Исследование влияния использования промышленного экзоскелета для поддержки верхних конечностей на состояние мышц рук и плечевого пояса

Введение. Уровень профессиональной заболеваемости, связанной с воздействием физических перегрузок и перенапряжением отдельных органов и систем свидетельствует о необходимости проведения своевременной и эффективной профилактики, одним из средств которой является внедрение перспективного типа средств индивидуальной защиты (СИЗ) — промышленных экзоскелетов. Ввиду того, что до сих пор не установлены чёткие требования и критерии их безопасности и эффективности, все исследования в данной области носят экспериментальный характер, что обусловливает необходимость проведения испытаний каждого конкретного вида экзоскелета применительно к выполнению определённых трудовых операций.

Цель исследования — изучение влияния использования промышленного экзоскелета для поддержки верхних конечностей на утомление мышц рук и плечевого пояса.

Материалы и методы. Для исследования был представлен промышленный экзоскелет, предназначенный для снижения нагрузки на верхние конечности при выполнении работ выше уровня головы пользователя. К участию в исследовании были привлечены 11 здоровых добровольцев. В условиях лаборатории была смоделирована трудовая деятельность, аналогичная работе на автомобильном конвейере с классом тяжести 3.2. В ходе выполнения работы, как без использования промышленного экзоскелета, так и с его использованием, с помощью поверхностной электромиографии (ЭМГ) регистрировали биоэлектрическую активность мышц верхних конечностей и плечевого пояса с обеих сторон. Кроме того, до работы и после её окончания проводили миотонометрию и динамометрию с целью регистрации биомеханических свойств исследуемых мышц, а также силы и выносливости рук.

Результаты. В результате регистрации ЭМГ-сигнала установлено, что активность передней дельтовидной мышцы справа и двуглавой мышцы плеча справа при использовании промышленного экзоскелета в работе снижается более, чем на 50%. Показатели выносливости и силы, зарегистрированные в ходе динамометрии, снижались после выполнения работы как с применением экзоскелета, так и без него, от 1% до 36%, однако их динамика не соответствовала в полной мере классическим представлениям о развитии мышечного утомления. Анализ данных миотонометрии не показал статистически значимых изменений параметров исследуемых мышц.

Ограничения исследования. Ограничениями данного исследования являются: небольшой размер выборки (11 добровольцев), отсутствие расчёта размера выборки, использование небольшого набора используемых медико-биологических методов оценки состояния человека. 

Выводы. Применение исследуемого промышленного экзоскелета при выполнении моделируемых трудовых операций снижает биоэлектрическую активность основных задействованных в работе мышц, что доказывает его эффективность. Разработанная методика поверхностной ЭМГ может в дальнейшем быть использована при проведении подобных работ. Динамометрия и миотонометрия не показали достаточной чувствительности в проведённом исследовании, что обусловливает необходимость разработки специальных методик для решения аналогичных задач.

Этика. Протокол исследования был одобрен Локальным этическим комитетом при ФГБНУ «НИИ МТ» (протокол заседания № 3 от 20.04.2022 г.).

Участие авторов:
Шупорин Е.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;
Новожилова А.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;
Герегей А.М. — концепция и дизайн исследования, написание и редактирование текста;
Шитова Е.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;
Никифорук А.И. — сбор и обработка данных, написание и редактирование текста;
Подопросветов А.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных;
Орлов И.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание и редактирование текста.

Финансирование. Работа выполнена за счёт гранта РНФ (проект № 18-71-10112 П).

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления: 07.06.2023 / Дата принятия к печати: 30.06.2023 / Дата публикации: 05.08.2023

1. Hazreen H. Harith, Muhammad Fuad Mohd, Sharence Nai Sowat. A preliminary investigation on upper limb exoskeleton assistance for simulated agricultural tasks. Applied Ergonomics. 2021; 95. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103455

2. Kirsten Huysamen, Tim Bosch, Michielde Looze, Konrad S. Stadler, Eveline Graf, Leonard W. O'Sullivan. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb activities. Applied ergonomics. 2018; 70: 148–155. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.009

3. Jean Theurel, Kevin Desbrosses, Terence Roux, Adriana Savescu. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Applied Ergonomics. 2018; 67: 211–217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.10.008

4. Peng Yin, Liang Yang, Shengguan Qu, Chao Wang. Effects of a passive upper extremity exoskeleton for overhead tasks. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2020; 55. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2020.102478

5. Voilqué A., Masood J., Fauroux J., Sabourin L. and Guezet O. Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural Analysis, and Structural Complexity Indicator. In: 2019 Wearable Robotics Association Conference (WearRAcon), 25–27 March 2019, Scottsdale, AZ, USA, pp. 13–20. https://doi.org/10.1109/WEARRACON.2019.8719395

6. Bogue R. Exoskeletons — a review of industrial applications. Industrial Robot. 2019; 45(5): 585–590. https://doi.org/10.1108/IR-05-2018-0109

7. Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadler & Leonard W. O’Sullivan. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics. 2016; 59(5): 671–681. https://doi.org/10.1080/00140139.2015.1081988

8. Tasha McFarland, Steven Fischer. Considerations for Industrial Use: A Systematic Review of the Impact of Active and Passive Upper Limb Exoskeletons on Physical Exposures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019: 7(3–4): 322–347. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1684399

9. Mona Bär, Benjamin Steinhilber, Monika A. Rieger, Tessy Luger. The influence of using exoskeletons during occupational tasks on acute physical stress and strain compared to no exoskeleton — A systematic review and meta-analysis. Applied Ergonomics. 2021; 94. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103385

10. Pacifico I., Parri A., Taglione S., Sabatini A.M., Violante F.S., Molteni F. et al. Exoskeletons for workers: A case series study in an enclosures production line. Applied Ergonomics. 2022; 101: 103679. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2022.103679

11. Sander De Bock, Jo Ghillebert, Renée Govaerts, Bruno Tassignon, Carlos Rodriguez-Guerrero, Simona Crea et al. Benchmarking occupational exoskeletons: An evidence mapping systematic review. Applied Ergonomics. 2022; 98. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2021.103582

12. Ehsan Rashedi, Sunwook Kim, Maury A. Nussbaum & Michael J. Agnew. Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work. Ergonomics. 2014; 57(12): 1864–1874, https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682

13. Aijse de Vries, Michiel de Looze. The Effect of Arm Support Exoskeletons in Realistic Work Activities: A Review Study. Journal of ergonomics. 2019; 9(4): 1–9. https://doi.org/10.35248/2165-7556.19.9.255

14. Aijse de Vries, Molly Murphy, Reinier Könemann, Idsart Kingma, Michiel de Looze. The Amount of Support Provided by a Passive Arm Support Exoskeleton in a Range of Elevated Arm Postures. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019; 7(3–4): 311–321. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1669736

15. Dong Jin Hyun, Kihyeon Bae, KyuJung Kim, Seungkyu Nam. A light-weight passive upper arm assistive exoskeleton based on multi-linkage spring-energy dissipation mechanism for overhead tasks. Robotics and Autonomous Systems. 2019; 122. https://doi.org/10.1016/j.robot.2019.103309

16. Kim S., Nussbaum M.A., Mokhlespour Esfahani M.I., Alemi M.M., Alabdulkarim S., Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Part I — "Expected" effects on discomfort, shoulder muscle activity, and work task performance. Applied Ergonomics. 2018; 70: 315–322. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.025

17. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. Р 2.2.2006-05. Ивановский НИИ охраны труда; Российский государственный медицинский университет; НИИ проблем охраны труда; ГУ НИИ медицины труда РАМН; НИИ охраны труда; Всероссийский НИИ железнодорожной гигиены; ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Санкт-Петербург; Тверской государственный университет. М.: Деан, 2006 г.

18. Muckelt P.E., Warner M.B., Cheliotis-James T. et al. Protocol and reference values for minimal detectable change of MyotonPRO and ultrasound imaging measurements of muscle and subcutaneous tissue. Scientific Reports. 2022; 12. https://doi.org/10.1038/s41598-022-17507-2