Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie și formare profesională în sprijinul creşterii economice și dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale și post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale și postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov SINTEZA TITLU Dezvoltarea unui sistem de analiză bio-comportamentală a factorului uman în raport cu stimuli externi. Managementul interacțiunilor dintre factorul uman și mediul de acțiune în vederea optimizării conexiunilor active și pasive. AUTORI: Prof.dr.ing. Mihaela BARITZ - ETS Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA - ETL Prof.dr.ing. Ileana ROSCA - ETL 1. Introducere Starea de sănătate bună, pe termen lung, a populației depinde de stabilitatea continuă și de buna funcționare a sistemelor ecologice și fizice ale biosferei, de multe ori referindu-se la acestea ca la sistemele de susținere a vieții. De multe ori, se ignoră acest adevăr stabilit de-alungul istoriei evoluției noastre și uneori toate aceste aspecte sunt prea ușor trecute cu vederea, în special într-o perioadă când specia umană devine din ce în ce mai urbanizată și se distanțează de ecosistemele naturale. Sistemele climatice, alături de alte sisteme ecologice și bio-sociale sunt părți integrante din prezentul complex de procese de susținere a vieții și constituie unele din multele sisteme naturale de mari dimensiuni, care acum se află sub „presiune” datorită influenței, tot mai mari, de creștere a populației umane și a activități sale economice. [3] De-a lungul ultimilor 100 de ani, studii ale influențelor mediului asupra creșterii fizice a populației umane și dezvoltarea sa s-au concentrat pe influențele factorilor sociali și economici; caracteristici de familie; urbanizare/modernizare; nutriție și respectiv pe caracteristici ale mediului fizic, cum ar fi: altitudine, temperatură, presiune și clima. Continuând în această tradiție, o serie de investigații se axează pe analiza efectelor și rolului poluanților și deasemenea asupra altor aspecte ale mediului uman, în conexiune cu creșterea și dezvoltarea structurii umane, în special momentul maturizării antropometrice și dezvoltarea diferitelor stări fiziologice. Studiile contemporane asupra evoluției umane în raport cu mediul înconjurător își au rădăcini în studiile asupra condițiilor urbane realizate pe la mijlocul secolului al XIX-lea (Tanner 1981). Aceste studii constată creșterea populației prin creșterea numărului copiilor din mediul urban și din mediul rural, dar diferențiat (mai puțini copii în mediul urban decât în cel rural). Mesajul moral și imperativul reformist din aceste studii a fost extrem de clar, deși există o tipologie de mediu implicat prin contrastul rural-urban, sensibilitatea de creștere umană și modificarea condițiilor sociale și de mediu a fost dezvoltată la începutul erei moderne, de studiile asupra creșterii populației și a dezvoltării sale economico-sociale. Interesul bazat pe dovezi ale reformei sociale a încurajat aceste
49
Embed
Dezvoltarea unui sistem de analiza bio-comportamentala a ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Investeşte în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Axa prioritară 1 „Educaţie și formare profesională în sprijinul creşterii economice și dezvoltării societăţii bazate pe
cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale și post-doctorale în sprijinul cercetării”
Titlul proiectului: Burse doctorale și postdoctorale pentru cercetare de excelenta
Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378
Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
SINTEZA TITLU
Dezvoltarea unui sistem de analiză bio-comportamentală a factorului uman în raport cu stimuli
externi.
Managementul interacțiunilor dintre factorul uman și mediul de acțiune în vederea optimizării
conexiunilor active și pasive.
AUTORI: Prof.dr.ing. Mihaela BARITZ - ETS
Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA - ETL
Prof.dr.ing. Ileana ROSCA - ETL
1. Introducere Starea de sănătate bună, pe termen lung, a populației depinde de stabilitatea continuă și de
buna funcționare a sistemelor ecologice și fizice ale biosferei, de multe ori referindu-se la acestea ca
la sistemele de susținere a vieții. De multe ori, se ignoră acest adevăr stabilit de-alungul istoriei
evoluției noastre și uneori toate aceste aspecte sunt prea ușor trecute cu vederea, în special într-o
perioadă când specia umană devine din ce în ce mai urbanizată și se distanțează de ecosistemele
naturale. Sistemele climatice, alături de alte sisteme ecologice și bio-sociale sunt părți integrante din
prezentul complex de procese de susținere a vieții și constituie unele din multele sisteme naturale de
mari dimensiuni, care acum se află sub „presiune” datorită influenței, tot mai mari, de creștere a
populației umane și a activități sale economice. [3]
De-a lungul ultimilor 100 de ani, studii ale influențelor mediului asupra creșterii fizice a
populației umane și dezvoltarea sa s-au concentrat pe influențele factorilor sociali și economici;
caracteristici de familie; urbanizare/modernizare; nutriție și respectiv pe caracteristici ale mediului
fizic, cum ar fi: altitudine, temperatură, presiune și clima. Continuând în această tradiție, o serie de
investigații se axează pe analiza efectelor și rolului poluanților și deasemenea asupra altor aspecte ale
mediului uman, în conexiune cu creșterea și dezvoltarea structurii umane, în special momentul
maturizării antropometrice și dezvoltarea diferitelor stări fiziologice.
Studiile contemporane asupra evoluției umane în raport cu mediul înconjurător își au rădăcini
în studiile asupra condițiilor urbane realizate pe la mijlocul secolului al XIX-lea (Tanner 1981).
Aceste studii constată creșterea populației prin creșterea numărului copiilor din mediul urban și din
mediul rural, dar diferențiat (mai puțini copii în mediul urban decât în cel rural). Mesajul moral și
imperativul reformist din aceste studii a fost extrem de clar, deși există o tipologie de mediu implicat
prin contrastul rural-urban, sensibilitatea de creștere umană și modificarea condițiilor sociale și de
mediu a fost dezvoltată la începutul erei moderne, de studiile asupra creșterii populației și a
dezvoltării sale economico-sociale. Interesul bazat pe dovezi ale reformei sociale a încurajat aceste
studii moderne asupra procesului de creștere și dezvoltare. Mai târziu, interesul în reforma
educațională a ajutat studiile asupra modului de creștere normală, dar mult mai multe studii au
demonstrat, în mod definitiv, principiile de organizare a creșterii populatiei (de exemplu, Boas 1897;
Hall 1896; Shuttleworth 1939, Tanner 1981).
In prima jumătate a secolului XX au apărut studii asupra procesului de migrație ca o primă
cale pentru înțelegerea efectelor asupra mediului de creștere a populatiei (Kaplan, 1954). La mijlocul
secolului XX, și mai ales după cel de al doilea război mondial, paradigma rasială pentru cercetarea
variației populației umane a fost eliminată și a fost înlocuita treptat de paradigma de adaptabilitate
(Baker și Weiner 1966, Harrison et al. 1969; Lasker 1969; Hoff 1974). Cercetări privind influența
unor medii extreme asupra variației biologiei umane au inclus studii de creștere ca mijloc de
observație a variației biologice la populația adultă. Lista de cercetări care efectuează studii de creștere
a populației în relație cu factorii de mediu, realizate de la fondarea Societății pentru Studiul de
Biologie Umană (SSHB) și până în prezent cuprinde numeroase și ample exemple. Studiile de
creștere în ceea ce privește temperatura (Newman 1953; Eveleth 1966), altitudine mare (Frisancho și
Baker 1970; Mazess 1970; Micul și Hochner 1973; Stini 1975; Haas 1980; Haas și colab. 1982;
(1-3 Hz) şi nevoi fiziologice de metabolism (10-18 HZ). [5]
3. Analiza bio-comportamentului uman în activități interacționate cu mediu,
utilaje și tehnologii și afectarea acestuia de către stimulii externi Analiza comportamentului uman ce desfășoară activități de lucru reprezintă în orice moment
un domeniu de mare importanță în obținerea performanțelor și asigurarea confortului ocupațional.
Astfel analizele comportamentale se direcționeaza spre determinări asupra posturii bipodale,
asupra mersului normal, cu sau fără greutăți purtate de subiectul uman și nu în ultimul rând asupra
mișcărilor corpului uman pentru efectuarea diferitelor manevre sau acțiuni desfasurate în activități de
muncă (ridicat/coborât, tras/împins, deplasat pe distanțe scurte orizontale etc.). în aceste analize
Fig.6. Sistemul mecanic echivalent, simplificat, al organismului uman şi intervalele frecvenţelor de rezonanţă
proprii diferitelor segmente ale corpului. [8]
comportamentale s-a adoptat conceptul de sistem om-mașină-mediu pentru a fi utilizat unitar și
pentru a putea lua în considerare toate aspectele legate de sursele de influență, modurile de
interacțiune și obținerea răspunsurilor senzoriale și decizionale. În același timp se evidențiază că
există trei subsisteme între care se stabilesc interacțiuni, rezultanta lor influenţând calitatea şi
cantitatea muncii depuse de om.
Subsistemul om este descris prin funcțiile de recepţie, procesare a informațiilor şi de luare a
deciziilor şi funcția de acțiune prin care se acționează direct asupra maşinii.
Subsistemul maşină este format din următoarele elemente: dispozitive de afişare şi
semnalizare, dispozitivele de comandă; între acestea două, maşina realizează o serie de operaţii.
Subsistemul mediu influenţează funcționarea sistemului prin componentele sale, date de:
zgomot, temperatură, umiditate, noxele toxice, iluminat etc. Pentru a reduce efortul și timpul de
proiectare s-a adoptat ca mediul de lucru să fie proiectat și utilizat în condiții virtuale, totodată
luându-se în considerare și aspectele economice, de a elimina costurile asociate cu realizarea
prototipurile fizice, dar siguranța și calitatea activității lucrătorilor rămânând în continuare pe primul
plan.
Spre exemplu, în anul 2006 Biroul de statistică a muncii din Franța (Bureau of Labor
Statistics - BLS) a raportat că în timpul producției apare cel mai mare număr de înbolnăviri
ocupaționale ne-mortale, în medie cam 6 incidente la 100 de muncitori, anual, iată de ce a apărut
necesitatea utilizării modelărilor virtuale, a simulărilor în funcționare a unor echipamente mai ales
acolo unde este implicat factorul uman (acesta fiind la rândul său modelat virtual). Modelele umane
digitale (MUD) posibil de a fi utilizate în astfel de analize sunt reprezentări virtuale ale corpului
uman și permit produselor și respectiv proceselor ce interacționează cu omul să fie, în mod virtual,
”aduse” lângă om, formând împreună cu acesta și cu geometria ”celulei de muncă” un sistem
proiectat de calculator, analizat și optimizat prin intermediul mecansimelor de software.
Au fost dezvoltate o serie mare de modele iar caracteristica generală a acestor modele este că
subiecții umani implicați în activități de lucru vor putea alege posturile în care articulațiile corpului
uman pot executa și dezvolta cele mai mari momente și forțe, într-o manieră optimă de autoreglare a
mecanismelor de mișcare și stabilitate. Seitz et al. (2005) și Rothaug (2000), au dezvoltat un model
bazat pe optimizarea posturii predictive care la rândul său este bazată pe postura umană și
informațiile legate de tensiuni și forțe dezvoltate în segmentele corpului uman. Tensiunile au fost
utilizate în aceste modele ca niște constrângeri ce se apropie de aspectele ”mai naturale” ale
biomecanicii umane pentru a îmbunătăți realismul vizual al predicției posturii (Liu, 2003, Zhao et al.,
2005). Dar aspectele de “mai natural!”, privite ca niște criterii subiecțive sunt necesare dar nu
Fig.7.Schema structurală a sistemului om-mașină-mediu
suficiente pentru validarea analizelor ergonomice și pentru soluționarea analizelor biomecanice de
optimizare și eficientizare. Deasemenea în lucrările lui Seitz et al. (2005) care calculează cu multă
acuratețe posturile în mod “plauzibil,” nu se prezintă totuși o comparație între postura actuală și cea
predictivă a factorului uman. Într-o formă similară același mod de abordare îl regăsim și în lucrările
Liu (2003) și Zhao et al. (2005) care dezvoltă modele capabile să prezică forma ”naturală” ca situație
opusă posturii predictive, dar constată că aspectul de natural nu este suficient pentru măsurare
cantitativă și pentru procesul de predicție cu care să se compare față de postura actuală a lucrătorilor.
Mulți cercetători au propus ca posturile de lucru să fie predictive prin optimizarea unor factori cum ar
fi: energia potențială, deviația față de punctual neutru al articulației implicate în mișcare, disconfort și
tensiune. Abordarea generală constă în selecția dintr-o multitudine de posturi care sunt din punct de
vedere cinematic conectate cu constrângerile, pe aceea care minimizează (sau în mod opus -
maximizează) o funcție obiectivă. Spre exemplu, Marler et al. (2005) propune mai multe ”chei” de
soluții (printer care tendința de a muta secvențial diferite segmente ale corpului, de preferat spre
înainte față de poziția neutră de confort, disconfortul mișcării aproape de limitele gamei de mișcare a
articulației) care ipotetic sunt legate de comportamentul uman în postura aleasă. Predicția posturii și a
mișcării corpului uman pot fi completate de către setul de informații relativ la mișcare sau stabilitate
(Park et al. 2004), iar pentru ca acest proces să fie definit de precizie, atunci setul de date
fundamentale trebuie să includă acele caracteristici care sunt similare cu cele ce vor fi modelate,
inclusiv cu respectarea direcției și mărimii forțelor. (ex. Dufour et al., 2001) Cercetările vaste
derulate în diferite centre internaționale au examinat evoluția mersului uman biped (Vaughan, 2003),
au cuantificat cinetic cele două variante generale de mers – cel patologic și cel normal (Oberg et al.,
1993; Macellari et al., 1999; Perry, 1999 etc.), au examinat efectele imbătrinirii (Grieve et al., 1966;
Dahlstedt, 1978; Owings et al., 2004; Richardson et al., 2005; DeMott et al., 2007), sau au investigat
efectele variabilității de pășire, alunecare, suire-coborâre trepte, sărituri pe loc sau pășire laterală
(Stolze et al., 2000; Danion et al., 2003; Beauchet et al., 2005; Hausdorff, 2005). Analizele setului de
posturi și activitate musculară (Breniere and Do, 1981; Breniere and Do, 1986; Winter, 1995),
caracterizarea ciclurilor de mers sau a stabilității (Nissan et al., 1990; Breniere et al., 1991), au fost
analizate, studiate și conceptualizate (Winter 1995), în scopul obținerii unor multiple informații
pentru mânăgerierea problemelor de postură ergonomică, activitate lucrativă și a modului de viață
(Sparrow et al., 2005). Astfel se definește poziția verticală-bipodală a corpului uman ca relație
mutuală între toate segmentele corpului, iar orientarea verticală a acestuia ca fiind determinată de
câmpul gravitațional, de forma și dimensiunile segmentelor. Astfel, în vederea eșantionării și
configurării structurii modulare a elementelor morfo-funcționale și pentru definirea performanțelor
bio–comportamentale sunt accesate bazele de date antropometrice internaționale. Bazele de date
antropometrice sunt realizate de către agențiile naționale și internaționale respectând aceleași
principii de achiziție, analiză, stocare și realizare a unei configurații interactive pentru eșantioanele
reprezentative de populație din diferite regiuni ale globului. Variabilele corpului uman sunt împărțite
în module standard și sunt definite de un parametru dimensional antropometric unic. Dimensiunea
antropometrică medie care este aleasă – percentile 50 - permite estimarea deviației standard față de
celelalte percentile. Deoarece corpul uman este o arhitectură multi-segmentară articulată prin
joncțiuni, cu diferite acțiuni, aceast aspect poate determina apariția unei potențiale instabilități
posturale pe care organismul uman în integralitatea sa o controlează prin reacții de tip feed-back.
Pentru definirea generală a stabilității posturale a corpului uman se utilizează un parametru
unitar numit centrul de masa (COM) ale cărui poziții și deplasări față de baza suport sunt
înregistrate pe durate diferite, în condiții ambientale controlate și/sau stimulate, respectiv corelate
prin utilizarea mai multor tehnologii de investigare biomecanică (video, mecanic, electromagnetic,
optic sau mecatronic). În posturile statice, cum ar fi poziția în picioare, poziția șezând sau întins la
orizontală, corpul uman și segmentele sale sunt aliniate și mentinute într-o anumită poziție spre
deosebire de postura dinamică când acestea se află în mișcare relativă unul față de altul și tot corpul
față de mediu. În acest sens studiul unei anumite posturi include analizele cinetice și cinematice
pentru toate segementele corpului uman. Mai ales în analizele statice este important să se identifice
baza suport (BS) definită, posterior, ca aria cuprinsă între linia călcâielor și anterior, de către linia
vârfurilor tălpii. Această mărime poate determina anumite manifestări ale stabilității atunci când
asupra corpului uman acționeaza o serie de stimuli (audio, lumina, vibrații, șocuri, temperatura etc.).
Chiar dacă baza suport este mică și centrul de greutate se află mai sus pe corpul uman
menținerea stabilității în posturile statice necesită o cantitate mică de consum de energie și aceea doar
pentru păstrarea contracției musculare. Deasemenea oasele, încheieturile și ligamentele sunt sisteme
capabile să asigure necesarul de momente de torsiune, cantitatea de energie fiind utilizată pentru a
contracara gravitația și modificările de poziție ale corpului produse de sistemul circulator și cel
digestiv.
Un aspect important în acțiunea și păstrarea stabilității posturale o constituie controlul
acesteia fie el static sau dinamic, manifestat prin abilitatea subiectului uman de a menține echilibru
între forțele externe și răspunsul organismului la efectul acestora. Caracteristica de păstrare a
echilibrului este „învățată” de sistemul nervos central (SNC) folosind informații captate de la
sistemul senzorial, elementele biomecanice pasive și respectiv de la muschi. Deasemenea SNC
trebuie să fie capabil să detecteze și să previzioneze instabilitatea viitoare a organismului în postura
bipodală și trebuie să reacționeze la toate semnalele de intrare, prin răspunsuri la ieșirea din sistem,
sub forma unor reacții de menținere a echilibrului corpului uman. Pentru aceasta întregul corp cu
segmentele componente trebuie să prezinte o gamă de mișcare (GDM) care să corespundă cu
cerințele cinematice și cinetice și deasemenea să fie capabil să răspundă rapid prin aplicarea forțelor
și vitezelor necesare. Stabilitatea posturală ca și orientarea inițială a poziției corpului uman pot fi
alterate dacă intrările sau ieșirile din sistem sunt distorsionate, absente sau incomplete obligând astfel
SNC să răspundă corespunzător indicând un compromis al acțiunii. În situația funcționării normale a
organismului, SNC selectează combinația de mușchi și articulații necesară pentru a realiza cerințele
de stabilitate sau mișcare ale corpului uman. Forțele externe care pot interveni asupra sistemului corp
uman sunt: forțele de inerție și forțele de reacțiune, iar cele interne sunt dezvoltate de activității
musculare și tensiuni în ligamente, tendoane, articulații sau alte structuri de țesuturi. Efectul fiecărei
categorii de forțe, externe și interne, se află în echilibru, iar suma tuturor forțelor și respectiv a
momentelor ce acționează în corpul uman este egală cu zero pentru acest corp aflat în echilibru.
Pentru păstrarea stării de echilibru în postura bipedă utilizând minimum de energie este important ca
centrul de greutate al corpului să fie menținut deasupra bazei suport iar poziția și orientarea capului
trebuie să permită direcției privirii să se orienteze în mod corespunzător. De aceea doar un control
activ al poziției în spațiu al centrului de masă poate determina ca sistemul să rămână stabil în limitele
psiho-fiziologice și centrul de masă al corpului să fie controlat prin mecansime de control neliniare.
Poziția bipodală a corpului uman determină o structură anizotropică ce se află în stare de echilibru
atâta timp cât asupra sa nu acționează stimuli externi de orice tip (luminoși, audio, mecanici sau
termodinamici). Spre deosebire de starea de stabilitate a corpului uman ce este considerată o stare
echilibrață static și la care condițiile ințiale impuse sunt păstrate în timp modificându-se doar atunci
când asupra sa acționează din exterior diferiti stimuli, mersul uman este o stare de stabilitate
dinamică în care forțele, momentele, vitezele și accelerațiile întregului corp uman și ale segmentelor
componente se echilibrează reciproc, în timp real, prin mecanismul controlat de sistemul neuro-
musculator. În plus mersul uman reprezintă și o mișcare repetitivă cu un consum energetic repartizat
pe toate etapele ciclului în scopul obținerii deplasării unitare a segementelor corpului uman pentru
învingerea forțelor de inerție, frecare și de rezistența din mediul de acțiune. În foarte multe cercetări
din domeniul biomecanic [12,13,14,15,16,17,19] se apreciază că parametrii mecanici ai corpului
uman afectează tipul mersului, durata ciclului de mers sau modul de reacție la interacțiunea cu
mediul înconjurător, rezultând astfel o dinamică pasivă ce afectează calitatea acestuia. Analiza
structurală și a performanțelor modelului de mers al corpului uman folosește în mod deosebit
modelarea prin dinamică inversă și modelul pendulului dublu deoarece distribuția masei segmentelor
simplifică abordarea mecanică și matematică.
În acest sens într-o primă etapă este importantă introducerea punctelor de referință ale
sistemului atât în raport cu mediul cât și în raport cu suprafața de sprijin. Între aceste puncte există
întotdeauna un set de legături unilaterale sau multilaterale în funcție de modulele, segmentele sau
joncțiunile componente care sunt implicate în procesele de stabilitate, mers, sau mișcări ale
segmentelor specifice. Aceste puncte de referință sunt: (conform Vukobrațovic and Juricic
Un alt punct la fel de important ca cel al centrului de masa dar care poate fi utilizat pentru
măsurarea și evaluarea stabilității atât statice cât și dinamice este centrul de presiune (COP). Acesta
reprezintă punctul în care acționează rezultanta forțelor de reacție a solului față de greutatea corpului
uman. În timpul măsurărilor efectuate în poziție bipedă – stabilitate – central de presiune se află, în
general, în centrul suprafeței plantare, micile oscilații ale corpului uman fiind înregistrate ca o
diagramă de oscilație în jurul unei poziții inițiale. Deplasarea (aria de oscilație) pe care o realizează
centrul de presiune în vederea asigurării stabilității bipodale este încadrată în suprafața plantară și
este la rândul său determinată de tipul posturii subiectului uman (încordat, relaxat), poziția mâinilor
(în față, lateral, pe lângă corp, în sus), mărimea bazei suport (mică, mare, normală), poziția coloanei
vertebrale (aplecat în față, drept, aplecat în spate, aplecat lateral), condițiile de funcționare ale
senzorilor (vizuali - ochi deschiși, închiși, auditivi) și nu în ultimul rând de condițiile de mediu
(temperatura, presiune, umiditate, vibrații, zgomote, stimuli luminosi). În sistemul ce asigură postura
bipedă a corpului uman sunt și se manifestă o serie întreagă de proprietăți elastice și de amortizare ale
mușchilor, articulațiilor și segmentelor coordonate și controlate deasemenea prin reacții de feed-back.
De aceea deplasările COM, corelate cu oscilațiile COP din timpul poziției bipodale, evaluează și
măsoară mișcările haotice (Myklebust et al. 1995) ale stabilității utilizând metode de dinamica non-
liniară și teorii ale haosului (Schuster 1988).
Prin aplicarea acestor teorii de reglare a mecanismului dinamic al balansului și al stabilității se
pot dezvolta și introduce strategii specifice de prevenire și tratament al instabilităților posturale
datorate unor disfuncții anterior depistate sau datorită influențelor senzoriale din mediul înconjurător.
3.1. Tehnici de analiză a bio-comportamentului corpului uman Menținerea unui nivel de competitivitate a sistemelor, creșterea performanțelor acestora
precum și evidențierea punctelor slabe, a aspectelor care necesită îmbunătățiri realizate pe baza
analizei de sistem necesită într-o primă fază asigurarea datelor cu ajutorul cărora se poate stabili
“diagnosticul” sistemului. Datorită importanței pe care o prezintă în analiză, colectarea datelor
trebuie să confere informaăiile necesare în timp util, informații care se fondează pe date reale.
Obținerea datelor referitoare la activitățile desfașurate în cadrul sistemului și care se reflectă asupra
problemei studiate se fondeaza pe diverse tehnici de investigare. În funcție de condiționările asupra
activităților persoanelor ce urmează a fi observate, tehnicile de investigare a sistemelor se împart în
tehnici controlate și non-controlate.
Tehnicile controlate se caracterizează prin faptul că informațiile sunt colectate direct de la
persoanele care desfășoară activitățile către care se îndreaptă studiul respectiv. Observarea se
desfășoară în acest caz la fața locului (in-situ) sau într-un mediu care poate fi controlat și prin care se
încearcă simularea unor diverse sarcini (observarea de laborator).
Analiza activității vizează observarea unei activități prin intermediul celor care lucrează la
ea, subiecți umani ce trebuie aleși cu o atenție deosebită. Se urmărește prin aceasta identificarea
nivelului muncii, a erorilor ce apar în timpul execuției activității și astfel a factorilor ce influențează
în mod negativ performanțele biocomportamentale obținute. În acest sens se pot identifica frecvența
de execuție, materialele, informațiile necesare execuției, dificultățile întâmpinate, legăturile cu
celelalte activități, conexiunile și interacțiunile cu sistemele adiacente. Importante în stabilirea unui
rezultat corect sunt instruirea ”achizitorului”, selectarea executantului și întocmirea unei scheme de
observare valide și/sau posibil de validat cu datele experimentale.
Un sistem de achiziție al datelor activității poate fi de asemenea calculatorul, în acest caz fiind
necesară cunoașterea parametrilor de realizare a evenimentelor observate. Se asigură astfel o analiză
rapidă și foarte puțin influențată de erori, de subiecțivismul factorului uman, lucruri ce compensează
într-o măsură mai mare sau mai mică de la caz la caz inflexibilitatea acestora legate de tratarea unor
elemente neprevazute inițial.
Analiza de protocol se bazează pe statutul de observator-participant al executantului unei
anumite activități și urmarește identificarea bio-comportamentului conștient al persoanei ce
desfășoară respectiva activitate în vederea evaluării nivelului de performanță. Momentul efectuării
acestei investigații este reprezentat tocmai de perioada în care acțiunea vizată se desfășoară, astfel pot
fi urmărite deciziile pe care executantul le ia, opțiunile pe care acesta le are, cauzele erorilor apărute
și nu în ultimul rând atitudinea manifestată de observator față de activitatea pe care o desfașoară.
Tehnicile de observare directă sunt influențate de o serie de factori cum ar fi: efecte datorate
observatorului, manifestate atât asupra funcționării sistemului cât și asupra executantului; efecte de
eșantionare, datorate dimensionării inadecvate a numărului de subiecți umani a căror activitate este
investigată și alegerii unei perioade de timp cu relevanță foarte mică pentru obiectivul vizat; efecte de
limitare a observării, apărute în cazul selectării unor subiecți umani care nu pot oferi datele necesare
analizei. Principalul motiv în acest sens îl reprezintă stabilirea incorectă a “schemei” de observare-
evaluare, presiunea crescută a timpului, de aici derivând ignorarea unor aspecte importante ale
activităților investigate.
Tehnicile non-controlate pot fi clasificate în funcție de subiectul observației, astfel putând
distinge între tehnicile individuale, de grup și cele informaționale.
Tehnicile de investigare individuale presupun culegerea de date de la fiecare subiect uman
în parte, date referitoare la dimensiunile antropometrice ale acestuia, la condițiile de mediu și la
activitățile pe care le desfășoară. În cadrul acestora, putem distinge o serie de clase în funcție de
prezența sau absența unui sistem de analiză la momentul culegerii datelor sau după poziția temporală
a momentului culegerii datelor față de desfășurarea activității analizate.
Tehnica interviului individual reprezintă o tehnică de investigare personală de tip anamneza
fiziologică care poate fi desfășurata în timp real dar și retrospectiv. Aceasta presupune parcurgerea
mai multor etape. Un prim pas l-ar constitui investigarea, proces care vizează stabilirea unui set de
întrebări sub forma unui chestionar complet cu cheie de control. Conținutul acestor întrebări trebuie
să aibă relevanță pentru obiectivul urmărit prin analiza sistemului și trebuie totodată să acopere
întreaga problematică studiată. Informațiile obținute astfel vor fi colectate și înregistrate în etapa
următoare, reprezentarea, urmând ca validitatea lor să fie evaluată în cadrul interpretării. Toate
acestea formează agenda de preocupări și reprezintă un punct important în obținerea informațiilor
necesare analizei deoarece evidențiază aspectele de urmărit în activitatea de investigare. Stabilirea
eșantionului trebuie realizată în conformitate cu cerințele legate de reprezentativitate și ține totodată
cont de complexitatea problemei, de conținutul acesteia și de obiectivele cercetării. Pornind de la
aceste lucruri, se va întocmi eșantionul de subiecți umani ce urmează a fi investigați asfel încât toți
cei incluși în cadrul acesteia să fie abilitați să comunice răspunsurile necesare, să cunoască datele pe
care analistul încearcă să le culeagă prin procesul de intervievare.
3.2. Ciclul teoretic de mers și analiza posturală Mersul definit ca bipedalism alternativ are ca unitate de măsura ciclul de mers (pasul dublu)
reprezentat de distanță dintre punctual de contact cu solul (călcâiul) al unui picior și punctul de
contact imediat următor al aceluiași picior. Prin compunerea a doi pași simpli, succesivi se obține
pasul dublu. Din punct de vedere funcțional, ciclul de mers este divizat în două etape principale:
perioada de sprijin și perioada de balans.
Sprijinul sau suportul este perioada care se referă la contactul piciorului cu solul și durează
60% din durata ciclului de mers.
Balansul este perioada în care același picior nu mai este în contact cu solul ci este balansat în
vederea pregătirii următorului contact cu solul. Durata balansului reprezintă aproximativ 40% din
durata ciclului de mers.
La inceputul și la finalul perioadei de sprijin se desfășoară perioada dublului sprijin (24% din
ciclul de mers) în care ambele picioare sunt în contact cu solul, permițând astfel transferul greutății
corpului de pe un picior pe celalalt.
Ciclul de mers este divizat în 8 faze, cinci dintre ele desfășurându-se în timpul perioadei de
suport iar celelalte trei pe durata perioadei de balans. Aceste faze sunt cele care fac legătura dintre
mișcarea piciorului de debutul acestei mișcări din cadrul acestor perioade. Astfel cele 5 faze ce
definesc perioada de suport sunt: contactul inițial, încărcarea, mijlocul sprijinului, sprijinul
terminal și desprinderea de pe sol. In cadrul contactului inițial centrul de greutate al corpului este în cea mai joasă poziție, astfel
membrul inferior fiind întins la maxim va determina ca bazinul să realizeze o mișcare de adducție
orizontală pe partea de atac în raport cu membrul de susținere. Această acțiune reprezintă un procent
cuprins între 0 și 25% din durata ciclului de mers. Încărcarea, reprezentând 25-35% din ciclul de
mers apare în cazul în care suprafața plană a piciorului atinge solul. Contactul este la început realizat
doar de călcâi apoi de talpă în întregime, subiectul găsindu-se în echilibru monopodal, astfel încât
lungimea maximă a membrului inferior este limitată, supunând centrul de greutate unei accelerații
verticale foarte importante. Un procent de 35-40% din ciclul de mers reprezentând faza de mijloc a
sprijinului se manifestă atunci când piciorul de balans depașește piciorul de support, astfel corpul
trece într-un timp foarte scurt prin această poziție, fiind sprijinit pe un singur picior. În acest moment
corpul uman are înălțime maximă, iar centrul de greutate este usor deplasat lateral către piciorul de
sprijin pentru menținerea echilibrului. În continuare, un procent de până la 45% din ciclul de mers îl
reprezintă perioada în care călcâiul pierde contactul cu solul iar împingerea este realizată de mușchii
triceps surae care antrenează îndoirea gleznei. Odată cu ridicarea călcâiului degetele rămân în
contact cu solul, glezna găsindu-se plasată în poziția cea mai de sus. Finalizarea perioadei de suport
constituie un procent de până la 53% și poartă numele de desprindere de pe sol manifestându-se
atunci când piciorul de suport părăsește solul. În cazul perioadei de balans cele trei faze sunt:
accelerarea, mijlocul balansului și decelerarea. Accelerarea începe în momentul în care piciorul
părăsește solul, activându-se astfel mușchii șoldului pentru a accelera piciorul spre înainte. În acest
stadiu membrul inferior ajunge la lungimea lui minimă, articulația șoldului și a genunchiului se
îndoaie, articulația gleznei se mobilizeaza pentru a duce piciorul în acțiunea de flexie, astfel încât
greutatea corpului subiectului uman să fie suportată în totalitate de către membrul inferior opus.
Acțiunea de poziționare în mijlocul balansului are loc atunci când piciorul se deplasează exact sub
corp și coincide cu momentul în care celalalt picior ajunge în faza de jumătate de suport. Decelerarea
descrie acțiunea mușchilor care încetinesc și stabilizează piciorul pentru anticiparea următorului
contact al călcâiului cu solul. Bazinul este în rotație maximă către partea în care se va produce atacul
călcâiului iar șoldul este în flexie.
Lanțul cinematic format de către componentele sistemului locomotor acționeaza pentru:
menținerea și sprijinirea corpului uman în poziție ortostatică, realizarea mișcărilor de propulsie în
mers sau de frânare a căderii. Sistemul locomotor inferior acționează ca un lanț cinematic în diferite
variante de mișcare (adducție și abducție), rotații interne și externe, lovituri, tras/împins și nu în
ultimul rând pentru ciclul de mers, toate aceste mișcări fiind incluse într-un sistem de coordonate.
Starea de stabilitate ca și balansul integral în jurul poziției de echilibru sunt determinate de
către starea de sănătate a întregului corp uman și pot constitui o sursă de informații clare pentru
evaluarea comportamentului uman în orice situație (normal sau afectată sezorial). Micile abateri ale
posturii corpului uman raportate la direcția verticală determină apariția unui moment de torsiune, care
acționează asupra întregii structuri și poate dezechilibra corpul uman sau poate crea o stare ușoară de
vibrație. Cu toate acestea, acest proces de generare a cuplului de corecție nu este pe deplin înțeles și
rămân unele controverse în ceea ce privește organizarea sistemelor senzoriale și motorii care să
contribuie la stabilitatea posturală a întregului organism uman.
Starea de echilibru a balansului postural este controlată de SNC, deci poziția verticală nu
poate fi susținută fără acest control. Este unanim acceptat faptul că un cuplu corectiv este generat prin
acțiunea sistemului de control al feedback-ului; sursele de intrare includ sistemul vizual, cel
proprioceptiv și vestibular. Figura 8 prezintă o schemă a autoreglării controlului postural și,
deasemenea, un model structural pelvin simplificat din timpul poziției verticale statice. A, B, sunt
masele picioarelor, C este masa pelvisului și D este masa trunchiului superior. Locația centrului de
masa (COM) rămâne fixată, atâta timp cât organismul nu își schimbă forma și structura. În scopul
localizării centrului de masă este necesară stabilirea unor principii de bază după cum urmează: locația
sa exactă în funcție de structura anatomica a individului; postura obișnuită, în picioare (bipodală);
poziția curentă; sprijin extern; amplasarea COM în corpul uman (există variații în raport cu vârstă,
sex, antropometrie (bebeluș> copil> adult în% din înălțimea corpului de la podea și în general este
acceptat faptul că acesta se află în zona a ~ 57% din înălțimea în picioare, la barbati și respectiv în
zona a ~ 55% din înălțimea în picioare, la femei). D
B
C
A
d d
L1
L2
m1
m1
m3
m2
Fig.8. Schema posturii bipodale
Menținerea echilibrului în poziția în picioare este una dintre cele mai importante activități
pentru două motive principale: în primul rând, centrul de masă trebuie să fie situat în zona de sprijin;
în al doilea rând, pentru o perioadă mare de acțiune bipodală, corpul este susținut mai întâi pe
suprafața de sprijin de la cele două picioare și după un scurt timp de către un singur membru cu
centrul de masă în interiorul bazei de susținere, dar cu tendința de a “merge” în afără acestuia. La
persoanele în vârstă în special, până la 70% din căderi apar în timpul posturii bipodale și, desigur, pe
durata acțiunii de locomoție sau pas cu pas. Prin marja de stabilitate statică se înțelege o distanță de
la marginea poligonului de sprijin la COM, măsurată de-a lungul unui vector curent de mișcare a
centrului de greutate, în cazul în care:
n
i
i
n
i
cii
n
i
xi
n
i
xi
GCOM
m
xm
F
M
x
1
1
1
1
n
i
i
n
i
cii
n
i
yi
n
i
yi
GCOM
m
ym
F
M
y
1
1
1
1
(1)
unde: mi este masa al i-lea corp, în timp ce xci , yci arată pozițiile centrului de masă al celui de al i-lea
corp.
În ceea ce privește analizele de stabilitatea statică a corpului uman, mersul uman este
determinat ca o abilitate motorie prin care deplasările sunt de obicei realizate cu ajutorul mișcărilor
alternative și constante ale celor două membre inferioare, considerate ca suport și ca agent de
propulsie. Ca urmare, mișcările corpului uman sunt efectuate de o serie de grupe de mușchi, care
formează un ansamblu armonios de lanțuri musculare-cinematic, create în funcție de particularitățile
de mișcare sub controlul cortexului cerebral. Mișcările efectuate de către organismul uman au
caracteristici direcționale, spațiale ale mișcării și ale lungimii traiectoriei parcurse de către
organismul uman sau segmentele corpului. Ele pot fi continui, întrerupte sau combinate în funcție de
o anumită succesiune de mișcare.
Raportul dintre caracteristicile spațiale și temporale care stabilesc viteza și, deasemenea,
parametrii de accelerare a mișcării ca și toate caracteristicile ca un întreg, reprezintă particularitățile
cinematice ale mișcării ce pot fi analizate computerizat și automat.
Prin analiza computerizată a mișcărilor umane se evidențiază o serie de caracteristici ale
ciclului de mers cu privire la forțele dezvoltate la nivelul suportului de contact, durata, forțele
dezvoltate în articulații, vitezele, deplasările sau poziționarea spațială a diferitelor părți ale corpului
uman. Oamenii poseda o structura fizica unica, care le permite să „se miste” împotriva atracției
gravitaționale. Astfel cea mai mare parte a corpului uman este trunchiul ce cuprinde în medie 43%
din greutatea totală a corpului; capul și gâtul contribuie cu 7% iar membrele superioare cu 13% din
greutatea corpului uman; în final coapsele, membrele inferioare constituie 37% din greutatea totală.
Există 206 oase în corpul uman și aproape toate oasele participă la susținere, mișcare și la
protecția țesuturile moi ale corpului.
M7
M5-M6
M3 M4
M2 M1
Segment 8
Segment 7
Segment 5 Segment 6
Segment 3 Segment 4
Segment 1 Segment 2
Force plate
Fig.9. Modelul sistemului locomotor
Mușchii scheletici acționează asupra oaselor folosindu-le ca pârghii pentru a ridica greutăți
sau de a produce mișcare. În corpul uman fiecare os lung este o pârghie iar articulația asociată este un
punct de sprijin prin care lucrează pârghia pentru a acționa la forța aplicată. Modelul de mers
cuprinde trei părți ale corpului: o articulație ”sus”, o articulație ”jos” și un ansamblu de două
segmente articulate formând membrul inferior. Acest model a fost utilizat pentru a simula mersul
uman în plan sagital în timpul fazei de preluare a greutății de pe un picior pe altul pe durata unui
ciclu complet de mers. Ecuația de mișcare a modelului constă din două părți: mișcarea de rotație a
celor două articulații și mișcarea piciorului. Ecuația de mișcare a articulațiilor este exprimată după
cum urmează:
THFGNM 2
(3)
în cazul în care [M] este matricea de masă și inerție; [N] este matricea Coriolis și forța centrifugă;
[G] este forța gravitațională; este matricea de unghiuri; FTH este forța de împingere.
Pornind de la un modul schelet predefinit și luând în considerare baza de date antropometrice
NASA-STD-3000 se poate construi schema bloc a modelării biomecanice a sistemului uman
locomotor cu contact direct la suportul de sprijin supus influențelor mediului înconjurator (fig.10)
Configuratia markerilor
Configuratia modelului
Experimente pentru a determina configuratia
modelata
Date antropometrice
Date experimentale
Calculul si analiza cinematică
Date de la placa de forte (mers, stabilitate)
Rezultate ale modelului
Newtonian cinetic
Calculul cinetic si validarea modelului
Optimizarea modelului corpului uman
Simularea mersului si a stabilitatii in conditii
optimizate
Rezultatele simularii si posibilitati de control
Fig.10. Schema bloc a modelării biomecanice a bio-comportamentului uman în ciclul de mers Pentru modelarea mersului uman au fost considerate o serie de date legate de mișcare,
traiectorie, viteză sau accelerație, dar în același timp s-au introdus și valorile limită de tip mers
(normal, funcționarea defectuoasă a piciorul stâng sau drept, sărituri sau pași pe trepte, alunecări pe
suprafețe plane etc). Etapele de modelare vizează introducerea de date, atât pentru modul normal de
mers sau stabilitate și pentru cel folosit pentru a modela un anumit tip de mers (marș, pas adăugat,
mers cu spatele etc), în scopul de a vizualiza simultan aceste diferențe. În fig.10 diagrama bloc
prezintă etapele în care această metodologie de mers uman permite realizarea unor analize și calcule
cinematice, cinetice, dar și dezvoltarea strategiilor de control și studiu în simularea mersul uman sau
a stabilității bipodale. Astfel, pentru o analiza completă a modului în care acționează și reacționează
corpul uman în poziția de stabilitate sau în ciclul de mers s-a abordat modelul pendulului invers
(MPI) pentru sistemul locomotor inferior pentru care se stabilesc ecuațiile de mișcare sau stabilitate.
Aplicând mecanica Newtoniană se pot scrie următoarele ecuații:
yz
z
y
FuFN
NmgLI
Fzm
Fym
sin
(4)
unde I reprezintă momentul de inerție al corpului ținând cont de articulațiile segmentelor la glezna; m
reprezintă masa corpului; g reprezintă accelerația gravitațională; L este distanța de la articulația
gleznei până la centrul de greutate (COG); Fy și Fz sunt componentele forței de reacțiune din
suprafața de sprijin relativ la N-momentul de torsiune produs la nivel plantar de către sistemul
musculator ce contrabalansează momentul gravitațional mgy.
Placa de forte tip Kistler
COM
mg
u F,
COP
F3+F4
y
z
F1+F2
Muschi si
tendoane
a) b)
Fig.11 Schema tipică a unui pas (a) și forțele dezvoltate de picior pe placa de forță (b) Din ecuațiile de mai sus se pot determina, în anumite condiții de aproximare, coordonata u
anterior/posterior (A/P) a centrului de presiune (COP) ce variază în raport cu activitatea mușchilor. În
cazul acțiunii dinamice a corpului uman se pot defini legile mișcării membrelor inferioare după cum
urmează. Cele două ecuații diferențiale, de ordinul doi, de mișcare, cuplate sunt prezentate mai jos
pentru faza de balans a mișcării, unde = m / M și ; sunt funcții de timp t. Aceste ecuații
reprezintă echilibrul impulsului unghiular la nivelul piciorului (pentru întregul sistem) și respectiv la
șold (pentru picior balans).
0
0
sin
sinsinsin
sin
2sin
cos1
cos1cos1212
2
l
g
l
g
l
g
(5)
Acestea sunt ecuațiile de mișcare pentru un simplu pendul dublu. În această situație se
presupune că masa piciorului este mai mică decât masa întregului corp uman și se adoptă valoarea
=0 la următoarele ecuații:
0sin tt (6)
0sincossin2 tttttt (7)
Ecuația (6) reprezintă un simplu pendul inversat care nu este afectat de mișcarea celuilalt
picior, iar ecuația (7) reprezintă piciorul de pendulare ca un pendul simplu ce se ”deplaseaza” pe un
arc de cerc. Parametrul de variație în aceste ecuații este mărimea unghiul de înclinare a bazei de
sprijin (fig.11a). Pentru modelare și determinare a parametrilor ciclului de mers se integrează
ecuațiile de mai sus prin aplicarea unei legi de tranziție dintre piciorul de sprijin înspre piciorul de
pendulare și activarea condițiilor de contact cu suprafața de sprijin.
Un alt model de studiu al mersului uman îl constituie modelul care presupune că sistemul
nervos central, devenit un super sistem (SNCS) este cuplat cu sistemul de control al mobilității și
împreună cu acesta coordonează locomoția și ciclul de mers. Astfel aplicând teoria fractalilor și a
multifractalilor asupra datelor înregistrate în timpul investigațiilor există posibilitatea estimării
coeficienților de corelație Holder [15] definiți pentru transformările de tip wavelet. Prin estimarea
exponenților Holder și a spectrele lor, folosind și o transformare de tip wavelet este posibil să se arate
că seria de intervale timp-pas este slab multifractal cu o fractalitate principală apropiată de cea a 1/f
din cea de zgomot. Seria de timp este uneori nestaționară și fractalii săi duc la schimbări de
variabilitate în diferite regimuri (normal, cu handicap, fără sistem locomotor complet etc).
3.3. Stabilirea configurației modulare de investigație In vederea realizării analizelor asupra factorului uman ce desfășoară diverse activități de
muncă se structurează o configuraăie de analiză ce cuprinde o serie de module de aparatură dedicate
acestor măsurători biomecanice și deasemenea se stabilesc modulele de analiza (antropometrică,
ciclul de mers, stabilitate în diferite condiții). Această configurație este prezentată în fig.12.
Computer
Amplificare si
sincronizare
Parametrii fiziologici
Videocamera
Placa de forte Kistler si/sau platforma Footscan
Subiect
uman
Oz
Ox
Oy
Date antropometrice pentru analize
ergonomice
Camera de
termoviziune
Raspuns
senzorial
Stimuli diferiti:
vizuali,
acustici, vibratii
etc.
Fig.12. Configurația de înregistrare a comportamentului uman pe durata activităților de lucru și afectat de
stimulii externi Cu această structură modulară de echipamente s-au realizat o serie de analize și înregistrări în
scopul corelării informațiilor referitoare la bio-comportamentul uman în diferite activități de lucru.
Structura de echipamente este formată din: o placă de forțe tip Kistler pentru măsurarea forțelor și
momentelor dezvoltate de corpul uman în timpul evaluării stabilitatii sau a ciclului de mers, pe cele
trei direcții (Ox, Oy și Oz); un set de aparate de antropometrie pentru măsurarea mărimilor sistemului
locomotor; un set de aparate de înregistrat parametrii fiziologici ai subiecților implicate în
experimentare; un echipament de evaluare și măsurare goniometrică a pozițiilor relative ale
segmentelor corpului uman; o videocamera de mare viteza pentru înregistrarea pozițiilor successive
ale corpului uman pe durata ciclului de mers; un sistem tip ”mănușă și cotieră senzoriala” pentru
evaluarea performanțelor de manevrabilitate pe durata activităților de lucru; videocamera de
termoviziune; computer și software de modelare compatibil cu echipamentele menționate.
Analizele ce au fost realizate pe subiecți s-au încadrat într-un protocol de investigare care
permite înregistrarea unei game largi de măsurători ale stabilității bipodale-postura (baza de suport
mare cu diferite forme de polygon de susținere, baza de suport mic, trapezoidal, ochi deschiși, brațele
pe lângă corp, în trei momente ale zilei-dimineata, prânz și seară etc.) sau ale mersului.
În general, în primele părți ale tuturor experimentelor au fost stabiliți și păstrați parametrii de
mediu, în incinta centrului de cercetare (au fost modificați controlat doar acolo unde această
meodificare reprezenta chiar scopul cercetării). Temperatura ambiantă a fost 210C, umiditatea aerului
40% și presiunea atmosferică de 755 mmHg.[4] Este foarte important să se păstreze aceste condiții
inițiale în toate procedurile de investigare pentru a putea avea aceași bază inițiala în analizele de bio-
comportament uman.
In următoarele etape au fost măsurați parametrii fiziologici ai subiecților umani participanți la
experimente (înălțime, greutate, presiune sanguină, temperatura corporală, puls, acuitate vizuală și
auditivă, glicemie și acid lactic) în stare relaxată, fără nici un fel de probleme generale de sănătate și
în condiții bune metabolice (exemplu: presiune sanguină medie 145/82 mmHg, puls între 70-82,
temperatura facială medie 36,70C, înălțime între 170-185 cm, greutate între 50-95 kg).
Fig.13 Achiziția și realizarea bazei de date fiziologice pentru subiecții analizați
Toti acesti parametrii sunt necesari pentru a stabili o baza comuna de modelare și pentru a
evalua bio-comportamentul uman în diferite activități de munca ale diferitelor esantioane de subiecți.
Postura reprezintă poziţia adoptată de subiectul uman în realizarea sarcinilor de muncă, în
dorinţa acestuia de a obține eficienţa maximă, simultan cu un consum de energie minim. Cele mai
frecvente posturi statice utilizate în activitățile de munca sunt: poziţia şezând (sedentară), poziţia
ortostatică (în picioare), poziţia clinostatică (culcat) şi poziţia mixtă. Principala condiție pe care
trebuie să o îndeplinească poziţia de lucru de durată este că aceasta să fie o poziţie normală, ceea ce
corespunde unei aplecări în faţă cu cel mult 10-150, fără aplecare înapoi sau lateral. Ca principiu
general trebuie menționat că lucrul în poziţie ortostatică nu se justifică decât pentru un interval scurt
de timp, atunci când nu este posibil să se lucreze altfel. [21]
4. Structuri experimentale și strategii de analiză asupra comportamentului
subiecților în activități de lucru O serie de avantaje și dezavantaje se pot evidenția atunci când se analizează o anumită postură
a corpului uman pe durata unei acțiuni de muncă. Astfel putem menționa pentru postura șezând ca
avantaje: oboseală redusă, operatorul uman putând lucra atât cu membrele superioare cât şi cu cele
inferioare un timp îndelungat; stabilitatea şi echilibrul corpului sunt foarte bune, evitându-se poziţiile
nefireşti; oferă posibilitatea de a acționa simultan şi/sau succesiv cu membrele inferioare în execuţia
unor comenzi; prezintă un consum de energie redus; conferă membrelor superioare precizie în
coordonarea mişcărilor. Ca dezavantaje ale poziției șezând s-au putut evidenția diferite forme de
disconfort sau forme de disfuncționalități: curbarea spatelui, slăbirea muşchilor abdomenului şi
apariţia unui disconfort cervical; defavorizarea organelor interne ale aparatului digestiv și respirator,
în ceea ce priveşte funcționalitatea acestora; probleme circulatorii ale membrelor inferioare (umflarea
picioarelor, furnicături, varice etc).
Fig.14. Analize posturale supuse la contrângeri antropometrice, biomecanice și de activitate
Spre deosebire de poziția șezând, în cazul posturii ortostatice dezavantajele manifestate pe
corpul uman sunt mai ample și implică toate structurile corpului uman: îngreunarea circulaţiei
sanguine în întreg organismul și în special la nivelul membrelor inferioare; menţinerea echilibrului
este dificilă; greutatea corpului este repartizată pe o suprafaţă mică; efortul cerebral este amplificat
datorită necesităţii menţinerii echilibrului organism în poziţie verticală; precizia membrelor
superioare este mai scăzută; dacă postura este de durată poate conduce la deformaţii ale sistemului
osos, tulburări ale sistemului vascular şi la nivelul organelor interne. [21, 22] În literatura de
specialitate se mentioneaza că poziţia ortostatică este de evitat de cele mai multe ori la organizarea
oricărui loc de muncă chiar dacă utilajele sau planul de lucru se adaptează pentru fiecare grad de
dificultate al activității (fig.15). [21]
Fig.15. Pozițiile de lucru în postura în picioare pentru diferite grade de dificultate [23]
Folosirea poziţiei este recomandată doar în anumite situaţii cum ar fi: când amplitudinile
mișcărilor de muncă și dimensiunile dispozitivelor de comandă sunt mari; când forţa de acţionare
necesară în procesul de muncă este mare; când spaţiul de amplasare al dispozitivelor de comandă este
vast; când nu există un spaţiu prevăzut pentru degajarea picioarelor şi adoptarea unei poziţii şezând
comodă; când există posibilitatea de modificare a poziţiei în timpul muncii. [21]
O altă postură a corpului uman în activități de muncă este poziţia mixtă sau alternativă,
această poziţie conferind posibilitatea alternării solicitării statice și dinamice a muşchilor la nivelul
membrelor inferioare prin modificarea posturii pe durata activității de muncă. Prin urmare operatorul-
subiectul uman realizează anumite operaţii în postura în picioare, iar pentru altele ocupă poziţia
şezând. Datorită alternării posturilor se minimizează efectele dezavantajelor ambelor poziţii, iar
avantajele asupra corpului uman se amplifică.[21, 22]
În scopul obținerii unei stări de confort și eficiență a activității de muncă se pot aplica
principiile ergonomice în adaptarea unei poziţii eficiente pentru evitarea poziţiilor nenaturale ale
corpului sau prea înclinate (poziţia uşor înclinată frontal este cea care solicită cel mai mare efort de
susţinere şi este cea mai incomodă); evitarea înclinării laterale a trunchiului şi a capului; evitarea
menţinerii în stare suspendată frontală sau laterală a membrelor superioare în poziţie prea întins,
deoarece această poziţie, oboseşte, reducere precizia şi dexteritatea braţului. Deasemenea se
urmărește adoptarea cât mai des posibil a poziţiei de lucru şezând care să poată alterna cu cea
ortostatică (dacă acest lucru nu este posibil pe parcursul programului de muncă atunci alternarea se
va face între perioadele de muncă şi cele de odihnă) și nu în ultimul rând dimensionarea înălţimii
planului de lucru în funcție de distanța optimă de vedere pentru a asigura menţinerea corpului în
poziţie naturală și în funcție de mărimea efortului solicitat braţelor (dimensiunile optime de lucru se
bazează pe măsurările antropometrice ale corpului uman). [21, 22]
Pentru analizele dezvoltate, postura inițială de analiză a fost determinată de poziția verticală,
cu mâinile pe lângă corp, baza mare/mică de susținere, cu ochii deschisi și cu privirea îndreptată
înspre înainte. Față de această poziție care a fost considerată inițiala au fost apoi stabilite o serie de
posturi diferite, avându-se în vedere modificarea atât a ortostatismului (fig.16) cât și a poziției
mâinilor față de corp, sau a capului și respectiv a ochilor (fig.17) și deasemenea utilizarea unor
stimuli perturbatori (audio, vizual, vibrații, efort indus și controlat) ce pot afecta stabilitatea
posturală.
Human
subject
Kistler force plate
Oz
Ox
COM
BW
COG
COP
dCOP
dCOG
Fig.16. Alegerea poziției ortostatice pentru echilibru bipodal
Astfel s-au ales următoarele variante de înregistrare a comportamentului subiecților umani în
analiza stabilității posturale, avându-se în vedere cât mai multe posturi bipodale posibile a fi întâlnite
în activitățile de lucru ale subiecților:
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile pe lângă corp, ochi deschiși, privirea
înainte;
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile pe lângă corp, ochi închiși;
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile-orizontal în lateral față de corp, ochi
deschiși, privirea înainte;
a. b. c. d. e.
Baza mare de
suport bipodal
Baza mica de
suport bipodal
Mainile in pozitie
orizontala
Mainile in fata corpului uman Mainile in sprijin fata
Fig.17 Poziția relativă a mâinilor și a capului respectiv a ochilor în timpul înregistrărilor
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile-orizontal în lateral față de corp, ochi
închiși (fig.17.a.);
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile-orizontal în fața corpului, ochi deschiși,
privirea înainte (fig.17.b. și c.);
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile-orizontal în fața corpului, ochi închiși;
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile pe lângă corp, ochi închiși și utilizarea
diferiților stimului externi (audio, vizual)
- Poziție verticală, baza mică/mare de sprijin, mâinile sprijinite pe un suport, ochi deschiși
(fig.17.d. și e.)
Pentru analiza comportamentului pe durata unui ciclu de mers (fig.18.) s-au luat în
considerare următoarele situații:
- mers normal, pornind cu piciorul drept/stâng;
- mers cu pași adăugați, pornind cu piciorul drept/stâng;
- mers târâit, pornind cu piciorul drept/stâng;
- mers normal cu greutate ținută în ambele mâini;
- mers normal cu greutate ținută în mâna dreaptă/stângă;
- pășire pe treaptă, urcare/coborâre cu piciorul drept/stâng (fig.19.)
Oz
Oy
Ox
Fig.18. Modificarea stabilității pe ciclul de mers Fig.19.Urcare/coborâre de pe treaptă
În vederea analizei corelate asupra comportamentului sistemului locomotor al subiecților s-a
apelat la utilizarea unui sistem de măsurare a accelerațiilor liniare ale piciorului și gambei pe
direcțiile de deplasare, respectiv pe direcția perpendiculară în timpul fazelor de suport ale piciorului
pe sol.
Fig.20. Sistemul de achiziție și măsurare, tip Biopac, a accelerațiilor piciorului și gambei
Experimentul s-a desfășurat în două etape după cum urmează: setarea inițială a sistemului
folosit, tip Biopac și respectiv achiziționarea valorilor accelerațiilor liniare specifice piciorului și
gambei (fig.20.) în același timp a fost necesara și utilizarea unei video-camere de mare viteza (500
frames/sec) pentru înregistrarea și trasarea, prin software, a traiectoriilor articulațiilor în timpul
deplasării într-un ciclu de mers. În final, toate aceste înregistrări sunt corelate prin intermediul
software LifeMod pentru dezvoltarea unui model virtual de analiză a subiectului uman supus la
diferite acțiuni, în diferite condiții de mediu și în diferite condiții de activitate.