Model for Analysis of Weight Lifting Motion Considering the Abdominal Pressure Increased by Valsalva Maneuver Takafumi MATSUMARU*4, Satoshi FUKUYAMA a

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1 Model for Analysis of Weight Lifting Motion Considering the Abdominal Pressure Increased by Valsalva Maneuver Takafumi MATSUMARU*4, Satoshi FUKUYAMA and Tomohiro SATO Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shizuoka University, Jyohoku, Hamamatsu-shi, Shizuoka, Japan This paper proposed the model to estimate the load on the lumber vertebra considering not only the value presumed from posture but also the increased amount by Valsalva maneuver of extrapolating from the vital capacity. The pressure force can be estimated to be reduced by about 30% by the effect of the abdominal pressure by using the proposed model as said so far. From the error of the presumed value of ground reaction force from an actual measurement, it is thought that the presumed accuracy of the lumbar vertebra load using the proposed model is smaller than 10%. Furthermore, two operations with extreme start-on posture were compared on transition of the compressive force and shear force on the lumbar vertebra. It was brought out that a start-on posture signficantly affects the maximum load on the lumber vertebra. The result suggests that optimal start-on posture may be between two postures. Key Words : Human Motion Analysis, Weight Lifting Task, Modeling, Lumber Vertebra, Valsalva Maneuver

2 3864 重 量 物 挙 上 動 作 に お け るValsalva効 果 に よ る腹 圧 増 加 分 を 考 慮 した解 析 モ デ ル の提 案 ライ ン や基 準 が な く体 系化 され て い な い.高 年 齢 労 働 者 に つ い て は,改 訂NIOSH持 ち上げ 評 価 式18)などの 内 外 の さま ざ ま な基 準や 知 見 を参 考 に して,過 度 の身 体 的負 担 とな ら ない 負 荷 の範 囲 の ガ イ ドライ ン(9)が開 発 され て い る.本 研 究 は よ り一般 的 に,重 量 物 挙 上 動 作 にお い て,性 別 年 齢 を考 慮 した 挙上 限 界 重 量 値 や 最 適 な挙 上動 作 の推 定 を最 終 的 な 目的 と して,労 働 環 境 の改 善 や 日常 生活 にお け る持 ち上 げ動 作 の指 針 とな り, 腰 痛 の発 症 数 の軽 減 に貢 献 しよ う とす る もの で あ る. 2 2 (1) 従 来 研 究 お よ び関 連 研 究 モ デ ル 化 に つ いて 重 量 物 挙 上 動 作 を解 析 す るた め のモ デ ル の 構 築 で は,腰 痛 発 症 の 原 因(特 椎 分 離 症や 脊 椎 す べ り症)を 起 こ しや す いL5/S1関 (第5腰 椎 と仙 椎 の 間,腰 仙 関 節)と,腰 に脊 Fig.1 Compressiveand shear forceacross L5/SI (adapted from ref.(2) p.96) 節 椎負荷に大 き く影 響 す る腹 圧 を考 慮 す る こ とが 重 要 だ と考 え る. Bejjaniら(10)は,静 的 な リン クモ デ ル を用 い て 膝 関 節 と 背 中 にか か る力 の 関 係 を調 べ,全 関 節 反 力 を最 小 とす る に は,腰 関 節 と膝 関 節 の 両 方 を 曲げ な けれ ば な らな い こ とを示 してい るが,こ こで はL5/S1関 節や腹圧は 考 慮 され て い ない.Freivaldsら(11)は,L5/S1関 慮 した7節 節を考 リン クモ デ ル を動 力 学 的 に 解 析 す る こ とで, 同 じ重 量 の 箱 の 持 ち上 げ 動 作 に お け る箱 の 大 き さの 影 響 を求 めて い るが,こ こで は 腹 圧 が 考 慮 され て い な い. 瀬 尾(12)は,腰 痛 防 止 の た めの 腰 部 負 荷 推 定 ソ フ トを 開 Fig.2 Rigid link model 発 して い るが,腰 椎 負 荷 を椎 間 板 圧 迫 力 で しか 評 価 し て お らず,ま た 腹 圧 も姿 勢 か ら推 定 した 効 果 しか 考 慮 して い な い.前 奨 で き る理 由 と して,腰 部 へ の圧 迫 力 を軽 減 で き,腰 田 ら(13)は,実測 した 筋 電 図 か ら腹 圧 が 部 へ 加 わ る ス トレス を脚 部 へ 移 行 で き る こ とを あ げて 重 要 な 役 割 を果 た して い る こ と を示 した が,解 析 モ デ い る.伊 坂 ら(16)は,2種 類 の 挙 上 動 作(膝 を使 わ ない ル に 組 み 込 む た め の 推 定 方 法 な どは 明 らか に して い な 動 作=back い.山 崎 ら(14)は,移乗 介 助 にお け る動 作 の 違 い に よ る 的 に重 量 物 を持 ち上 げ るに は,持 ち 上 げ 開 始時 に,膝 腹 圧 の 効 果 は 十 分 小 さい と して 無 視 して い る. 評 価 項 目に つ いて を 曲 げ るだ けで な く腰 仙 関 節 を 伸 展 させ る 姿勢(背 従 来 の 研 究(10)-(12),(14)は,腰 部 へ の 負 荷 を 圧 迫 力 の み で 評 価 して い る もの ば か りで, 中 を張 っ た状 態)が 有 効 で あ る こ とを 示 して い る.し か しこれ らの 研 究 は,適 切 な 初 期 姿 勢 や 挙 上動 作 を定 量 腰 椎 の ゆが み に 大 き く影 響 す るせ ん 断 方 向 の 力 で 評価 的 に示 した もの で は な く,ま た,腰 仙 関節 を伸 展 させ した もの や,各 関 節 の モ ー メ ン トや エ ネ ル ギ 効 率 な ど た姿 勢 を と る と,腰 部 へ の 負 荷 は軽 減 で き る が,そ の の 複 数 の 項 目か ら総 合 的 に 評 価 した もの は 見 あ た らな い.宮 lift)にお け る, 熟 練 した ウ ェイ トリフ ター と一般 人 の 比較 か ら,効 果 腰 部 負 担 を 測 定 して 負 担 の 軽 減 手 法 を 提 案 して い る が, (2) lift,膝を使 っ た動 作=leg 姿 勢 を とるた めに 膝 を曲 げ す ぎ る と,下 肢 へ の 負 荷 を 田 ら(15)は 個 人 差 を反 映 した 人 間 の 動 作 モ デ ル を 増 加 させ る恐 れ が あ る. 構 築 す るた め に 持 ち上 げ動 作 を 取 り上 げ,そ れ を 再 現 3. す るた め の 評価 関 数 の 同 定 を試 み て い るが,生 体 内 の 負 荷 を 評 価 項 目に 含 め て い な い た め か,実 用 的 な 評価 本 論 文 で 提 案 す るモ デ ル は,性 別 や 年 齢 差 を,骨 格 関 数 は 導 出 され て い な い. (3) 動作姿勢について 解析 モデル 長 や 重 量 配 分 だ け で な く,筋 力 の違 い と して も考 慮 す 腰に負担をかけない挙上 るひ とつ の 方 法 と して,物 を 持 ち 上 げ る とき に重 要 な 動 作 と して,一 般 に 膝 を 使 っ た 動 作 が 推 奨 され て い る. 役 割 を果 た す 腹 圧 に つ い て,姿 勢 か ら推 定す る腹 圧 値 Bejjaniら(10)は,膝 関 節 と背 中に加 わ る力 の 関係 を 求 め だ けで な く,肺 活 量 か ら推 定 したValsalva効 果 に よ る た と き,膝 を 使 わ な い 動 作 よ りも膝 を使 っ た 動 作 が推 増 加 分 を加 え る こ と を特 徴 とす る.さ 170 らにL5/S1関 節

3 Fig.3 Calculation steps Table 1 Specification of each body elements Fig.4 Calculation model

4 Fig. 5 Torso linkage system and angles used to model forces on superior sacral surface of L5/S1 disc (adapted from ref.(24) Fig.6.23) Fig.6 Valsalva maneuver (adapted from ref.(1) 52B)

5

6 Fig.9 Floor reaction force

7 (b) share force Fig.11 L5/S1 load during lifting (a) pose-a (b) pose-b Fig.10 Start-on posture of lifting task (a) compressive force

8 (11) A. Freivalds, et al., A dynamic biomechanical evaluation of lifting maximum acceptable loads, J. Biomechanics, 17(4), 251/262, (1984). (12) Ergonomics & Occupational Health ( (13) M. Maeda, et al., Study of lumbosacral load and intraabdominal pressure in lifting task, Central Japan J of Orthopaedic Surgery & Traumatology, 38(4), 885/886, (1995). (14) N. Yamazaki, et al., Measurement of Transferring Motions and Evaluation of Caregiver's Lower-Back Load, (1) I. A. Kapandji (H. Ogishima: Supervisor on translation), Kapandji's Physiology of articulation, III Trunk and Spinal Column, Ishiyaku Publishers, (1986).(in Japanese) (2) T. Kawakami, Illustrated Class on Lumbago, 3rd ed, Igaku-Shoin, (1998).(in Japanese) (3) M. Yamaghishi and Y. Yabe, Pathophysiology and diagnostic treatment of backache, Shinko Trading Co Ltd, (2001).(in Japanese) (4) R. Cailliet (H. Ogishima: Translation), Understand Your Backache, Ishiyaku Publishers, (1985).(in Japanese) (5) Occupational Health and Safety Law ( (6) Women Labor Standards Rules ( (7) Juvenile Labor Standards Rules ( (8) Applications Manual for the Revised NIOSH Lifting Equation ( (9) Japan Industrial Safety and Health Association, Investigation research on development of the evaluation criteria of the work load considering advanced age laborers' safety and health - The Heisei 13 fiscal year report (final report)-, Japan Industrial Safety and Health Association, (2001).(in Japanese) (10) F. J. Beijani, et al., Model for static lifting: relationship of loads on the spine and knee, J Biomechanics, 17(4), 281/286, (1984). Biomechanism, 16, 195/205, (2002). (15) N. Miyata, et al., Individual Human Motion (1st report) Performance Index to Generate Lift-up Motion, Proc. of the 19th Annual Conf.- of the Robotics Society of Japan (RSJ2001), 2K23, 741/742, (2001). (16) T. Isaka, et al., Derication of Reasonable Lifting Movement from Techniques Utilized in Skilled Weightlifter, Trans. of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, 64(623), 2429/2436, (1998). (17) E. Tanaka, et al., Finite Element Stress Analyses of the Fifth and Fourth Single Lumber Vertebra, Trans. of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, 62(600), 1938/1945, (19%). (18) K. Takeuchi, et al., Computational Study on the Etiology of Idiopathic Scoliosis (Bucking Hypothesis Induced by Bone Modeling against Gravity), Trans. of the Japan Society for Computational Engineering and Science, Paper No , (2002). (19) H. Nishigaki, et al., Fundamental Study of Dynamic Analysis of Lumber Vertebrae, R&D Review of Toyota CRDL, 36(2), 3/8, (2001). (20) M. Ae, et al., Estimation on Inertia Properties of the Body Segments in Japanese Athletes, Biomechanism, 11, 23/33, (1992). (21) H. Okada, et al., Body Segment Inertia Properties of Japanese Elderly, Biomechinsm, 13, 125/138, (1996). (22) A. Nachemson, et al., Valsalva maneuver biomechanics: effects on lumber trunk loads of elevated intra-abdominal pressure, Spine, 11(5), 456/462, (1986). (23) D. B. Chaffin, A computerized biomechanical model - development of and use in studying gross body actions, J. Biomechanics, 2, 429/441, (1969). (24) D. B. Chaffin, et al., Occupied Biomechanics, 3rd Ed, John Wiley & Sons, (1999). (25) A. Takeuchi, New Physical Science, Japan Medikal Journal, (1994).(in Japanese) (26) J. M. Morris, et al., Role of the trunk in stability of the spine, J. Bone & Joint Surgery, 43A, 372/351, (1961). (27) C. K. Anderson, et al., A biomechanical model of the lumbosacral joint during lifting activities, J. Biomechanics, 18(8), 571/584, (1985). (28) N. Yamazaki, Biomechanical Evaluation of Seat Comfort, Biomechanism, 9, 151/162, (1988). (29) Ministry of Health, Labour and Welfare, Notification About promotion of the measure against lumbago prevention in a place of work, Ministry of Health, Labour and Welfare, Kihatsu No.547, (1994).(in Japanese) (30) Sanwa Kagaku Kenkyusho Co., Lumbago Handbook No.2 - The right pasture prevents lumbago -, Sanwa Kagaku Kenkyusho Co., (2000).(in Japanese) (31) The Association of Employment Development for Senior Citizens, Report: Research on the construction of a work improvement support system utilizing Web, The Association of Employment Development for Senior Citizens, (2002).(In Japanese) 176

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