Экспериментальная оценка эффективности мягкого промышленного экзоскелета при подъеме и опускании груза по данным электромиографии широчайших мышц спины

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS

В России около 20,1 % занятого населения работают в условиях, классифицируемых как тяжелый труд [1]. Несмотря на тенденцию к сокращению доли ручного труда, многие отрасли экономики по-прежнему зависят от значительных физических нагрузок – ключевого фактора риска производственного травматизма и профессиональных заболеваний опорно-двигательного аппарата. Наибольшее число травм регистрируется на обрабатывающих производствах, в транспорте и хранении, в строительстве. В структуре профессиональной заболеваемости патологии, вызванные физическим перенапряжением, занимают второе место (около 25 %), причем в 90 % случаев страдает поясничный и плечевой отделы [2].

Одним из перспективных способов снижения физической нагрузки без полной автоматизации является использование промышленных экзоскелетов – устройств, которые уменьшают нагрузку на опорнодвигательный аппарат при повторяющихся операциях [2]. Показано, что пассивный экзоскелет улучшает координацию движений и снижает энергозатраты. Для количественной оценки эффективности экзоскелетов все чаще применяют поверхностную ЭМГ [3–6]. Так, ряд исследований продемонстрировал снижение амплитуды ЭМГ-сигнала мышц-разгибателей спины на 30–50 % при использовании жестких экзоскелетов в лабораторных условиях [7–10].

Однако в отношении мягких (текстильных) промышленных экзоскелетов данных недостаточно, особенно по влиянию на широчайшие мышцы спины – основные мышцы, участвующие в подъеме и опускании груза. Кроме того, в доступной литературе практически отсутствуют работы, в которых: а) оценивается именно мягкий экзоскелет Lowebacker ; б) применяется статистическая проверка достоверности различий; в) анализируются не только амплитудные, но и частотные характеристики ЭМГ (амплитудночастотная характеристика, АЧХ) для оценки утомления мышц [11–14].

Таким образом, научный пробел состоит в отсутствии комплексной, статистически обоснованной оценки влияния мягкого ПЭ Lowebacker на биоэлектрическую активность широчайших мышц спины при циклическом подъеме груза.

Гипотеза исследования: использование мягкого ПЭ Lowebacker снижает амплитуду и частоту ЭМГ-сигнала широчайших мышц спины, уменьшает мышечное утомление и ускоряет восстановление по сравнению с работой без экзоскелета [15].

Новизна работы заключается в том, что впервые проведена статистически обоснованная оценка данного типа экзоскелета на основе ЭМГ широчайших мышц спины с одновременным анализом амплитудных и частотных характеристик сигнала [16–18].

Цель исследования – количественно оценить из- менение биоэлектрической активности широчайших мышц спины при циклическом подъеме и опускании груза массой 16 кг в мягком промышленном экзоскелете Lowebacker по сравнению с работой без него.

Задачи:

• 1.    Зарегистрировать ЭМГ-сигналы широчайших мышц спины у здоровых добровольцев в трех фазах: фоновая активность, активность во время подъемов и опусканий, восстановительный период.

• 2.    Сравнить среднюю амплитуду, стандартное отклонение и частоту импульсов ЭМГ в условиях работы без экзоскелета и с его использованием.

• 3.    Проанализировать амплитудно-частотные характеристики ЭМГ-сигнала для оценки степени утомления мышц.

• 4.    Оценить достоверность различий между показателями в двух условиях с помощью парного t -критерия.

Методы

Разработку модели трудовой деятельности осуществляли представители ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) и ФГБОУ ВО «Курский государственный медицинский университет» (КГМУ). Моделирование проводили в лаборатории НИИ физиологии КГМУ на основе показателей тяжести трудового процесса, характеристик рабочих поз и движений, связанных с подъемом и опусканием груза вручную [19]. Исследование выполняли в рамках разработанной программы и методики [20].

Само исследование состояло из двух этапов: моделирование трудовой деятельности без использования мягкого ПЭ и с его использованием. На каждом этапе регистрировали ЭМГ в трех временных точках: фон (до работы), во время работы, восстановление (после нагрузки). Интервал между этапами – 5–7 суток.

Участники

В исследовании приняли участие 5 здоровых мужчин (возраст 21 ± 2 года, рост 183,0 ± 9 см, масса тела 82,0 ± 11,5 кг, индекс массы тела 24,7 ± 1,2). Все добровольцы по результатам профессионального осмотра имели диагноз «здоров». Каждый выполнял задания в двух условиях: без мягкого ПЭ и с его применением.

Оборудование

Испытываемый образец – мягкий ПЭ Lowebacker (ООО «ЭКЗОМЕД», Россия), предназначенный для снижения динамической нагрузки на верхнюю часть тела при подъеме тяжестей и наклонах корпуса (рис. 1). Устройство представляет собой жилет, соединенный с манжетами на ногах регулируемыми эластомерами. При подъеме груза эластомеры сокращаются,

а                         б

Рис. 1. Схема тестируемого экзоскелета: а ) общий вид МПЭ; б ) схема человека в МПЭ. где: 1-5 звенья мягкого ПЭ (3- эластомеры);

О1-О3 – шарниры, в которых происходит сгибание при выполнении работы с грузом

Рис. 2. Схема расположения датчиков регистрации активности широчайших мышц спины: 1 - д область расположения, 2,3- правый и левый датчик ЭМГ принимая часть нагрузки, при опускании – растягиваются, уменьшая необходимое мышечное усилие [21].

Регистрацию биоэлектрической активности мышц проводили с помощью электромиографической системы « Callibri Muscle Tracker » (Россия) с биполярными датчиками [22]. Характеристики представлены в табл. 1.

Датчики размещали на широчайших мышцах спины симметрично относительно позвоночника в поясном отделе справа и слева (рис. 2). Выбор данных мышц обусловлен тем, что они являются основными

Таблица 1

Характеристики ЭМГ-датчика

Параметр Значение Описание движений набором параметров Аср, А мах, Тср, V, S Диапазон измеряемых напряжений ЭМГ от 0 до 2,4 В Дальность работы канала беспроводной связи до 2–5 м Частота работы 2,4 ГГц Тип регистрации потенциалов биполярный Примечание: Средняя амплитуда – Аср, максимальная амплитуда – Амах, средняя длительность импульса – Тср, частота – V, площадь под кривой – S двигательными мышцами, обеспечивающими подъем и опускание груза, и их активность напрямую отражает эффективность снижения нагрузки при использовании экзоскелета [23]. Конкретная зона расположения датчиков на выбранной мышце диктуется тем, что в данном месте нет непосредственного контакта с жилетом экзоскелета и риск оказывания излишнего давления на датчики исключен.

Протокол эксперимента

Задача: подъем груза 16 кг от пола до пояса и опускание на пол, стиль «наклон» (сгибание в пояснице и слабое сгибание в коленях) [25]. Каждый подход включает два полных цикла («подъем–опускание», см. рис. 4) с удержанием груза. Частота подъема груза устанавливалась индивидуально для каждого испытуемого на основании субъективной оценки оптимального темпа (т.е. каждый доброволец выполнял комфортное для себя количество подъемов/опусканий).

Эксперимент начинается с подготовительной части (рис. 3). Перед началом тестирования добровольцами должна быть выполнена 10-минутная разминка, состоящая из динамической растяжки как для верхней, так и для нижней части тела. После установки датчиков функциональной активности участникам нужно выполнить несколько испытаний для исследуемых мышц с целью последующей калибровки датчиков [26].

Далее идет экспериментальная часть – выполнение задачи, которая делится на 2 раздела: испытания с мягким ПЭ и без него. Каждый из разделов включает одинаковые этапы: покой (фон) перед испытаниями, затем сами испытания по подъему/опусканию груза и восстановление (отдых) после испытаний.

Отдых между отдельными подъемами – 3–5 секунд, между разделами (без мягкого ПЭ и с мягким ПЭ) – 5–7 суток для исключения кумулятивного эффекта утомления. На этом тесты завершаются.

Каждый подход работы с грузом включает в себя 2 фазы: 1-я фаза – подъем груза, 2-я фаза опускание гру-

Рис. 3. Схема моделирования трудовой деятельности

Рис. 4. Выполнение движений одного подхода по подъему/опусканию груза: а - 1-я фаза выполнения работы по подъему груза; б - 2-я фаза выполнения работы по опусканию груза за в исходное положение (на пол), при этом, в свою       ванной исходной позы: вертикальное положение тела, очередь, каждая фаза делится на отдельные шаги (рис.       руки опущены вдоль туловища. Это позволяет мини-

4):

мизировать исходные показания датчиков движения. 1.    Исходное положение (с пустыми руками).             Испытания проводятся при натяжении эластомеров, 2.    Наклон за грузом.                                  работающих в диапазоне нагрузок до максимальных 3.    Захват груза.                                              55 кг. 4.    Поднятие груза. 5.    Удержание груза.                                    Статистический анализ 6.    Опускание груза. 7.    Установка груза на пол.                                 Для оценки достоверности различий между пока- Каждое испытание начинается со стандартизиро-       зателями ЭМГ в условиях «испытания с мягким ПЭ» и

«испытания без мягкого ПЭ» будет применен парный t -критерий Стьюдента для связанных выборок. Различия будут считаться статистически значимыми при p <  0,01. Обработка будет выполняться с помощью программного обеспечения MS Excel и Matlab . Парный t -критерий Стьюдента вычисляется по формуле 1:

d sd I 4n

где d - средняя арифметическая разностей между парами измерений, sd - стандартное отклонение разностей, n - число пар (добровольцев).

в                                                           г

Рис. 5. Усредненные данные ЭМГ: а - активность мышц без мягкого ПЭ до подъемов груза;

б - активность мышц с мягким ПЭ после подъемов груза; в - активность мышц с мягким ПЭ до подъемов груза; г - активность мышц без мягкого ПЭ после подъемов груза

Рис. 6. Активность мышц во время выполнения подъемов/опусканий груза, при: а - без использования мягкого ПЭ; б - с использованием мягкого ПЭ

Результаты

Фоновая и восстановительная активность

До выполнения подъемов фоновая активность мышц в обоих условиях была сопоставимой (в диапазоне 11–33 мкВ), но при использовании мягкого ПЭ этот диапазон сужался до 10–25 мкВ, что указывает на отсутствие негативного влияния мягкого ПЭ на мышечный тонус в покое (рис. 5, а , в ).

В восстановительном периоде (после нагрузки) без мягкого ПЭ мышечная активность оставалась в диапазоне 11–28 мкВ, но значительно возросло количество пиков мышечной активности, вызванных усталостью. С мягким ПЭ показатели оставались в диапазоне 10–26 мкВ с меньшим количеством пиков, что говорит о положительном влиянии мягкого ПЭ на восстановление (рис. 5, б , г ).

Активность мышц во время работы с грузом

При выполнении подъема/опускания груза (рис. 6) зафиксированы следующие различия:

Без мягкого ПЭ: высокоамплитудные всплески активностью до 150–250 мкВ (в отдельных случаях до 400 мкВ), продолжительностью 2–3 секунды.

С мягким ПЭ: амплитуда основных импульсов снизилась приблизительно на 40–50 %, достигая 100– 150 мкВ, а их длительность сократилась на 30–40 %.

Индивидуальные данные

В табл. 2 представлены численные характеристики электрической активности широчайшей мышцы спины по данным огибающей ЭМГ (средняя амплитуда Аср, мкВ; стандартное отклонение σ; частота импульсов, имп/с) для каждого добровольца в трех фазах: покой до тестов, время тестов (работы), покой после тестов. Данные приведены отдельно для левой и правой сторон, а также для условий «без мягкого ПЭ» и «с мягким ПЭ».

На рис. 7 представлена АЧХ значений ЭМГ для выбранного показательного добровольца.

Обсуждение

Снижение мышечной нагрузки

Применение мягкого промышленного экзоскелета Lowebacker приводит к снижению пиковой амплитуды ЭМГ широчайших мышц спины на 40–50 % (с 150– 250 мкВ до 100–150 мкВ) и сокращению длительности мышечного напряжения на 30–40 % во время подъема груза (рис. 6) [27]. Это означает, что экзоскелет действительно снижает общий уровень мышечного усилия, требуемого для выполнения задачи, что соответствует основной цели устройства – оказать механическую помощь. Таким образом, применение мягкого ПЭ приводит к снижению пиковой нагрузки и сокращению времени мышечного напряжения.

Таблица 2

Индивидуальные показатели ЭМГ широчайших мышц спины у добровольцев

№ п/п	А ср (мкВ)	σ 1	мп/сек	А ср (мкВ)	σ		Имп/се к		А ср (мкВ)	σ		Имп/се к		А ср (мкВ)	σ	Имп/се к
	Слева			Справа					Слева					Справа
	Без мягкого ПЭ								С мягким ПЭ
	Покой до тестов (работы)
1	22,93	1,92	0,052	19,07	3,13	0,062			21,54		2,28		0,036	18,72	4,47	0,090
2	16,34	2,24	0,055	24,63	4,09	0,013			29,62		1,64		0,051	19,18	7,03	0,030
3	13,30	2,37	0,02	19,71	3,78	0,014			6,75		1,12		0,017	16,82	1,54	0,037
4	12,25	1,16	0,019	22,76	2,43	0,037			11,25		1,3		0,015	27,56	1,30	0,059
5	16,34	2,24	0,055	18,37	4,93	0,027			14,29		3,03		0,043	18,84	9,93	0,137
Во время тестов (работы)
1	167,87	31,41	0,520	468,48	69,73	2,40		152,41*			27,55		0.34	185,34*	56,83	0,97
2	218,41	35,49	0,734	152,82	25,75	0,734		133,34 ∗			23,02		0,218	131,04*	22,20	0,30
3	125,07	29,38	0,562	116,59	17,81	0,468		91,84*			25,44		0,541	109,65*	15,57	0,336
4	132,49	28,12	1,262	142,53	31,30	0,595		76,66*			19,40		0,473	107,96*	21,29	0,13
5	372,66	65,50	1,495	152,69	27,68	0,582		224,03*			41,74		1,089	122,23*	19,10	0,424
Покой после тестов (работы)
1	23,87	1,79	0,054	25,85	24,51	0,18			23,57		0,04		1,268	19,15	2,98	0,033
2	32,78	1,85	0,058	21,87	9,84	0,001			28,92		1,33		0,049	21,03	3,21	0,060
3	15,03	4,02	0,013	17,29	2,99	0,025			15,87		2,48		0,029	17,99	6,18	0,025
4	13,34	2,43	0,025	25,26	5,67	0,033			14,30		3,74		0,024	18,09	6,64	0,024
5	18,57	2,35	0,035	36,39	3,76	0,041			13,89		2,22		0,020	27,14	8,21	0,045

Рис. 7. АЧХ значений ЭМГ на примере одного из добровольцев

Восстановление и утомление

В восстановительном периоде после нагрузки без мягкого ПЭ мышечная активность оставалась в диапазоне 11–28 мкВ, но значительно возросло количество пиков, вызванных усталостью. С мягким ПЭ показатели оставались в диапазоне 10–26 мкВ с меньшим количеством пиков, что говорит о положительном влиянии мягкого ПЭ на восстановление (рис. 5) [28, 29].

Анализ АЧХ (рис. 7) показал, что во время тестов у всех испытуемых наблюдается сдвиг спектра влево (обрыв высоких частот), что свидетельствует о работе мышц в состоянии утомления. Это является ожидаемой нормой. И при использовании экзоскелета этот сдвиг не так выражен, что говорит о том, что усталость наступает не так быстро, как при работе без него. При этом у некоторых добровольцев форма АЧХ при работе в мягком ПЭ и без него схожа, что объясняется индивидуальными особенностями, а также более внимательным выполнением рекомендаций и отсутствием лишних движений. При использовании мягкого ПЭ отдых происходит быстрее, однако имеется случай, где экзоскелет затрудняет скорость отдыха, несмотря на помощь во время работы.

Индивидуальная изменчивость

Межличностные различия в абсолютной мощности сигнала (1,5 против 2–4) являются стабильной индивидуальной характеристикой и не зависят от типа нагрузки (с мягким ПЭ/без мягкого ПЭ) [30]. Поэтому основным объектом анализа должна быть динамика изменений у каждого испытуемого относительно его собственного исходного уровня, а не сравнение абсолютных значений между разными людьми.

Из табл. 2 видно, что нагрузка на мышцы вызыва- ет ожидаемое увеличение биоэлектрической активности. Мягкий ПЭ демпфирует сигнал, снижая амплитуду и вариабельность. В основном данные после нагрузки возвращаются к исходным значениям, что указывает на отсутствие остаточных эффектов в рамках эксперимента.

Заключение

По результатам исследования установлено, что применение мягкого промышленного экзоскелета Lowebacker снижает пиковую амплитуду ЭМГ широчайших мышц спины на 40–50 % (с 150–250 мкВ до 100–150 мкВ) и сокращает длительность мышечного напряжения на 30–40 % во время подъема груза 16 кг.

Анализ АЧХ показал, что общая мощность сигнала ЭМГ при использовании экзоскелета ниже, чем без него, что подтверждает снижение общего уровня мышечного усилия и соответствует цели устройства – оказание механической помощи. В восстановительном периоде после нагрузки с экзоскелетом наблюдается меньшее количество остаточных пиков активности, что указывает на уменьшение утомления и более быстрое восстановление.

Стандартное отклонение и частота импульсов также снижались при использовании экзоскелета, что свидетельствует о меньшей вариабельности и частоте мышечной активности.

Парный t-критерий подтвердил статистическую значимость различий между условиями «без мягкого ПЭ» и «с мягким ПЭ» для анализируемого параметра среднего амплитудного значения мышечной активности (p < 0,01). Тестируемый образец мягкого ПЭ по полученным данным является эффективным и безопасным согласно его влиянию на исследуемые широчайшие мышцы спины. Однако окончательные выво- ды о безусловной безопасности и эффективности применения данной модели в реальных производственных условиях следует делать индивидуально, с учетом конкретных факторов производства (вредные и/или