ESTE ARTIGO CENTRA-SE NA PREVENÇÃO de distúrbios musculoesqueléticos do ombro (MSDs) comumente associados à fadiga muscular e ao uso excessivo repetitivo num ambiente ocupacional. O objetivo e a motivação dos autores são a consideração potencial de exoesqueletos usados como EPI para prevenção de lesões no ombro.
Um exoesqueleto da parte superior do corpo é uma tecnologia vestível projetada para melhorar a saúde musculoesquelética da extremidade superior em profissionais e trabalhadores especializados que realizam movimentos repetitivos ou elevação estática dos braços. Alguns exoesqueletos da parte superior do corpo (como o mostrado imagem abaixo) são leves e transferem o peso dos braços desde os ombros, pescoço e parte superior das costas para o centro do corpo, distribuindo uniformemente a energia para reduzir o stress.
Estudos prévios sobre Fadiga muscular e Exoesqueletos
A fadiga é difícil de avaliar objetivamente, pois pode envolver componentes físicos e mentais. Um estudo baseado em eletromiografia (EMG) de movimentos repetitivos de martelar descobriu que a força de preensão e a amplitude de movimento do cotovelo diminuíram com a fadiga (Cote, Feldman, Mathieu, et al., 2008). Outro estudo usou espectroscopia de infravermelho próximo e descobriu que a fadiga muscular do ombro depende do ângulo do ombro, da frequência da tarefa e do nível de força. (Ferguson, Allread, Le, et al., 2013).
Uma diretriz de contração voluntária máxima de 40% (MVC) foi proposta como um limite que não deve ser excedido por mais de 10% do ciclo de trabalho para evitar fadiga e lesões potenciais no ombro (Chaffin, Andersson & Martin, 1999). A Conferência Americana de Higienistas Industriais Governamentais (ACGIH, 2016) propôs ainda valores-limite (TLVs) que demonstram que o nível de MVC para produzir fadiga localizada dos membros superiores diminui conforme o ciclo de trabalho aumenta (Figura 1).
CONSIDERAÇÕES PRINCIPAIS
- Este artigo examina a consideração potencial de exoesqueletos como EPI para prevenção de lesões no ombro.
- Fornece uma breve introdução à prevenção de lesões e avaliação ergonómica e examina estudos que investigaram a fadiga muscular do ombro e avaliações ergonómicas de exoesqueletos.
- Os autores apresentam uma série de estudos realizados para avaliar o uso potencial de exoesqueletos como EPI.
- Os métodos de teste apresentados fornecem dados quantitativos para apoiar as decisões sobre se os exoesqueletos devem ser classificados como EPI.
Estudos laboratoriais utilizaram sensores EMG para medir a atividade muscular do ombro em escala de % MVC. Foi relatado que o tempo de resistência diminuiu significativamente quando a amplitude EMG aumentou de 20% para 40% do MVC (Hagberg, 1981). Os dados EMG também indicaram que o grau de elevação do braço é o parâmetro mais importante que influencia a carga muscular do ombro (Sigholm, Herberts, Almström, et al., 1984). Outros estudos forneceram evidências de que apoiar o ombro durante o trabalho reduz a atividade muscular e, potencialmente, o risco de lesões (Rempel, Janowitz, Alexandre, et al., 2011; Rashedi, Kim & Nussbaum, 2014).
Estudos recentes têm apontado que os exoesqueletos da parte superior do corpo têm o potencial de ser uma intervenção útil e prática para a redução de lesões no ombro sem aumentar as cargas lombares, mas sugerem que mais pesquisas são necessárias para testar quaisquer “consequências não intencionais” (Esfahani, Alemi, Kim, et al., 2017; Kim, Nussbaum, Esfahani, et al., 2018a; 2018b).
Estudos dos autores para avaliar exoesqueletos
Esta seção descreve uma série de estudos que os autores realizaram para avaliar o uso potencial de exoesqueletos como EPI. O exoesqueleto avaliado ao longo desses estudos é o Levitate Airframe, um exoesqueleto passivo da parte superior do corpo projetado para suportar o peso dos braços durante tarefas acima da cabeça. Uma avaliação inicial do exoesqueleto foi realizada por Bradley Chase, diretor do laboratório de ergonomia da Universidade de San Diego, que coletou dados EMG enquanto 15 participantes concluíam tarefas que capturam vários elementos do trabalho industrial com e sem o exoesqueleto.
No estudo de Chase, ele observou uma redução estaticamente significativa de 33% na atividade muscular do ombro/pescoço ao usar o exoesqueleto durante tarefas de trabalho exigentes num ambiente de laboratório. Chase afirmou que “a redução da atividade muscular do ombro/pescoço com o exoesqueleto pode levar a uma maior segurança, conforto e produtividade do trabalhador”.
Um segundo estudo avaliando o exoesqueleto foi conduzido numa empresa de manufatura do Centro-Oeste e concentrou-se em levar quatro indivíduos à fadiga máxima. Este estudo usou simuladores de soldadura e pintura para capturar dados de desempenho e qualidade em tempo real (Butler, 2016). A fadiga máxima foi retardada ao usar o exoesqueleto, permitindo ao soldador manter uma solda de qualidade por 73% mais, estendendo o tempo de resistência em 71 minutos (Figura 2).
A classificação de qualidade de solda traçada ao longo do tempo reforça que o controlo motor fino dos músculos foi mantido ao longo da duração do teste. Os resultados indicam que o uso do exoesqueleto adia a fadiga para soldadores envolvidos em trabalhos estáticos (posturas estressantes) e pintores envolvidos em trabalhos dinâmicos (longa duração e alta frequência). Os participantes que sentiam dor no ombro antes do início do teste afirmaram que, ao usar o exoesqueleto, a dor diminuiu ou foi embora.
Um terceiro estudo em duas fábricas da John Deere envolveu a coleta de dados EMG no chão da fábrica com seis trabalhadores de duas fábricas diferentes durante o seu turno de trabalho regular, enquanto expostos a vários tipos de pressão físicos e ergonómicos que não são facilmente simulados num ambiente de laboratório (Gillette E Stephenson, 2017). Esta abordagem inovadora mediu os benefícios físicos de usar e não usar o exoesqueleto durante a execução de tarefas de trabalho que envolvem posturas acima da cabeça.
Coletas de dados no local forneceram uma avaliação do mundo real dos benefícios potenciais do exoesqueleto como uma forma de EPI para reduzir lesões por distúrbios musculoesqueléticos
do ombro. Os dados foram coletados em seis trabalhadores experientes realizando tarefas de montagem, pintura, suspensão de peças e soldadura. Este estudo utilizou sensores EMG sem fio para monitorar a atividade de oito músculos por ciclos de trabalho de 10 minutos com e sem o exoesqueleto no início e no final do turno de trabalho.
Para enfatizar os aspectos mais extenuantes de uma tarefa de trabalho, uma maneira de analisar os resultados é concentrar-se nos 10% mais altos das amplitudes EMG do braço dominante (Figura 3). Se igualarmos os 10% mais altos de EMG a um ciclo de trabalho de 10%, então o ACGIH TLV para fadiga do ombro seria 40% MVC (Figura 1).
Durante o estudo da John Deere, o exoesqueleto resultou numa redução do deltoide anterior (p = 0,08) e do bíceps braquial (p = 0,05) EMG com o exoesqueleto. Também houve reduções modestas no trapézio superior e na EMG do eretor da espinha com o exoesqueleto. Uma pequena porção da faixa de desvio padrão do deltoide anterior excedeu ligeiramente o limite de MVC de 40% com o exoesqueleto. No entanto, quase toda a faixa de desvio padrão excedeu o limite MVC de 40% sem o exoesqueleto. A faixa de desvio padrão do eretor da espinha caiu abaixo do limite MVC de 40% com o exoesqueleto, mas excedeu esse limite sem o exoesqueleto.
Um quarto estudo foi concluído na Toyota Canadá que avaliou o exoesqueleto durante a montagem do material rolante automotivo (Gillette & Stephenson, 2018). A montagem do material rolante tem tempos de ciclo rápidos e é típica de trabalho suspenso, onde há duas opções básicas para reduzir o risco ergonómico. Um vem na forma de virar o carro de lado para a montagem, o que apresenta desafios ergonómicos e financeiros. A outra é fornecer apoio para os braços enquanto trabalha para reduzir a ativação muscular e a fadiga.
Onze trabalhadores ofereceram-se como voluntários para este estudo e os dados foram coletados para 10 tarefas na aéreas de montagem automotiva. Aproximadamente 12 minutos de dados foram coletados em 11 funcionários realizando 10 tarefas de trabalho, com nove tarefas com 10 repetições e uma tarefa de trabalho com três repetições em várias estações. Semelhante ao estudo da John Deere, sensores EMG sem fio foram usados para monitorar a atividade de oito músculos com e sem o uso do exoesqueleto.
Para dar mais ênfase à natureza repetitiva de uma tarefa de trabalho, outra maneira de analisar os resultados é focar nos 50% mais altos das amplitudes EMG do braço dominante (Figura 4). Se igualarmos os 50% mais altos de EMG a um ciclo de trabalho de 50%, o ACGIH TLV para fadiga do ombro seria 16,5% MVC (Figura 1).
Durante o estudo da Toyota Canadá, o exoesqueleto resultou numa redução do deltoide anterior (p = 0,001), bíceps braquial (p = 0,001) e eretor da espinha (p = 0,03) EMG com o exoesqueleto. Houve um aumento modesto no trapézio superior EMG com o exoesqueleto. A média da EMG do deltoide anterior e eretor da espinha caiu abaixo do limiar de 16,5% MVC com o exoesqueleto, mas excedeu esse limiar sem o exoesqueleto. A média do trapézio superior EMG excedeu o limiar de 16,5% MVC com e sem o exoesqueleto, portanto, esta é uma área onde intervenção adicional, como um suporte de pescoço, pode ser benéfica.
Uma análise de fadiga muscular de Rodgers e uma análise de risco ergonómico específico da empresa foram concluídas nas 10 tarefas de trabalho que foram avaliadas com EMG na Toyota no Canadá. Em alguns casos, o risco para cada parte do corpo correspondeu em ambas as análises (Figura 5); em outros houve desacordo.
Quando questionados sobre a consistência das pontuações da avaliação de risco ergonómico, uma sala cheia de profissionais da ergonomia automotiva respondeu que alguma variabilidade nas pontuações não é incomum. Se uma tarefa de trabalho for identificada como tendo uma pontuação de risco ergonómico alto, a EMG pode ser usada para determinar se há benefício em usar um exoesqueleto.
Para esta tarefa, as avaliações ergonómicas indicaram que o pescoço e o ombro direito apresentavam valores de alto risco. Os resultados da EMG demonstram que a atividade dos músculos deltoide anterior e trapézio superior foram reduzidas com o exoesqueleto (embora ainda ligeiramente acima do TLV para o trapézio superior), consistente com as partes do corpo em questão (Figura 5).
Argumentação
O foco deste artigo está no uso potencial de EPI, como um exoesqueleto de ativação passiva da parte superior do corpo para ajudar a prevenir lesões de MSD no ombro. Os autores descreveram as coletas de dados em laboratório, em simulador e no local como métodos possíveis para recolher evidências sobre se um exoesqueleto serve como EPI. Estudos baseados em laboratório beneficiam da capacidade de manipular sistematicamente as condições de postura e recursos de medição adicionais, mas é difícil simular as condições de trabalho industrial e os participantes podem não ser qualificados nas tarefas de interesse.
Simuladores beneficiam de medições precisas de desempenho, mas são limitados à aplicação específica para a qual o simulador foi desenvolvido. Os estudos no local beneficiam de condições de tarefas do mundo real e de participantes experientes, mas são potencialmente limitados na instrumentação de medição e requerem coordenação para minimizar a interrupção do trabalho.
Esta série de estudos indica que trabalhadores com tarefas que envolvem apoio ou transferência de cargas acima do nível do ombro (por exemplo, montagem, pintura, soldagem, manuseamento de peças) podem beneficiar do uso do dispositivo de exoesqueleto avaliado nos estudos como EPI. Espera-se que a redução na EMG com o uso do exoesqueleto retarde o início da fadiga muscular e possa reduzir o risco de lesões crónicas no ombro.
Dos trabalhos testados, o exoesqueleto pode ser uma solução ergonómica como EPI para tarefas que envolvem flexão do ombro de 30 ° a 170 ° que não podem ser eliminadas por meio de modificação do local de trabalho. Os resultados de EMG mostram que os músculos ainda estão a trabalhar, mas não tão intensamente, diminuindo, portanto, as preocupações com o desenvolvimento de atrofia muscular (Butler & Wisner, 2017). Analisar o máximo de 10% EMG pode ser mais apropriado para trabalhos de força mais alta / baixa repetição, enquanto o máximo de 50% EMG pode ser mais apropriado para trabalhos de força mais baixa / alta repetição.
Os estudos dos autores avaliaram um projeto de exoesqueleto passivo da parte superior do corpo, mas outros exoesqueletos podem ter um desempenho diferente e, portanto, não se sabe se eles atenderão à definição de EPI. EPI é pessoal. Respiradores, luvas ou óculos de segurança devem ser testados em relação a diferentes padrões de desempenho para demonstrar se o nível de proteção atende aos requisitos para ser chamado de EPI.
Conforme demonstrado com as descobertas da pesquisa, pode-se argumentar que a mesma lógica é verdadeira para diferentes fabricantes de exoesqueletos. Por exemplo, duplicar o peso do exoesqueleto exigirá que o utilizador gaste mais energia apenas para carregar a unidade e ativá-la para obter apoio quando necessário. O uso de um exoesqueleto passivo deve ser equilibrado com a antropometria do utilizador, bem como tarefas de trabalho, ferramentas usadas e peças manuseadas. Para isso, é necessário conhecer os cuidados, limitações e uso da tecnologia para que os funcionários sejam devidamente treinados.
Conforme observado, o EPI é pessoal e, como tal, o ajuste adequado, como todas as outras formas de EPI, é fundamental para seu uso. Como outras formas de EPI, os exoesqueletos devem passar por padrões de desempenho para garantir que os funcionários estejam protegidos adequadamente e não sujeitos a riscos indesejados. Infelizmente, esses padrões não existem. A base desta pesquisa é apresentar métodos de teste para obter dados quantitativos para apoiar decisões sobre se os exoesqueletos devem ser classificados como EPI.
Quando os cuidados, limitações e uso do EPI são claramente definidos, a formação adequada pode ser fornecida ao funcionário para prevenir o uso indevido ou a introdução de riscos indesejados no ambiente de trabalho. Para entender esses riscos, uma avaliação cuidadosa das características e benefícios de cada exoesqueleto deve ser considerada. O design do exoesqueleto, o peso e a finalidade pretendida devem ser aplicáveis ao utilizador e ao trabalho. Pedir para ver os dados usados para apoiar as afirmações de marketing feitas pelo fabricante ajudará a minimizar o uso indevido ou potenciais efeitos negativos sobre o utilizador.
Por exemplo, é importante considerar como retirar o utilizador do exoesqueleto em caso de emergência. Ter um único ponto de libertação ou fivelas de segurança removíveis no caso do utilizador ficar preso numa linha em movimento é uma consideração chave. O perfil e a distância do corpo ao qual o exoesqueleto se projeta também pode contribuir para o risco do dispositivo ficar preso por uma peça ou linha em movimento.
Garantir que o material e as partes componentes do exoesqueleto que entram em contacto com o corpo sejam feitos de um material respirável e fresco é importante para o conforto e a aceitação, como qualquer EPI. A unidade é classificada como resistente a chamas em caso de exposição a faíscas ou chamas? A unidade acumula carga estática em ar altamente atomizado, como numa cabine de pulverização eletrostática?
A anti mutilação (capas protetoras) está disponível para uso em ambientes de alto acabamento ao trabalhar à volta de peças pintadas para evitar arranhões? Como é a ativação ao levantar os braços? É suave ou irregular? A ativação suave do suporte de braço é necessária para controlar movimentos finos e prevenir movimentos indesejados. Qual é o peso do exoesqueleto, e pode impactar negativamente o utilizador, aumentando a frequência cardíaca da pessoa ou aumentando as forças nas articulações, como pode ser encontrado em alguns respiradores de máscara facial ou aparelhos de respiração autónomos?
Essas foram todas as considerações ao selecionar o exoesqueleto usado nos estudos numa fábrica do Centro-Oeste da John Deere e da Toyota. Os resultados da pesquisa apresentada aqui são aplicáveis a exoesqueletos de ativação passiva da parte superior do corpo com peso inferior a 3 quilos. Exoesqueletos com peso superior a 3 quilos e características de design diferentes da unidade testada podem produzir resultados de desempenho diferentes. Podem ter limitações diferentes e, como tal, a sua classificação como forma de EPI pode não ser aplicável.
Os estudos dos autores forneceram evidências quantitativas dos benefícios do exoesqueleto em condições de trabalho de curto prazo no mundo real, mas estudos de longo prazo também são necessários. Os exoesqueletos devem passar por testes de desempenho para garantir a segurança. O Comité F48 da ASTM sobre Exoesqueletos e Fatos de Proteção começou a desenvolver tais padrões.
*Publicado originalmente na Revista da Sociedade Americana dos Profissionais da Segurança.
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