Geavanceerde musculoskeletale modelleringstechnieken als aanvulling op ergonomische besluitvorming op de werkplek

Lage rug- en spierpijn in de bovenste ledematen worden gemeld door drie op de vijf werknemers in de EU. In 2019 waren 69% van de gerapporteerde werkgerelateerde aandoeningen in België, aandoeningen aan het musculoskeletale systeem. Ondanks voortdurende inspanningen om de arbeidsomstandigheden te verbeteren, neemt de prevalentie van werkgerelateerde musculoskeletale aandoeningen (WMSA's) nog steeds toe. De oorsprong van WMSA's wordt beschouwd als multifactorieel, d.w.z. organisatorische, psychosociale en individuele risicofactoren liggen aan de basis. Daarbij wordt het ook erkend dat overmatige fysieke belasting en krachten tijdens repetitieve bewegingen, niet-neutrale houdingen en zware materiële handelingen een belangrijke rol spelen. Inderdaad, recent onderzoek suggereert dat alle inwendige musculoskeletale structuren, bijvoorbeeld spieren, gewrichtskraakbeen, tussenwervelschijven- vatbaar zijn voor schade via het proces van  materiaalmoeheid. Dit proces suggereert dat krachten zoals gewrichtscontact en spierkrachten in combinatie met belastingsfrequentie moeten worden overwogen bij het evalueren van het risico op de ontwikkeling van WMSA's. Deze krachten worden echter vaak verwaarloosd door ergonomische risicobeoordelingsschalen of geschat met behulp van gewrichtsmomenten bij het analyseren van musculoskeletale belasting tijdens beroepstaken. Daarbij wordt alleen de musculoskeletale belasting geanalyseerd in één gewricht, waardoor potentiële overbelasting in naburige gewrichten wordt verwaarloosd. Een hulpmiddel dat deze gewrichtscontactkrachten mogelijk kan verminderen of overbelasting kan voorkomen, is een passief schouder-exoskelet. Het is aangetoond dat het exoskelet de spierbelasting vermindert tijdens quasi-statische taken, maar het effect ervan op contactkrachten en potentiële belastingsverschuiving, ook tijdens meer dynamische beroepstaken, is nog niet onderzocht.

Het doel van dit doctoraat is om te onderzoeken of geavanceerde musculoskeletale modelleringstechnieken nieuwe relevante inzichten kunnen bieden in musculoskeletale belastingtopografie van het hele lichaam op de werkplek en daarbij ook de potentiële rol van exoskeletten als musculoskeletale belastingsverlagende apparaten. Het werk is verdeeld in drie doelstellingen om dit algemene doel te bereiken:(1) Beoordeel de musculoskeletale belasting van het hele lichaam tijdens beroepstaken met behulp van een musculoskeletale modelleringsworkflow. (2)  Onderzoek het effect van een passief schouder exoskelet op musculoskeletale belasting topografie - met behulp van een laboratorium gebaseerde en op de werkvloer evaluatie. (3) Ontwikkelen en aantonen van de toegevoegde waarde van een innovatieve risicoschaal die musculoskeletale modellering combineert met inzichten uit de materiaalmoeheidstheorie. Dit met doelom de musculoskeletale belasting van het hele lichaam te evalueren en uiteindelijk ergonomisch advies op de werkplek te ondersteunen.

Ten eerste, om ergonomisch advies over standaard tiltechnieken, d.w.z. bukken en hurken, te onderbouwen, moeten we de musculoskeletale belastingtopografie van het hele lichaam analyseren met behulp van geavanceerde biomechanische parameters in combinatie met de spieractiviteit van verschillende oppervlakkige spieren (studie 1). Om dit te doen, werden gewrichtsmomenten en gewrichtsvermogen van tien deelnemers die de twee standaard tiltechnieken uitvoerden, gekwantificeerd met behulp van 3D bewegingsanalyse van het hele lichaam als input voor de modelleringsworkflow in combinatie met de analyse van spieractivaties van verschillende oppervlakkige spieren. Piekmomenten en piekgewrichtsvermogen in L5-S1 verschilden niet tussen het hurken en het bukken. Bovendien is gewrichtsmomentimpuls in L5-S1 wel hoger tijdens het bukken. Hogere piekmomenten en piekvermogen in de heup, knie, elleboog en schouder werden echter gevonden tijdens het hurken. Dit komt tot uiting in hogere piek elektromyografie (EMG) maar lagere spierinspanning in de geanalyseerde spieren tijdens het hurken. We concludeerden dat noch bukken noch hurken de voorkeur kon krijgen, omdat het momentimpuls in de rug lager was tijdens het hurken, maar een hogere musculoskeletale belasting in de ledematen werd ervaren. Dit suggereerde dat ergonomisch advies zou moeten verschuiven van een meer regionale benadering naar het overwegen van de algemene musculoskeletale belasting.

In de tweede studie werd musculoskeletale belastingtopografie van het hele lichaam gedocumenteerd tijdens 10 beroepstaken. Een gevalideerde musculoskeletale modelleringsworkflow met gedetailleerde wervelkolom werd gebruikt om de musculoskeletale belasting te berekenen voor 20 deelnemers die een reeks beroepstaken uitvoerden en daarbij werd ook de associatie tussen proxyvariabelen, d.w.z. gewrichtsmomenten en gewrichtscontactkrachten geëvalueerd. De belastingstopografie bevestigde eerdere ergonomische richtlijnen die adviseerden om zware lasten rond ellebooghoogte te tillen, omdat dit de laagste lumbale rugbelasting oplegde. Een ergonoom moet echter voorzichtig zijn bij het suggereren van deze tiltechniek, omdat de schouder- en elleboogbelasting hoger zijn dan de andere geanalyseerde beroepstaken. De belastingtopografie, gebaseerd op onze modelleringsworkflow, kan worden gebruikt als basis voor een taakrotatieschema met als doel de musculoskeletale belasting van het gehele lichaam te verminderen. Dit is zeer relevant omdat de huidige ergonomische richtlijnen vaak geen rekening houden met andere gewrichten, d.w.z. knie, heup, schouder en elleboog. Bovendien werden de op proxyschattingen, gebaseerd op de gewrichtsmomenten, bevestigd als betrouwbare schattingen tijdens de beroepstaken met een rechtopstaande, staande houding, met een uitzondering voor het thoracale spinale gebied.

Op basis van studie 1 en 2 zouden we kunnen concluderen dat ergonomische risicoanalyses en dus ergonomisch advies zouden verbeteren als de musculoskeletale belasting van het hele lichaam in termen van gewrichtscontactkrachten nauwkeurig wordt gekwantificeerd. Dit staat in schil contrast met de proxy's die op de werkvloer worden gebruikt.

Vervolgens werden de potentiële effecten van een nieuw ontwikkeld schouder-exoskelet op gewrichtscontactkrachten en potentiële belastingsverschuiving gekwantificeerd tijdens 4 beroepstaken, meer bepaald een lage, ergonomische, hoge heftaak en een bovenhoofdse bedradingstaak in studie 3. Een musculoskeletale modelleringsworkflow werd gebruikt om de musculoskeletale belasting in kaart te brengen. De bruikbaarheid van het exoskelet werd gekwantificeerd met behulp van de system usability scale. Bij het dragen van het Exo4Work exoskelet nam de musculoskeletale belasting van schouder en elleboog af tijdens de hoge heftaak en de bovenhoofdse bedradingstaak, zonder de musculoskeletale belasting naar de rug, heup en knie te verplaatsen. Daarentegen nam de musculoskeletale belasting in de rug en schouder, evenals heup en knie toe tijdens de ergonomische en lage heftaak. Bij het dragen van het exoskelet was de spieractiviteit van de Trapezius descendens, Deltoideus anterior, Deltoideus medius en Biceps brachii alleen verminderd tijdens de hoge heftaak en daarbij had het exoskelet geen effect op spiervermoeidheid. Daarom adviseren wij om het Exo4Work exoskelet alleen te gebruiken voor taken boven schouderhoogte om overbelasting in naburige gewrichten en spieren te voorkomen.

In de vierde studie werd hetzelfde Exo4Work-exoskelet geëvalueerd met behulp van elektromyografie en IMU's, terwijl 6 deelnemers hun dagelijkse werktaak uitvoerden. Kinematica van het volledige lichaam werd geschat met behulp van de Xsens-software en gebruikt als input voor de musculoskeletale modelleringsworkflow van OpenSim. Ondanks de veelbelovende bruikbaarheidsscore van het systeem die werden waargenomen voor het Exo4Work-exoskelet, zagen we geen functioneel relevante effecten op de musculoskeletale belasting bij de 6 werknemers. Toch assisteerde het exoskelet bijna maximaal tijdens de werktaken bij alle deelnemers, aangezien de gemiddelde en maximale flexiehoek die tijdens de werktaken werd waargenomen, respectievelijk 80 graden en 100 graden schouderflexie waren. Dit kunnen we afleiden uit het feit dat de assistentie van de passieve schouder-exoskelet gerelateerd is aan de schouderflexiehoek. De discrepantie tussen de evaluatie in het laboratorium en op de werkvloer kan het gevolg zijn van het feit dat taken die in een laboratorium worden geanalyseerd, gestandaardiseerd en te vereenvoudigd zijn en daarom deze taken misschien geen echte werksituatie nabootsen. Daarom kunnen de effecten van een passief schouder-exoskelet dat in het laboratorium wordt getest, een overschatting in de hand werken. Dit benadrukt dat het evalueren van exoskeletten op de werkvloer in de toekomst noodzakelijk is. Daarbij, is dit de eerste studie die het effect van een schouder-exoskelet op musculoskeletale belasting van het hele lichaam onderzoekt op de werkvloer. De huidige studie toonde aan dat de musculoskeletale modelleringsworkflow kan worden gebruikt om de effecten van een ergonomische interventie op de werkvloer te onderzoeken.

Op basis van de resultaten van studie 3 adviseren wij het gebruik van het Exo4Work exoskelet voor beroepstaken boven schouderhoogte. Studie 4 toonde echter aan dat er meer onderzoek op de werkplek nodig is om het effect ervan op de musculoskeletale belasting volledig te begrijpen.

In de laatste studie gebruikten we de musculoskeletale modelleringsworkflow en inzichten uit de materiaalmoeheidstheorie, d.w.z. rekening houdend met contactkrachten en spierkrachten in combinatie met de belastingsfrequentie, om een nieuwe ergonomische risicobeoordeling te ontwikkelen, de MATE genaamd. Vervolgens worden drie casestudies beschreven die de toegevoegde waarde van de MATE benadrukken. Hun evaluaties worden vergeleken met eerder ontwikkelde risicobeoordelingsschalen: (1) ten eerste wordt het risico op WMSA's van een beroepstaak geschat op basis van een op IMU gebaseerde aanpak om de toegevoegde waarde van de MATE op de werkvloer aan te tonen. Daarna gebruiken we de MATE om het WMSAs-reducerende effect van een (2) schouder- en (3) rug-exoskelet te evalueren, wat de toegevoegde waarde ervan in exoskelet assistentie tuning kon aantonen. De MATE vertoonde een vergelijkbare of betere nauwkeurigheid van de risicoschatting dan eerder ontwikkelde risicobeoordelingsschalen en kan worden gebruikt tijdens beroepstaken met een hogere lumbale flexie waarbij eerder ontwikkelde risicobeoordelingsschalen geen nauwkeurigheid van de gewrichtscontactkrachtschatting hebben. Ten slotte toonden de casestudies aan dat de MATE kan worden gebruikt om de musculoskeletale belasting van het hele lichaam te evalueren en het risico op WMSA's tussen anatomische regio's te differentiëren. Daarnaast kunnen de effecten van schouder- en rug exoskeletten op de werkvloer worden geëvalueerd en gebruikt voor assistentie tuning. Daarom zijn wij van mening dat een risicobeoordeling die een complexere musculoskeletale modelleringsbenadering gebruikt in combinatie met de materiaalmoeheidsheorie zoals de MATE, toekomstig ergonomisch advies zal verbeteren.

Over het algemeen heeft dit doctoraat bijgedragen aan een beter en relevant inzicht in de musculoskeletale belastingtopografie van het hele lichaam op de werkplek en de potentiële rol van exoskeletten als musculoskeletale belastingsverlagende apparaten