CZYNNIKI ROZWOJU DOLEGLIWOŚCI UKŁADU MIĘŚNIOWO-SZKIELETOWEGO JAKO ŹRÓDŁA EKSPOZYCJI ZWIĄZANYMI Z CZYNNOŚCIAMI WYKONYWANYMI NA STANOWISKU PRACY

ERGONOMIA

Zakres prac w działaniach ergonomicznych obejmuje relacje między czynnościami wykonywanymi przez pracownika na stanowisku pracy, środkami służącymi do wykonywania tej pracy, a środowiskiem pracy. W zakresie działań praktycznych wyróżnia się dwa kierunki ergonomii: ergonomię koncepcyjną (projektową) oraz ergonomię korekcyjną. Ergonomia koncepcyjna zajmuje się optymalizacją układu człowiek - technika - środowisko na etapie projektowania. Ergonomia korekcyjna zajmuje się analizą istniejących warunków na stanowiskach pracy poprzez oceną pod kątem zgodności tych warunków z istniejącymi wymaganiami. Aby zarówno podejście ergonomii koncepcyjnej, jak i korekcyjne mogło sprostać wymaganiom odpowiedniego doboru kryteriów dla zapewnienia bezpiecznej pracy konieczna jest wiedza z zakresu:

• fizjologii pracy - w zakresie zmian jakie dokonują się w organizmie podczas pracy,
• psychologii (inżynieryjnej) - w zakresie specyfiki psychologicznej procesów poznawczych: przyjmowania, przetwarzania informacji, podejmowania decyzji, procesów zmęczenia psychicznego,
• antropometrii - w zakresie cech pomiarowych wymiarów kończyn i zasięgów ciała człowieka na stanowisku pracy,
• biomechaniki - w zakresie rozwijania sił, pozycji ciała oraz optymalnych ich wartości podczas wykonywania pracy.

W obszarze ergonomii biomechanika pracy spełnia znaczącą rolę w określeniu wymagań jakie powinny być spełnione w warunkach pracy, aby zapewnić takie obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego, które zapobiega rozwojowi MSDs. Biomechanika jest interdyscyplinarną nauką łączącą wiedzę z zakresu anatomii, matematyki i fizyki. Głównym przedmiotem badań w obszarze biomechaniki jest badanie struktury ruchów organizmów żywych, w szczególności człowieka. Jednym z wielu zagadnień mieszczących się w obszarze biomechaniki, są te powiązane pracą. Przedmiotem biomechaniki pracy jest badanie przyczyn oraz skutków działania na pracownika sił zewnętrznych i wewnętrznych wynikających z procesu pracy.

Na obciążenie biomechaniczne mają wpływ typowe czynności prowadzące do rozwoju MSDs, takie jak ciężka praca fizyczna, np. podnoszenie i przenoszenie ciężkich ładunków, pchanie, ciągnięcie. Jednak również praca biurowa lub praca na linii produkcyjnej, pakowanie małych przedmiotów, itp., tj. praca, która głównie dotyczy kończyn górnych w powtarzających się sekwencjach ruchu i siły z obciążeniem statycznym pleców powoduje obciążenie biomechaniczne, które może skutkować zaburzeniami układu mięśniowo-szkieletowego

Obciążenie pracownika w powiązaniu z wykonywaną pracą jest ściśle związane z takimi biomechanicznymi czynnikami jak pozycja ciała, wywierana siła zewnętrzna (typ, kierunek działania i wartość siły) oraz czynnik czasu. Czynnik czasu może być rozpatrywany jako czas utrzymywania określonej pozycji ciała i wywieranej siły lub jako czas powtarzających się sekwencji czynności pracy. Te trzy podstawowe czynniki biomechaniczne w połączeniu  determinują obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego w aspekcie biomechanicznym. Również narażenie na czynnik środowiskowy, jakim jest wibracja, wzmacnia prawdopodobieństwo rozwoju MSDs.

Również obciążenie psychiczne może być przyczyną nadmiernego obciążenia mięśniowo-szkieletowego i poprzez to prowadzić do rozwoju MSDs. Obciążenie psychiczne powiązane jest z odczuwaniem stresu powodowanego przez różnego typu czynniki psychospołeczne. Wpływ różnych czynników na stres i poprzez to na zdrowie wyjaśniany jest za pomocą różnych modeli. Wśród modeli teoretycznych, które pomagają zrozumieć i określić ilościowo stres w pracy w odniesieniu do środowiska pracy, model typu „wymagania – kontrola” Karaska, później rozszerzony o wsparcie, jest najlepiej przetestowany i potwierdzony (Karasek i inni, 1998). Psychospołeczne czynniki zewnętrzne obejmują monotonię pracy, presję czasu, koncentrację, odpowiedzialność, nakład pracy, szansę na przerwę, przejrzystość, kontrolę, autonomię i wsparcie od kolegów, przełożonych lub członków rodziny.

Interakcje między tymi trzema czynnikami (biomechaniczne, wibracja i psychiczne) są również ważne. Niewygodne pozycje z dodatkowym oddziaływaniem wibracji całego ciała zwiększają ryzyko bólów kręgosłupa nawet cztery razy w porównaniu z pozycją siedzącą. Natomiast połączenie ekspozycji pracownika na obciążenie biomechaniczne i psychiczne zwiększa ryzyko urazów układu mięśniowo-szkieletowego.

Wieloczynnikowa natura rozwoju MSDs wraz z zależnościami pomiędzy czynnikami zewnętrznymi powiązanymi z pracą, a czynnikami wewnętrznymi charakteryzującymi pracownika przedstawiono w Modelu Interakcji. Połączenie parametrów, które opisują poszczególne czynniki zewnętrzne tworzy ekspozycję. Model dzieli wewnętrzną strukturę ludzkiego ciała na system psychologiczny i system układu mięśniowo-szkieletowego (rys. 1). Koncepcja tego modelu jest oparta na założeniu, że czynniki biomechaniczne i wibracja oraz kombinacja tych czynników wpływają na układ mięśniowo-szkieletowy bezpośrednio. Czynniki psychospołeczne oraz biomechaniczne i wibracja i ich kombinacja wpływają na system psychologiczny.

Rys. 1. Powiązanie pomiędzy czynnikami zewnętrznymi i ich oddziaływaniem na układ mięśniowo-szkieletowy i system psychiczny (na podstawie Roman-Liu, 2013). Uwagi: E_musc- ekspozycja na system mięśniowo-szkieletowy; E_ment- ekspozycja na system psychologiczny.

Obciążenie biomechaniczne jest ściśle związane z przyjmowaną pozycją ciała, wywieraną siłą (typ, kierunek działania i wartość siły) oraz czasem. Powiązanie pozycji ciała z wywieraną siłą określane jest jako obciążenie jednostkowe. Natomiast czynnik czasu odnosi się do czasu utrzymywania obciążenia, częstości powtórzeń określonych czynności, ale także do maksymalnego czasu utrzymywania stałego obciążenia lub też do maksymalnego czasu wykonywania pracy powtarzalnej. Dla właściwej oceny obciążenia konieczne jest rozpatrywanie tych trzech czynników łącznie i konieczna jest ocena łącznego ich oddziaływania.

POZYCJA CIAŁA

Pozycja ciała zdeterminowana jest wykonywanymi czynnościami oraz strukturą przestrzenną stanowiska pracy. Struktura przestrzenna stanowiska utworzona jest poprzez jego konstrukcję, kształt, wielkość i wzajemne położenie jego elementów. Dla potrzeb oceny obciążenia pracownika znaczenie ma ta część stanowiska pracy, która wchodzi w bezpośredni kontakt dotykowy lub wzrokowy z użytkownikiem, czyli poprzez tzw. punkty kontaktowe. Znaczenie w definiowaniu zarówno położenia członów ciała jak i punktów kontaktowych mają płaszczyzny odniesienia (rys. 2).

Rys. 2. Podstawowe płaszczyzny odniesienia dla definiowania pozycji ciała.

Płaszczyzna strzałkowa (sagital) jest płaszczyzną symetrii dzielącą ciało człowieka na dwie części, z których jedna jest lustrzanym odbiciem drugiej. Płaszczyzna ta dzieli ciało na część prawą i lewą. Można określić, iż płaszczyzna ta przechodzi przez nos. Ruchy członów ciała w płaszczyźnie strzałkowej określane są jako zginanie i prostowanie bądź zgięcie grzbietowe i zgięcie powierzchniowe w przypadku stóp. Płaszczyzna czołowa (frontal) jest płaszczyzną prostopadłą do płaszczyzny strzałkowej. Obrazowo można określić, iż płaszczyzna ta przechodzi przez czoło ciała człowieka. Ruchy wykonywane w płaszczyźnie czołowej nazywane są odwodzeniem (od linii środkowej ciała) i przywodzeniem (do linii środkowej ciała). Płaszczyzna poprzeczna jest płaszczyzną prostopadłą do płaszczyzny strzałkowej i czołowej i równoległą do podłoża. Ruch w tej  płaszczyźnie określany jest mianem obrotu. Przy czym w odniesieniu do kończyn mówi się o nawracaniu (ruch rotujący do wewnątrz wokół osi podłużnych) i odwracaniu (ruch rotujący na zewnątrz wokół osi podłużnych), zaś w odniesieniu do tułowia i głowy o skręcie.

Pozycja ciała definiowana jest wartościami kątów w stawach pomiędzy segmentami ciała zaangażowanymi w wykonywanie czynności (rys. 3). Położenie kończyn górnych opisywane jest wartościami siedmiu kątów odnoszących się do zginania/prostowania ramienia (q₁), odwodzenia/przywodzenia ramienia (q₂), obrotu ramienia (q₃), zgięcia w łokciu (q₄), pronacji/supinacji (q₅), odwodzenie/przywodzenia nadgarstka (q₆) oraz zginania/prostowania nadgarstka (q₇) (Roman-Liu, 2015).

Przyjęto, że dla obciążenia pleców znaczenie ma położenie kończyny opisywane wartościami kątów q₁, q₂, q₃, q₄. Położenie kończyn dolnych określane jest w odniesieniu tylko do płaszczyzny strzałkowej, uwzględniany jest kąt w stawie biodrowym (Ω) i kąt w stawie kolanowym (Θ). Położenie części lędźwiowej pleców definiowane jest wartościami kątów w płaszczyźnie strzałkowej (α), czołowej (β) i poprzecznej (γ), w podobny sposób definiowane jest położenie części szyjnej pleców. Położenie głowy definiowane jest w taki sam sposób i z zastosowaniem tych samych parametrów zarówno podczas siedzącej jak i stojącej pozycji ciała, czyli przez kąt pochylenia (τ), zginania (φ) i skrętu (χ) szyi. Położenie kończyn dolnych określane jest w odniesieniu do płaszczyzny strzałkowej. Uwzględniono kąt w stawie biodrowym (Ω) i kąt w stawie kolanowym (Θ).

Rys. 3. Ilustracja graficzna kątów umożliwiających zdefiniowanie położenia: kończyny górnej (q1 – kąt przywodzenia/odwodzenia ramienia opisywany w płaszczyźnie poprzecznej; q2 – kąt prostowania/zginania ramienia w płaszczyźnie strzałkowej; q3 – kąt obrotu wokół osi ramienia; q4 – kąt zginania w łokciu; q5 – kąt obrotu wokół osi przedramienia; q6 – kąt odwodzenia /przywodzenia w nadgarstku; q7 – kąt zginania/prostowania w nadgarstku); szyi (τ – kąt pochylenia; φ – zginania; χ – skrętu); plecach (α – zginanie, β – prostowanie; γ – obrót); kończyny dolnej (Ω – kąt w stawie biodrowym; Ɵ – kąt w stawie kolanowym) (Na podstawie Roman-Liu (2015)).

Przyjmowana pozycja ciała w danej strukturze przestrzennej stanowiska pracy zależy także od wymiarów ciała użytkownika. W celu uzyskania optymalnych pozycji ciała wymagane jest dostosowanie wymiarów stanowiska pracy do wymiarów ciała grupy użytkowników. Istotne zatem jest, aby położenie punktów kontaktowych było dostosowane do charakterystyki wymiarowej docelowych użytkowników, często o zróżnicowanych wymiarach ciała.

Optymalną, najmniej obciążającą pozycją ciała jest pozycja naturalna, czyli pozycja stojąca z wyprostowanym kręgosłupem i kończynami górnymi opuszczonymi wzdłuż ciała. W takiej pozycji wszystkie kąty pomiędzy poszczególnymi członami ciała są równe zero. Im większe odchylenie ciała od pozycji naturalnej tym większe obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego.

SIŁA ZEWNĘTRZNA

Obok położenia ciała podczas wykonywania poszczególnych czynności pracy istotnym elementem biomechaniki są siły związane z wykonywana pracą. Siły występujące w procesie aktywności ruchowej człowieka można podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne względem układu mięśniowo-szkieletowego. Zgodnie z tym podziałem do zewnętrznych zalicza się siły wywierane na obiekt pracy, a siły mięśniowe zaliczane są do wewnętrznych. Siły zewnętrzne można zmierzyć doświadczalnie za pomocą wielu różnych przyrządów, np. dynamometr.

Na stanowisku pracy czynności wymagające wywierania siły powinny być zaprojektowane tak, aby były one wykonywane w sposób optymalny z uwzględnieniem pozycji przy pracy, kierunku działania i wartości siły, częstości jej występowania oraz czasu oddziaływania. Siła fizyczna musi być wywierana przez te grupy mięśniowe, które są w stanie pokonać wartość siły zewnętrznej, co wiąże się również z odpowiednią pozycją ciała podczas wykonywania danej czynności. Należy także uwzględnić fakt, iż w czasie pracy różne mięśnie i grupy mięśniowe powinny być aktywizowane na zmianę, tak aby nie powodować przeciążeń statycznych i zmęczenia układu mięśniowego. Zatem, wartości sił wywieranych przez pracownika w czasie pracy powinny być utrzymane na akceptowalnym poziomie, przy czym poziom ten w przypadku prac ręcznych zależy od:

• czynników związanych z środkami pracy (masa, kształt, wielkość oraz umiejscowienie przedmiotu);
• czasu trwania i częstości powtarzania wywieranej siły;
• pozycji ciała pracownika;
• czynników subiektywnych związanych z pracownikiem (technika pracy, płeć, wiek, stan zdrowia i wyszkolenia).

Optymalnym podejściem do zagadnienia siły w powiązaniu ze stanowiskiem pracy jest wyrażanie siły jako wartości względnej, czyli zależnej od możliwości pracownika. W takim przypadku siła wywierana podczas określonej czynności odnoszona jest do siły maksymalnej tego samego typu wywieranej przez pracownika. Zatem, rozpatrując np. siłę maksymalną kończyny górnej należy wziąć pod uwagę typ wywieranej siły (ciągnięcie, pchanie, ścisk ręką itp.) oraz położenie.

RYTM PRACY

Nawet podczas prac powszechnie uważanych za lekkie i powodujących małe obciążenie układu ruchu może występować nadmierne obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego spowodowane niewłaściwą techniką pracy. Obok wywieranej siły i pozycji ciała podczas pracy przyczyną dolegliwości układu mięśniowo-szkieletowego jest także rytm pracy, czyli czas uwarunkowany zmianą napięcia mięśni.

Praca statyczna mięśni jest rozumiana jako izometryczny skurcz mięśnia, w którym długość określonego mięśnia nie ulega zmianie. Stałą długość mięśnia można interpretować jako sytuację, w której położenie odpowiednich segmentów ciała pozostaje stałe. Z ergonomicznego punktu widzenia statyczne napięcie mięśniowe charakteryzowane jest poprzez czas trwania tego napięcia dla określonego poziomu siły. W praktyce występują sytuacje, w których praca statyczna nie jest wykonywana w sposób ciągły. Przykładem są prace, w których występują krótkotrwałe przerwy w aktywności mięśnia /mięśni wykonujących pracę statyczną, tak zwane mikroprzerwy. Sekwencje tego typu są określane jako praca statyczna przerywana w odróżnieniu od obciążenia statycznego ciągłego w sytuacji, gdy przerwy te nie pojawiają się lub pojawiają się stosunkowo rzadko. Na rys. 4 przedstawiono zależność czasu utrzymywania dla określonego poziomu siły wywieranej w sposób statyczny i przerywany.

Rys. 4. Maksymalny czas utrzymywania siły w zależności od poziomu napięcia mięśniowego (siła skurczu mięśnia w %MVC) dla pracy statycznej ciągłej (stat.) i pracy przerywanej (7s napięcie mięśniowe i 3 s relaksacja).

W ciągu dnia pracy jest wykonywany ciąg czynności składających się na obciążenie całkowite i określony jako cykl pracy - każda czynność odpowiada kolejnej fazie cyklu.

Jeden cykl pracy może:

• trwać całą zmianę roboczą, gdy sekwencje wykonywanych czynności nie powtarzają się
• trwać przez fragment zmiany roboczej gdy sekwencje wykonywanych czynności powtarzają się

Jeżeli cykl pracy jest krótki, czyli określona sekwencja czynności pracy jest powtarzana wielokrotnie, praca jest określana jako powtarzalna. Obciążeniami powtarzalnymi szczególnie zagrożone są kończyny górne. Praca powtarzalna może być rozumiana jako ciągłe powtarzalne obciążanie tych samych tkanek. Pojęcie pracy powtarzalnej w interpretacji podanej przez Kilbom (1994) oznacza, że praca jest powtarzalna, jeżeli wymaga wielokrotnego wykonywania „podobnych’’ cykli czynności roboczych. Podobieństwo cykli jest tu rozumiane w sensie sekwencji czasowych, rozwijanych sił mięśniowych oraz przestrzennej charakterystyki ruchów. Opisanie powtarzalności następuje poprzez częstość powtórzeń określonych czynności różnicowanych przez położenie członów ciała i wywieraną siłę.

Silverstein i współpracownicy (1986) przeprowadzili podział pracy powtarzalnej na pracę charakteryzującą się cyklami o dużej powtarzalności oraz pracą z cyklami o małej powtarzalności. Jako cykle o dużej powtarzalności uznano cykle o czasie poniżej 30 sekund lub takie, w których ponad 50 % czasu cyklu jest wykonywany taki sam cykl podstawowy. Cykl podstawowy jest to cykl, który składa się na ciąg powtarzanych kroków w czasie cyklu pracy. Cykl o małej powtarzalności to cykl o czasie trwania powyżej 30 sekund, w którym mniej niż 50% czasu cyklu jest zaangażowane w wykonywanie takiej samej sekwencji ruchów.

Pozycja ciała wraz z wywieraną siłą, w danym momencie czasu, składają się na biomechaniczne oddziaływanie jednostkowe, czyli biomechaniczne obciążenie zewnętrzne E w danej chwili czasu t. Zmiana pozycji i/lub siły powoduje także zmianę wielkości tego obciążenia. Obciążenie o charakterze ciągłym występujące podczas pracy może być rozpatrywane jako quasi statyczne wyrażane jako dyskretna funkcja czasu (rys. 5).

Rys. 5. Schematyczne przedstawienie obciążenia jako ciągłej funkcji czasu oraz jako quasi statyczne, gdzie określonym poziomom obciążenia przyporządkowany jest stosowny fragment czasu.

Wykonywanie każdej czynności pracy wymaga zaangażowania całego ciała z tym, że różne człony ciała zaangażowane są w różny sposób. Zazwyczaj, podczas prac wykonywanych w pozycji stojącej występuje zaangażowanie ruchowe kończyn górnych, kończyn dolnych i pleców. Występują jednakże takie czynności, podczas których ruchowo zaangażowane są jedynie kończyny górne, podczas gdy kończyny dolne i plecy obciążone są statycznie. Występują również takie czynności pracy, które angażują ruchowo tylko niektóre człony kończyny górnej jak np. rękę przy nieruchomym ramieniu i przedramieniu. Powoduje to z jednej strony obciążenie pewnych partii ciała pracą powtarzalną z drugiej natomiast obciążenie statyczne innych części ciała zaangażowanych w utrzymywanie pozycji. Sytuacja taka jest określana jako obciążenie statyczne lub praca statyczna.

Czas utrzymywania pozycji ciała podczas pracy zależy od tego, jaka jest ta pozycja. Badania Miedema i inni (1997) określiły maksymalny czas utrzymywania różnych pozycji ciała (rys.10).

Rys. 6. Wyniki badań psychofizycznych dostarczających danych dotyczących maksymalnego czasu utrzymywania wybranych pozycji ciała (Miedema i inni, 1997)