risiken untersuchen, um die Arbeitsplätze schließlich besser an die Beschäftigten anzupassen. Wenn eine Anpassung des Arbeitsplatzes nicht möglich ist, wenden sich Ergonomen manchmal anderen Lösungen zu, wie der Robotisierung oder der Nutzung von Exoskeletten. Allerdings ist es notwendig, dass die Auswirkungen einer neuen Lösung vor, während und nach ihrer Einführung bewertet werden. In der Literatur werden am Arbeitsplatz eingesetzte Exoskelette als Hilfs- und Präventivmittel bezeichnet, die darauf abzielen, die Belastung des Körpers und der verschiedenen Gelenke zu reduzieren. Bei dem Gerät, das wir zu untersuchen vorschlagen, handelt es sich um ein medizinisches Exoskelett, das nicht zur Vorbeugung, sondern zur Linderung von Schmerzen eingesetzt wird, um die Weiterbeschäftigung der Arbeitnehmer zu ermöglichen. Diese Fallstudie ist eine erste Bewertung des Einsatzes eines Exoskeletts für den Lendenbereich bei einer Arbeitstätigkeit, die sich schmerzhaft auf den Rücken auswirkt: das Tragen schwerer Lasten.

2. Materialien und Methoden

2.1. Herangehensweise

Diese Fallstudie wird an einem Mitarbeiter im ENGIE-Zentrum in Bry-sur-Marne (Region Paris, Frankreich) durchgeführt. Die Auswirkungen der Lastenhandhabung auf die Wirbelsäule hängen von der Art der zu tragenden Last, der Höhe und der Entfernung der Last, der Art des Griffs und der Häufigkeit der Bewegungswiederholungen ab. Die vorgestellte Fallstudie ist Teil einer Arbeitsplatzstudie, die von einem Ergonomen und Arbeitspsychologen von ENGIE durchgeführt wurde.

2.2. Zielgruppe

Dieses Exoskelett ist für Personen gedacht, die an Schmerzen im Lendenbereich leiden, insbesondere an Schmerzen im Zusammenhang mit mechanischen Pathologien. Für diese Fallstudie wurde eine Person rekrutiert, deren informierte Einwilligung gegeben wurde. Die Testperson (X Jahre alt, Y kg schwer, Z m) leidet an chronischen Schmerzen im unteren Rückenbereich.

2.3. Ausrüstung und Ausstattung

2.3.1. Exoskelett für den Lendenbereich

Das getragene Exoskelett ist eine dynamische Rumpforthese, die vertikale Zugkräfte aufbringt, um den Druck auf die Lendenwirbelsäule zu verringern (Japet Medical, Frankreich). Das Gerät besteht aus zwei Gurten, einer wird auf der Hüfte und einer auf den unteren Rippen positioniert. Diese beiden Gurte sind durch zwei Sätze von Aktuatoren verbunden, die sich auf beiden Seiten des Körpers befinden.

Die vier Aktuatoren erfüllen eine doppelte Aufgabe: Sie erhalten die Beweglichkeit des Rumpfes und üben gleichzeitig die Zugkraft aus. Jeder Aktuator ist über ein Kugelgelenk mit den Gurten verbunden und passt sich automatisch an unterschiedliche Höhen an, sodass er der Bewegung des Rumpfes folgen kann (Abb. 1). Das Exoskelett verfügt über vier Zugkraftstufen: 4 kg, 8 kg, 12 kg und 16 kg.

Exoskelett Japet.W

Abb. 1: Die Testperson trägt das Exoskelett Japet.W während der manuellen Handhabung

2.3.2. System zur Bewegungserfassung

Die Erfassung der Körperhaltung erfolgt mit Hilfe von elf Inertial Measurement Units (TEA Captiv T- sens Motion, TEA), die an Händen, Armen, Kopf, Brustbein, Rumpf (Lendenwirbelbereich), Oberschenkeln und Schienbeinen angebracht sind (Abb. 2). Die Datenerfassung erfolgt mit 64 Hz.

Die drahtlose Kommunikation zwischen den Sensoren und dem Datenlogger (TEA Captiv T-LOG, TEA) ermöglicht es der Testperson, sich auf natürliche und realistische Weise frei zu bewegen. Die Daten werden sofort an den Computer übertragen, so dass die Bewegungen der Testperson über die Captiv-Software (TEA) visualisiert werden können. Diese Software führt eine ergonomische Bewertung für jede Aufzeichnung im .pdf-Format durch. Um die Verarbeitung zu erleichtern, werden die Daten jedoch im .csv-Format für die Analyse auf Matlab (MathWorks®) abgerufen.

Abb. 2. Die gelben Punkte markieren die Standorte der Inertial Measurement Units.

2.4 Experimentelles Verfahren

Eine erste Studie über den Arbeitsplatz eines Umschlagarbeiters wurde von einem Ergonomen durchgeführt. Dieser Arbeitsplatz kann nicht ergonomisch angepasst werden, weshalb der Ergonom vorschlug, ein Lenden-Exoskelett zu testen, um den unteren Rücken des Mitarbeiters während seiner Arbeitstätigkeit zu entlasten.

Nach Validierung der Indikationen des Geräts mit dem Hersteller, stellte der Ergonom der Testperson das Exoskelett sowie den Ablauf der Studie vor. Die Testperson gab ihre informierte Zustimmung. Der Ergonom nahm anthropometrische Maße der Testperson wie Gewicht, Größe, Hüft- und Unterbrustumfang. Anhand dieser Messungen ließ sich die richtige Größe des Geräts für den Test ermitteln.

Am Tag des Tests begab sich ein Mitglied des Japet-Teams zusammen mit dem Ergonomen in die Lagerhalle, in der die Testperson arbeitet. Die Testperson wurde kurz über die Funktionsweise des Geräts und die während des Tests durchgeführten Messungen informiert. Anschließend probierte die Testperson das Exoskelett aus, um sich mit dem Produkt und seiner Bedienung vertraut zu machen. Danach wurde das Exoskelett entfernt, um die Inertial Measurement Units (IMU) zu platzieren. Schließlich wurde das Exoskelett wieder angelegt, um zu überprüfen, ob es nicht auf die IMU drückt.

Der Test umfasst drei verschiedene Aufgaben: das Entladen von Kartons (zwei Paletten werden auf den Boden gestellt, die Testperson übergibt den Karton von einer Palette auf die andere), die Lagerung von Reifen in Regalen (die Testperson muss einen Reifen vom Boden auf ein 1,5 m hohes Regal heben) und das Bewegen einer Gasflasche (die Testperson muss eine Gasflasche vom Boden heben und sie 5 m weiter wieder auf den Boden stellen). Die Testperson wird angewiesen, die Aufgaben auf möglichst natürliche Weise auszuführen. Die gleichen Aufgaben werden ohne und mit Gerät (Zugkraft von 2 kg/Aktuator) wiederholt.

Es werden sechs Aufzeichnungen gemacht (Abb. 3). Für jede von ihnen wird die IMU-Kalibrierung mit der Captiv-Software durchgeführt. Für die Kalibrierung muss die Testperson eine orthostatische Position einnehmen, wobei die Arme 10 Sekunden lang ausgestreckt werden.

Körperhaltung der Fotos

Abb. 3. Fotos, die die 2 Konditionen für die 3 Aufgaben darstellen

3. Ergebnisse

Jedes von der IMU definierte Segment wird als starrer, nicht verformbarer Körper vorausgesetzt. Es wird angenommen, dass die Verbindungen zwischen den Segmenten perfekt ohne Freiheitsgrade (DOF) in der Translation sind. Die IMU ermöglicht dann die Beurteilung der Winkel, die von den Gelenken des Halses (3 DOF), des Rückens (3 DOF), der Schultern (3 DOF), der Ellenbogen (2 DOF), der Handgelenke (2 DOF), der Hüften (3 DOF) und der Knie (2 DOF) gebildet werden. In dieser Studie beschäftigen wir uns lediglich mit den drei Winkeln des Rückens.

3.1. Entladen der Kartons

Beim Entladen der Kartons dauerte die Erfassung während der gesamten Aktivität (78s), d.h. es wurden mehrere Kartons bewegt. Die 2D-Grafiken (Abb. 4) zeigen die Daten ohne das Tragen des Geräts (dunkelblau) und die Daten beim Tragen des Geräts (cyan).

Abb. 4. Streudiagramm zur Darstellung der Rückenwinkel (Flexions-Extensions-Winkel in Abhängigkeit von der Seitenneigung) beim Entladen der Kartons.

Die erfassten Daten ohne das Exoskelett sind stärker gestreut als die Daten beim Tragen des Exoskeletts.

Die Abszissen- und Ordinatenachsen haben drei Farben, die sich auf die drei Winkelbereiche des Rückens (Tabelle 1.) beziehen, die üblicherweise von Ergonomen verwendet werden. Die CAPTIV- Referenzen: die Komfortzone (grün), die Risikozone (orange) und die Gefahrenzone (rot).

Komfortzone
Risikozone
Gefahrenzone
Flexion-Extension
]-10°;35°[ [-20°;-10°] und [35°;45°] ˂ -20° und > 45°
Laterale Flexion
]-10°;10°[ [-20°;-10°] und [10°;20°] ˂ -20° und > 20°
Axiale Rotation
]-15°;15°[ [-30°;-15°] und [15°;30°] ˂ -30° und > 30°

Tabelle 1. Winkelzonen des Rückens

Durch den Vergleich der Erfassungsdaten mit der Tabelle der Rückenwinkelzonen (Tabelle 1) ist es möglich, den prozentualen Anteil der in jeder Zone verbrachten Zeit zu bestimmen. Dazu ist es notwendig, ein Postulat über die Winkelkombinationen zu erstellen, die in dieser Tabelle nicht berücksichtigt sind. Wir trafen die Entscheidung, nicht die Bewegungskombinationen zu berücksichtigen, sondern die drei Winkel (Flexion-Extension, laterale Neigung und axiale Rotation) unabhängig voneinander zu betrachten.

Im Folgenden finden Sie den prozentualen Anteil der Zeit, der beim Entladen der Kartons in den einzelnen Bereichen verbracht wurde:

Abb. 5. Prozentualer Anteil, der in den verschiedenen Winkelzonen verbrachten Zeit, während der Entladung der Kartons

Die Testperson verbrachte beim Tragen des Geräts mehr Zeit in der Komfortzone als ohne das Gerät, sowohl bei der Flexion-Extension, der lateralen Neigung als auch bei der axialen Rotation. Dank des Geräts verbrachte die Testperson weniger Zeit in Risiko- und Gefahrenzonen.

3.2. Lagerung von Reifen in Regalen

Um die Tätigkeit des Betreibers nicht zu stören, wurde die Aufnahme über die Lagerung von zwei Reifen (16s) durchgeführt.

Abb. 6. Streudiagramm, das die Rückenwinkel (Beuge-/Extensionswinkel in Abhängigkeit von der Seitenneigung) während der Reifenlagerung darstellt.

Die Abbildung (Abb. 6) zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen der Streuung der Kurven ohne und mit Gerät.

Der prozentuale Anteil, der in den einzelnen Bereichen während der Reifeneinlagerung verbrachten Zeit, ist nachstehend aufgeführt:

Abb. 7. Prozentualer Anteil, der in den verschiedenen Winkelzonen verbrachten Zeit, während der Reifeneinlagerung

Die Testperson verbrachte mit dem Gerät mehr Zeit in der Komfortzone bei Flexion-Extension als ohne Gerät (65,8 % der Zeit bzw. 49,4 % der Zeit). Die Verweildauer in der Risikozone wurde mit dem Gerät reduziert (13,3 % mit dem Gerät und 42,6 % ohne Gerät). Die Verweildauer im Gefahrenbereich nimmt mit dem Gerät zu (20,9 % mit Gerät und 8 % ohne Gerät).

Schließlich verbrachte die Testperson mit oder ohne das Gerät 100 % der Zeit in der Komfortzone bei lateraler Neigung und bei axialer Rotation.

3.3. Bewegen einer Gasflasche

Aus den gleichen Gründen wie beim Reifeneinlagerungstest, wurde die Erfassung für die Bewegung einer einzelnen Gasflasche (13s) durchgeführt.

Abb. 8. Streudiagramm, das die Rückenwinkel (Beuge-/Extensionswinkel in Abhängigkeit von der Seitenneigung) während der Bewegung der Gasflasche darstellt.

Die Daten beim Tragen des Exoskeletts scheinen weniger gestreut zu sein als die Daten ohne das Exoskelett.

Der prozentuale Anteil, der in den verschiedenen Winkelzonen während der Bewegung der Gasflasche verbrachten Zeit, ist nachstehend aufgeführt:

Abb. 9. Prozentualer Anteil, der in den verschiedenen Winkelzonen verbrachten Zeit, während der Bewegung der Gasflasche

Bei der Flexion-Extension verbrachte die Testperson ohne das Tragen des Geräts 78,9 % der Zeit in der Komfortzone, 14,6 % in der Risikozone und 6,5 % in der Gefahrenzone. Beim Tragen des Geräts verbrachte die Testperson 89 % der Zeit in der Komfortzone und 11 % in der Risikozone.

Bei der lateralen Flexion verbrachte die Testperson ohne das Tragen des Geräts 37,1 % der Zeit in der Komfortzone, 46,5 % in der Risikozone und 16,4 % in der Gefahrenzone. Beim Tragen des Geräts verbrachte die Testperson 35,2 % der Zeit in der Komfortzone, 64,8 % in der Risikozone.

Schließlich verbrachte die Testperson mit oder ohne das Gerät 100 % der Zeit in der Komfortzone bei axialer Rotation.

4. Diskussion

Das Gerät scheint einen allgemein positiven Einfluss auf die vom Nutzer eingenommenen Körperhaltungen zu haben. Tatsächlich stechen zwei der neun Diagramme hervor: die Beuge-Streck-Bewegung während der Reifeneinlagerungsaufgabe und die seitliche Neigung während der Aufgabe, die Gasflasche zu bewegen.

Während der Aufgabe Reifen einzulagern, sind die Ergebnisse bei der Beugung und Streckung fragwürdig. Zwar ist die Zeit, die in der Komfortzone verbracht wird, mit dem Gerät größer als ohne, jedoch ist die verbrachte Zeit in der Gefahrenzone mit dem Gerät größer als ohne. Wenn man die Zeit zusammenfasst, die der Benutzer in der Risiko- und der Gefahrenzone verbracht hat, zeigt sich, dass er ohne das Gerät 50,6 % der Zeit in einer schlechten Haltung und mit dem Gerät 34,2 % der Zeit in einer schlechten Haltung verbracht hat. Beachten Sie, dass das Gerät nicht für Tätigkeiten mit erhobenen Armen konzipiert ist. Dies könnte die schlechten Ergebnisse bei der Lagerung von Reifen in einem Hochregal erklären.

Hinsichtlich der Ergebnisse bei seitlicher Neigung während der Bewegung der Gasflasche, verbrachte die Testperson fast gleich viel Zeit in der Komfortzone ohne und mit dem Gerät (37,1 % bzw. 35,2 %). Der prozentuale Anteil der Zeit, der beim Tragen des Geräts in der Risikozone verbracht wurde, ist wesentlich höher als ohne das Gerät, aber das Tragen des Geräts sorgt dafür, dass der Nutzer keine Position in der Gefahrenzone einnimmt. Fasst man die Zeit zusammen, die in der Risiko- und der Gefahrenzone verbracht wurde, zeigt sich, dass der Benutzer 62,9 % der Zeit ohne das Gerät und 64,8 % der Zeit mit dem Gerät in einer schlechten Körperhaltung verbrachte.

Das Ergebnis dieser Fallstudie ist daher sehr ermutigend.

Diese vorläufige Arbeit weist jedoch zahlreiche Einschränkungen auf. Zunächst einmal handelt es sich um eine Fallstudie eines einzelnen Benutzers. Diese Studie sollte auf einen größeren Maßstab ausgedehnt werden. Zweitens hat es kaum Doppelarbeit gegeben. Tatsächlich ist es schwierig, Messungen in realen Arbeitssituationen durchzuführen, da die Umsetzung des Protokolls zwangsläufig das Arbeitstempo des Nutzers verlangsamt. Drittens wäre es interessant, eine Ganzkörperstudie durchzuführen, um die Auswirkungen des Geräts auf die anderen Gelenke des Körpers zu analysieren.

5. Schlussfolgerung

Diese vorläufige Fallstudie hat gezeigt, dass sich das Gerät in 88,9 % der genutzten Zeit positiv auf die Körperhaltung der Testperson ausgewirkt hat. Um diese ermutigenden Daten zu bestätigen, ist eine umfassendere Bewertung erforderlich.

6. Danksagung

Wir möchten der freiwilligen Testperson und dem Manager für die Zeit danken, die sie sich für diese Studie genommen haben.

7. Quellen

Dogan C., D. A. (2016). Gender as a modifying factor influencing myotonic dystrophy type 1 phenotype severity and mortality: A nationwide multiple databases cross-sectional observational study. PloS One, 11(2):e0148264.

Olivier N., B. J. (2016). Evaluation of muscle oxygenation by near infrared spectroscopy in patients with facioscapulohumeral muscular dystrophy. NeuromusculDisord NMD, 26(1):47-55.

Thevenon A., G. F. (2015). Collection of normative date for spatial and temporal gait parameters in a sample of French children aged between 6 and 12. Ann. PhysRehabil Med., 58(3):139-44.

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