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

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

Fallstudie: Einfluss eines lumbalen Exoskeletts auf die Körperhaltung während der Manipulation

Die Forschungsabteilung von Japet in Partnerschaft mit der Ergonomieabteilung eines großen französischen Energiekonzerns.

1. Einführung

Erkrankungen der Lendenwirbelsäule sind in den Industrieländern immer häufiger anzutreffen. Es wird geschätzt, dass 80% der gegenwärtigen erwachsenen Bevölkerung an Kreuzschmerzen 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. Epidemiologische Studien sind sehr zahlreich und bestätigen eine ähnliche Prävalenz in den verschiedenen Industrieländern. Chronische Kreuzschmerzen, per Definition länger als drei Monate, betreffen 20% der Kreuzschmerzen, die zwischen 10% und 20% der Bevölkerung ausmachen, wobei das bevorzugte Alter zwischen 35 und 45 Jahren liegt.

Die LBP ist ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit und eine Belastung für die Wirtschaft, da sie erhebliche Kosten verursacht, die in Frankreich bis zu 20 Milliarden Euro pro Jahr erreichen können (Thevenon A., 2015) (Dogan C., 2016). Kreuzschmerzen sind eine der kostspieligsten Krankheiten für Unternehmen. Sie ist für 10% der Arbeitsunterbrechungen, alle Sektoren zusammen, und 13% der Invaliditätsfälle verantwortlich.

Ergonomen spielen eine sehr wichtige Rolle, da sie die mit dem Arbeitsplatz verbundenen Risiken untersuchen, um sie an die Bediener anzupassen. Wenn eine Anpassung des Arbeitsplatzes nicht möglich ist, wenden sich Ergonomen manchmal anderen Lösungen zu, wie der Robotisierung oder der Installation von Exoskeletten. Es ist jedoch notwendig, die Auswirkungen einer neuen Lösung vor, während und nach ihrer Umsetzung zu bewerten. In der Literatur werden am Arbeitsplatz eingesetzte Exoskelette als Hilfsmittel und Präventivmittel bezeichnet, um die Belastungen des Körpers und der verschiedenen Gelenke zu reduzieren. Bei dem Gerät, das wir zur Untersuchung vorschlagen, handelt es sich um ein medizinisches Exoskelett, das nicht darauf abzielt, Schmerzen zu verhindern oder zu lindern, um den Arbeitnehmern die Weiterbeschäftigung zu ermöglichen. Bei dieser Fallstudie handelt es sich um eine erste Bewertung der Implementierung eines Lendenexoskeletts bei einer schmerzhaften Rückentätigkeit am Arbeitsplatz: dem Tragen schwerer Lasten.

2. Materialien und Methoden

2.1. Anfahrt

Diese Fallstudie basiert auf einem Agenten eines französischen Energieunternehmens. Die Auswirkungen der Manipulation auf die Wirbelsäule variieren je nach Art des zu transportierenden Objekts, der Höhe und Entfernung der Lasten, der Art des Griffs und der Häufigkeit der Wiederholung der Bewegungen. Die vorgestellte Fallstudie ist Teil einer Arbeitsplatzstudie, die von einem Ergonomen und Arbeitspsychologen des Energieunternehmens durchgeführt wurde.

2.2. Zielpopulation

Dieses Exoskelett ist für eine Bevölkerung bestimmt, die an Schmerzen im unteren Rückenbereich leidet, insbesondere an Schmerzen im Zusammenhang mit mechanischen Pathologien. Nur eine Versuchsperson wurde für diese Fallstudie rekrutiert. Das Subjekt hat eine informierte Einwilligung erteilt. Die Freiwillige leidet an chronischen Schmerzen im unteren Rückenbereich.

2.3. Geräte und Instrumentierung

2.3.1. Lumbales Exoskelett

Das getragene Exoskelett ist eine dynamische Rumpforthese, die vertikale Zugkräfte ausübt, um den Druck auf die Lendenwirbelsäule zu reduzieren (Japet Medical, Frankreich). Das Gerät besteht aus zwei Gurten, einem auf den Hüften und einem auf den unteren Rippen. Diese beiden Gurte sind durch zwei Sätze von Aktuatoren verbunden, die auf beiden Seiten des Körpers positioniert sind.

Die vier Aktuatoren haben eine doppelte Aufgabe: die Beweglichkeit des Rumpfes bei gleichzeitiger Aufbringung der Zugkraft zu erhalten. Jeder Aktuator ist über ein Kugelgelenk mit den Gurten verbunden und stellt sich automatisch auf unterschiedliche Höhen ein, so dass der Rumpf der Bewegung des Rumpfes folgen kann (Abb. 1). Das Exoskelett hat vier Stufen der Zugkraft, 4 kg, 8 kg, 12 kg und 16 kg.

Fig. 1. Japet.W-Exoskelett zu diesem Thema während der Handhabung

2.3.2. System zur Bewegungserfassung

Die Haltungserfassung erfolgt mit Hilfe von elf inertialen Messeinheiten (TEA Captiv T-sens Motion, TEA), die auf Hände, Arme, Kopf, Brustbein, Rumpf (Lendenpartie), Oberschenkel und Schienbeine gelegt werden (Abb. 2). Die Datenerfassung wird mit 64 Hz durchgeführt. Die drahtlose Kommunikation zwischen den Sensoren und dem Datenlogger (TEA Captiv T-LOG, TEA) ermöglicht es dem Probanden, sich auf natürliche und realistische Weise zu bewegen. Die Daten werden sofort an den Computer übertragen, so dass die Bewegungen des Probanden über die Captiv-Software (TEA) visualisiert werden können. Diese Software führt für jede Aufnahme im .pdf-Format eine ergonomische Bewertung durch. Um die Verarbeitung zu erleichtern, werden die Daten jedoch im .csv-Format für die Analyse auf Matlab (MathWorks®) abgerufen.

Fig. 2. Die gelben Punkte befinden sich an der Stelle der Inertialmesseinheiten.

2.4. Experimentelles Verfahren

Eine erste Studie über den Arbeitsplatz eines Handhabungstechnikers wurde von dem Ergonomen durchgeführt. Da dieser Arbeitsplatz nicht an ergonomische Standards angepasst werden konnte, schlug der Ergonom vor, ein Lendenexoskelett zu testen, um seinen Rücken während seiner beruflichen Tätigkeit zu entlasten.

Nach Validierung der Indikationen des Gerätes mit dem Hersteller stellte der Ergonom dem Probanden das Exoskelett sowie den Verlauf der Studie vor. Der Betreiber gab seine informierte Zustimmung. Der Ergonom erhob anthropometrische Messungen, einschließlich Gewicht, Größe, Hüftumfang und Unterbrustumfang. Diese Messungen werden verwendet, um die richtige Größe des Geräts für den Test vorherzusagen.

Am Tag des Tests begaben sich ein Mitglied des Japet-Teams und der Ergonom in den Lagerschuppen, in dem die Testperson arbeitet. Die Versuchsperson wird über den Betrieb des Geräts und die während des Tests durchgeführten Messungen informiert. Die Testperson versuchte dann, sich am Exoskelett mit dem Produkt und seiner Kontrollschnittstelle vertraut zu machen. Danach wurde das Exoskelett entfernt, um die Trägheitsmesseinheiten (Inertial Measurement Units, IMU) zu platzieren. Schließlich wurde das Exoskelett wieder angebracht, 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). Das Subjekt wird angewiesen, die Aufgaben auf möglichst natürliche Weise auszuführen. Die gleichen Aufgaben werden ohne Gerät und mit Gerät (Zugkraft von 2 kg/Aktor) wiederholt.

Es werden sechs Aufnahmen gemacht (Abb. 3). Die IMU wird mit Hilfe der Captiv-Software für jeden von ihnen kalibriert. Um die Kalibrierung durchzuführen, muss die Testperson eine orthostatische Position mit für 10 s ausgestreckten Armen beibehalten.


Fig. 3. Fotos, die die 2 Bedingungen für die 3 Aufgaben zeigen

3. Ergebnisse

Jedes von der IMU definierte Segment wird als ein starrer, nicht verformbarer Festkörper angenommen. Die Verbindungen zwischen den Segmenten werden als perfekt ohne Freiheitsgrad (DOF) in der Übersetzung angenommen. Die IMU kann dann die Winkel bewerten, die von den Gelenken des Nackens (3 FOD), des Rückens (3 FOD), der Schultern (3 FOD), der Ellenbogen (2 FOD), der Handgelenke (2 FOD), der Hüften (3 FOD) und der Knie (2 FOD) gebildet werden. In dieser Studie sind wir nur an den drei Winkeln des Rückens interessiert.

3.1. Entladen von Kartons

Beim Entladen der Kartons dauerte der Erwerb während der gesamten Aktivität (78s), d.h. es wurden mehrere Kartons bewegt.
Die 2D-Grafiken (Abb. 4) zeigen die Daten ohne das Gerät (blau) und die Daten mit dem Gerät (cyan).

Fig. 4. Streudiagramm, das die Rückenwinkel (Biege-Ausdehnungswinkel als Funktion der seitlichen Neigung) beim Entladen von Kartons zeigt.

Daten ohne das Gerät sind weiter verstreut als Daten mit dem Gerät.

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

Komfort-Zone Risikobereich Gefahrenzone
Biegen der Verlängerung ]-10°;35°[ [-20°;-10°] und [35°;45°] ˂ -20° und > 45°
Seitliche Neigung ]-10°;10°[ [-20°;-10°] und [10°;20°] ˂ -20° und > 20°
Drehung axiale ]-15°;15°[ [-30°;-15°] und [15°;30°] ˂ -30° und > 30°

Tabelle 1. Winkelbereiche 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 quantifizieren. 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.

Unten finden Sie den prozentualen Anteil der Zeit, die in jedem Bereich für das Entladen der Kartons aufgewendet wird:

Fig. 5. Prozentualer Anteil der in den verschiedenen Winkelzonen während der Kartonentladung verbrachten Zeit

Der Proband verbrachte mit dem Gerät mehr Zeit in der Komfortzone als ohne, und zwar in Flexion-Extension, lateraler Neigung und axialer Rotation. Er verbrachte mit dem Gerät weniger Zeit in den Risiko- und Gefahrenzonen.

3.2. Lagerung von Reifen in Regalen

Um die Tätigkeit des Betreibers nicht zu stören, wurde der Erwerb mit der Lagerung von nur zwei Reifen (16er) durchgeführt.

Fig. 6. Streudiagramm, das die Rückenwinkel (Beuge-/Extensionswinkel als Funktion der Seitenneigung) während der Reifenlagerung darstellt.

Die Abbildung (Abb. 6) zeigt keinen signifikanten Unterschied in der Streuung zwischen den Kurven ohne und mit dem Gerät.
Der Prozentsatz der in jeder Komfortzone verbrachten Zeit für den Lagerreifen ist wie folgt :

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

Der Proband verbrachte mit dem Gerät mehr Zeit in der Flexions-Extensions-Komfortzone als ohne (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 verbringt der Proband mit oder ohne das Gerät 100% der Zeit in der Komfortzone bei lateraler Neigung und in der Komfortzone bei axialer Rotation.

3.3. Bewegen einer Gasflasche

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

Fig. 8. Streudiagramm zur Darstellung der Rückenwinkel (Biege- und Streckwinkel in Abhängigkeit von der Seitenneigung) bei der Bewegung der Gasflaschen.

Daten mit dem Gerät scheinen weniger verstreut zu sein als Daten ohne das Gerät.
Der Prozentsatz der in jeder Komfortzone verbrachten Zeit für den sich bewegenden Gaszylinder ist wie folgt

Fig. 9. Prozentualer Anteil der Zeit, die während der Aufgabe des sich bewegenden Gaszylinders in den verschiedenen Winkelzonen verbracht wurde

Bei der Flexion-Extension verbrachte der Proband 78,9% der Zeit in der Komfortzone, 14,6% in der Risikozone und 6,5% in der Gefahrenzone ohne das Gerät. Mit dem Gerät verbrachte er 89% der Zeit in der Komfortzone Flexion-Extension und 11% in der Risikozone.

Die Versuchsperson verbrachte 37,1% der Zeit in der Komfortzone in Seitenneigung ohne das Gerät, 46,5% in der Risikozone und 16,4% in der Gefahrenzone. Mit dem Gerät verbrachte er 35,2% der Zeit in der Komfortzone und 64,8% der Zeit in der Risikozone.

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

4. Diskussion

Das Gerät scheint einen allgemein positiven Einfluss auf die Körperhaltung des Operateurs zu haben. Tatsächlich fallen zwei der neun Diagramme auf: die Biege-Dehnungs-Bewegung während der Reifeneinlagerung und die seitliche Neigung während der Gasflaschenbewegung.

Während der Einlagerung des Reifens sind die Ergebnisse der Flexion-Extension fragwürdig. Zwar ist die Zeit, die in der Komfortzone verbracht wird, mit dem Gerät wichtiger als ohne, aber die Gefahrenzone ist mit dem Gerät wichtiger als ohne. Fasst man die in den Risiko- und Gefahrenzonen verbrachte Zeit zusammen, so zeigt sich, dass der Bediener ohne das Gerät 50,6 % der Zeit in einer schlechten Körperhaltung und mit dem Gerät 34,2 % der Zeit in einer schlechten Körperhaltung verbrachte. Beachten Sie, dass das Gerät nicht für den Betrieb mit Armen in der Luft ausgelegt ist. Dies könnte die schlechten Ergebnisse bei der Lagerung von Reifen in einem Hochregal erklären.

Hinsichtlich der Ergebnisse des seitlichen Kippens beim Bewegen der Gasflasche verbrachte der Bediener fast ebenso viel Zeit in der Komfortzone ohne und mit dem Gerät (37,1% bzw. 35,2%). Der prozentuale Anteil der Zeit, die mit dem Gerät in der Gefahrenzone verbracht wird, ist deutlich höher als ohne das Gerät, aber durch das Tragen des Geräts kann der Bediener es vermeiden, eine Position in der Gefahrenzone einzunehmen. Fasst man die im Risiko- und Gefahrenbereich verbrachte Zeit zusammen, so zeigt sich, dass der Bediener ohne das Gerät 62,9 % der Zeit in einer schlechten Körperhaltung und mit dem Gerät 64,8 % der Zeit in einer schlechten Körperhaltung verbrachte.

Das Ergebnis dieser Fallstudie ist daher sehr ermutigend.

Diese Vorarbeit hat jedoch viele Einschränkungen. Zunächst einmal handelt es sich um eine Fallstudie eines einzelnen Betreibers. 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 notwendigerweise das Arbeitstempo des Bedieners 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 zeigte, dass das Gerät in 88,9 % der Anwendungsfälle einen positiven Einfluss auf die vom Bediener eingenommene Körperhaltung hat. Um diese ermutigenden Daten zu bestätigen, sind weitere Auswertungen erforderlich.

6. Danksagungen

Wir möchten dem ehrenamtlichen Operator und seinem Manager für die Zeit danken, die sie dieser Studie gewidmet haben.

7. Literaturhinweise

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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