книги / Статика в задачах биомеханики

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

Разработка и внедрение новых методов количественной оценки влияния функциональных нагрузок на биомеханическое состояние опорно-двигательного аппарата человека является важной и актуальной задачей, поскольку позволяет обосновать выбор ин- женерно-конструкторских решений, направленных на решение задачи обеспечения производственной безопасности в части защиты персонала от негативного воздействия тяжести трудового процесса. На сегодняшний день в современной индустрии существует значительное количество рабочих мест, на которых по тем или иным причинам отсутствует возможность полной автоматизации или механизации производственных процессов. Это обусловливает необходимость внедрения профилактических мер, направленных на защиту работников от негативных последствий тяжести физического труда и, как следствие, сохранение профессионального здоровья и трудового долголетия. Одной из мировых тенденций Индустрии 4.0 является внедрение в производственные процессы экзоскелетных технологий [1]. В настоящее время наблюдается существенный рост использования промышленных экзоскелетов на производственных объектах [11, 14, 63, 69]. По мнению многих исследователей, промышленные экзоскелеты могут представлять перспективную группу средств индивидуальной защиты опорнодвигательного аппарата человека, способных увеличивать производительность физического труда [50, 79, 94]. В то же время известно, что конструктивные особенности и массогабаритные характеристики промышленных экзоскелетов могут не только повышать эффективность производственной деятельности, но и негативно влиять на функциональное состояние работников.

Разработке экспериментальных методик объективной количественной оценки влияния промышленных экзоскелетов на орга-

51

низм человека посвящены исследования, проводящиеся в лаборатории средств индивидуальной защиты и промышленных экзоскелетов Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова». Так, например, в 2021 году для подтверждения эффективности применения экзоскелетов при выполнении производственных задач было проведено исследование, посвященное разработке методики объективного подтверждения снижения нагрузки на мышечный аппарат путем инструментального измерения локального мышечного утомления.

2.1. Экспериментальные методы количественной оценки состояния скелетной мускулатуры

Утомление является основным фактором, лимитирующим осуществление двигательной деятельности человека. Помимо общего положительного эффекта, заключающегося в предупреждении истощения систем организма под действием физических нагрузок, превышающих его физиологические возможности, утомление может негативно сказываться на уровне работоспособности человека [17, 42], так как приводит к увеличению физиологической стоимости выполнения работы и снижению физиологических резервов организма [27]. Неполноценное восстановление ресурсов организма в периоды отдыха может вызвать более серьезные последствия в виде перенапряжения и переутомления, которые плохо поддаются коррекции и, в свою очередь, могут стать причиной развития заболеваний [17].

Процесс утомления сопровождается снижением сократительной способности мышц, изменением их биомеханических свойств и биоэлектрической активности [26]. О возникновении процессов утомления свидетельствуют изменения в составе крови и динамика показателей состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем [39]. Ранняя диагностика вышеописанных изменений, характеризующих утомление, может способствовать предотвращению его дальнейшего развития в переутомление и перенапряжение. Тем не менее мониторинг состояния сердечно-сосудистой и дыхатель-

52

ной систем не всегда информативен и объективен, а анализ динамики биохимических маркеров интенсивной мышечной деятельности требует инвазивных манипуляций под контролем медицинского персонала, что является существенным ограничением для повсеместного использования данного метода. Ввиду этого диагностически эффективными могут быть процедуры, касающиеся регистрации измененийхарактеристикскелетных мышц.

Наиболее распространенными методами оценки состояния скелетной мускулатуры являются: мануальное тестирование (пальпаторное определение мышечного тонуса), динамометрия (определение силы и выносливости мышц) и электромиография (ЭМГ) (определение биоэлектрической активности мышц) [22]. Помимо этого, в последние годы начинают использовать тензомиографию, миотонометрию и ультразвуковые методы оценки состояния скелетной мускулатуры [49, 74, 78]. На данный момент ведутся исследования по определению возможности их широкого применения, а также разрабатываются конкретные методики для решения задач различных областей медицины. Использование ультразвуковых методов часто затруднено ввиду габаритных особенностей оборудования и невозможности проведения исследований в «полевых» условиях. Тензомиографический метод предусматривает проведение электрической стимуляции мышц, что на практике оказывается не всегда приемлемо. На этом фоне наиболее доступным методом является миотонометрия – метод исследования функционального состояния мышцпутемизмерения мышечного тонуса [90].

Новейшим прибором, позволяющим проводить миотонометрические измерения, является устройство для неинвазивной цифровой пальпации MyotonPRO (Myoton AS, Эстония). В основе принципа определения параметров мышечного тонуса с помощью данного устройства лежит функциональная модель мышцы, предложенная Вайном в 1990 году [105]. Помимо определения тонуса мышцы, с помощью данного прибора можно получить информацию о биомеханических и вязкоупругих характеристиках мышечной ткани [83, 102].

53

Имеющиеся теоретические данные [105, 102] об информативности значений биомеханических и вязкоупругих свойств мышцы при развитии в ней процессов утомления подтверждаются результатами экспериментальных работ по исследованию свойств мышц после выполнения физических нагрузок у спортсменов [53, 64, 73–76, 79, 82, 93]. В то же время все больше исследований направлено на определение надежности использова-

ния MyotonPRO [52, 65, 74, 78, 88, 94, 98, 99, 105].

Выявленные в эксперименте статистически значимые изменения биомеханических и вязкоупругих характеристик мышц, возникающие при локальных мышечных нагрузках, следует рассматривать как маркеры развившегося локального мышечного утомления, а миотонометрический метод исследования можно использовать для его диагностики. При этом изменения значений миотонометрических показателей активных мышц могут быть обнаружены уже при возникновении субъективного ощущения утомления, но в то же время локальное мышечное утомление не влияет на изменение показателей миотонометрии, не задействованных в выполнении производственной задачи мышц.

Учитывая, что конструкция промышленных экзоскелетов, предназначенных для снижения негативного воздействия тяжести трудового процесса на опорно-двигательный аппарат человека, обеспечивает перераспределение внешней нагрузки на тело человека, предложенная методика позволяет объективно подтвердить разгрузку целевых групп мышц при выполнении рабочих задач с использованием экзоскелета.

2.2. Экспериментальные методы количественной оценки влияния экзоскелета на биомеханику движений человека

Другой не менее важной клинической задачей является задача обеспечения комфортного и безопасного использования экзоскелетов на промышленных производствах. В первую очередь это связано с тем, что конструкция экзоскелета может существенно ограни-

54

чивать объем движений в суставах и негативно сказываться на мобильности персонала. Данный фактор непосредственно влияет на безопасность нахождения сотрудников на территории промышленного предприятия, особенно в случае возникновения внештатных ситуаций. Для решения задачи подтверждения безопасности использования экзоскелетов на промышленном производстве требуется разработкаметодик объективной количественнойоценки влияния конструктивно-механических и массогабаритных характеристик экзоскелета на биомеханику движенийработника.

Одним из классических и доступных современных экспериментальных способов регистрации амплитуды движений в суставах человека является гониометрия. Данный метод позволяет изолированно изучать отведение, приведение, сгибание, разгибание и ротацию в суставах непосредственно во время исследования [61, 67, 66, 69]. Несмотря на это, метод является трудноприменимым для испытаний промышленных экзоскелетов, поскольку их конструктивные особенности, а также наличие других средств индивидуальной защиты ограничивают доступ к сегментам тела работника и нарушают методику измерения.

Другим методом исследования динамико-кинематических характеристик двигательной деятельности человека является технология «захвата движений» (Motion Capture). Системы захвата движений разделяют на оптические и электромеханические.

Оптические системы основаны на видеорегистрации движения испытуемого с закрепленными на его теле светоотражающими маркерами и последующим преобразованием видеоданных в 3D-модель движения. Зарубежные исследователи успешно применяют оптические системы захвата движений. Например, использование оптической системы Vicon (Oxford, UK) позволило установить ограничение амплитуд движений работника, применяющего экзоскелет для поддержки верхних конечностей [90]. При этом использование оптических систем не лишено недостатков [69]. При движениях светоотражающие маркеры могут перекрываться сегментами тела человека, что ведет к снижению дос-

55

товерности исследования. Кроме того, применение промышленного экзоскелета может предполагать использование работником средств индивидуальной защиты, не позволяющих корректно разместить маркеры на сегментах тела испытуемого.

Вышеупомянутую проблему позволяет решить технология «захвата движений», основанная на применении инерциальных измерительных датчиков, которые способны регистрировать компоненты линейных и угловых ускорений, угловую скорость и направление вектора магнитного поля Земли в трехмерной системе координат. Активное развитие данной технологии за последние годы позволило сделать датчики функциональными и надежными. Наиболее ярким представителем на мировом рынке, предлагающим использование инерциальных измерительных датчиков

(Inertial Measurement Unit (IMU)-датчиков) для захвата движений человека, является Xsens Technologies B.V. (Нидерланды). Компания разработала специальный костюм со встроенными сенсорами, который применяют для количественной оценки амплитуд движений в суставах и сочленениях тела человека. Примером работ в данной области является биомеханическое исследование рабочих поз и движений в испытаниях промышленного экзоскелета Laevo (Нидерланды) [1, 67]. Одним из достоинств применения данной технологии при испытании эксплуатационных характеристик промышленных экзоскелетов является возможность количественно описать ограничения на диапазон движений в суставах, обусловленные влиянием экзоскелета на опорно-двигательный аппарат работника непосредственно на производстве, т.е. в условиях ограниченного пространства, в труднодосягаемых рабочих зонах, при отсутствии возможности нахождения в них исследователей.

В 2020 году на клинической базе Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова» было проведено исследование влияния конструктивных характеристик промышленных экзоскелетов Exochair и ExoAtlant на биомеханические параметры движений добровольцев.

56

Образец промышленного экзоскелета Exochair (ПЭ-1) представляет собой носимую опору, предназначенную для сидения (производства ООО «Полезные роботы», г. Москва, Россия). Данная модель разработана для уменьшения негативного влияния статических нагрузок на работников физического труда, в частности при поддержании рабочей позы «стоя» (см. рис. 2.1, а). Масса устройства – 6 кг, допустимый рост пользователя – от 165 до 195 см.

Рис. 2.1. Образцы промышленных экзоскелетов:

а – ПЭ-1; б – ПЭ-2; в – ПЭ-3

Другой образец промышленного экзоскелета ExoAtlant (ПЭ-2) (производства ООО «Экзоатлант», г. Москва, Россия) предназначен для уменьшения негативного влияния нагрузок, связанных с наклоном корпуса, подъемом и удержанием тяжестей для работников физического труда, в том числе для поддержания рабочей позы «в наклоне». Масса образца – 6 кг, допустимый рост пользователя – от 160 до 195 см (см. рис. 2.1, б).

Еще одни образец промышленного экзоскелета ExoAtlant (ПЭ-3) представляет собой модифицированную версию экзоскелета ПЭ-2 с аналогичными массогабаритнымипоказателями (см. рис. 2.1, в).

Схемы креплений образцов промышленных экзоскелетов на теле добровольца представлены на рис. 2.2.

57

аб

Рис. 2.2. Схема крепления образцов промышленных экзоскелетов на теле добровольца: а – ПЭ-1; б – ПЭ-2, ПЭ-3

Исследование амплитуд движений в крупных суставах и в сочленениях позвоночника добровольцев проводили без использования экзоскелетов (I группа) и с его применением (II группа).

Для количественного исследования влияния массогабаритных характеристик и конструктивных особенностей экзоскелета на амплитуды движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей и в сочленениях позвоночника добровольцев применяли систему «Биомеханика Траст-М» (ООО «Неврокор», г. Москва), основу которой составляют беспроводные IMU-датчики (InvenSense (TDK)) и компьютер со специализированным программным обеспечением. Погрешность измерений, по заявлению производителя оборудования, составляет ±1°. IMU-датчики фиксировали на сегментах тела добровольца, после чего он десятикратно выполнял тестовые упражнения. Схема расположения IMU-датчиков на теле добровольца представлена на рис. 2.3.

Количественными характеристиками максимальных амплитуд движений добровольца являлись проекции трехмерных углов, зарегистрированных в пространстве при перемещении IMU-дат-

58

чиков, зафиксированных на сегментах тела, на одну из плоскостей: сагиттальную (при выполнении сгибания-разгибания), фронтальную (при выполнении отведения-приведения и латерофлексии) относительно датчика 1 при регистрации амплитуд движений в крупных суставах верхних конечностей, относительно датчика 2 при регистрации амплитуд движений в крупных суставах нижних конечностей и амплитуд движений в пояснич- но-грудном отделе позвоночника (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема крепления IMU-датчиков на теле добровольца

Доброволец поочередно выполнял цикл упражнений, состоящих из десяти повторений. Регистрировали значения максимальных по амплитуде углов при выполнении данных упражнений (табл. 2.1). Для статистической обработки полученных данных применяли критерий знаковых рангов Уилкоксона [22].

Использование технологии «захвата движений», основанной на применении IMU-датчиков, позволило экспериментально оценить степень ограничения движений, обусловленного массогабаритными характеристиками и конструктивно-механическими особенностями экзоскелета.

59

Таблица 2.1

Основные упражнения, выполняемые добровольцами при регистрации биомеханических показателей

В рамках проведенного исследования объема движений в сочленениях позвоночника и в крупных суставах опорно-двига- тельного аппарата добровольцев при использовании ими трех различных промышленныхэкзоскелетовбыло установлено следующее:

1. ПЭ-1 вызывает существенные ограничения амплитуд движений в крупных суставах нижних конечностей при выполнении глубокого приседания и в пояснично-грудном отделе позвоночника при сгибании во время наклонов вперед, что может отразиться на качестве ходьбы с широким шагом, беге, выполнении прыжков, подъема и спуска по лестнице и наклонной поверхно-

60