Etude de cas – Impact de l’exosquelette Japet.W sur la posture

Résultats de l’étude de cas réalisé en partenariat avec un grand groupe énergétique Français sur l’impact de l’exosquelette Japet.W sur la posture pendant la manipulation.

Étude de cas : impact d’un exosquelette lombaire sur la posture pendant la manipulation

Pôle recherche de Japet en partenariat avec le pôle ergonomie d’un grand groupe énergétique Français.

 

1. Introduction

Les troubles lombaires occupent une place croissante dans les pays industrialisés. On estime que 80 % de la population adulte actuelle souffre ou souffrira de lombalgies, avec une prévalence annuelle de 30 % (Olivier N., 2016). Cette fréquence a plus que triplé en France entre 1980 et 2000. Les études épidémiologiques sont très nombreuses et confirment une prévalence similaire dans les différents pays industrialisés. La lombalgie chronique, par définition supérieure à trois mois, concerne 20% des lombalgies, ce qui représente entre 10% et 20% de la population, l’âge de prédilection étant entre 35 et 45 ans.

La lombalgie est un problème majeur de santé publique et une charge pour l’économie car elle génère des coûts importants pouvant atteindre 20 milliards d’euros par an en France (Thevenon A., 2015) (Dogan C., 2016). La lombalgie est l’une des maladies les plus coûteuses pour les entreprises. Elle est responsable de 10 % des arrêt de travail, tous secteurs confondus, et de 13 % des demandes d’invalidité.

Les ergonomes ont un rôle très important car ils étudient les risques liés au poste de travail afin de les adapter aux opérateurs. Lorsque l’adaptation du poste de travail n’est pas possible, les ergonomes se tournent parfois vers d’autres solutions telles que la robotisation ou la mise en place d’exosquelettes. Cependant, il est nécessaire d’évaluer l’impact d’une nouvelle solution, avant, pendant et après sa mise en œuvre. Dans la littérature, les exosquelettes utilisés sur le lieu de travail sont des dispositifs d’assistance et de prévention visant à réduire les charges sur le corps et dans les différentes articulations. Le dispositif que nous proposons d’étudier est un exosquelette médical qui ne vise pas à prévenir et à soulager la douleur pour permettre le maintien des travailleurs dans l’emploi. Cette étude de cas est une première évaluation de la mise en place d’un exosquelette lombaire sur une activité douloureuse du dos sur le lieu de travail : le port de charges lourdes.

2. Matériels et méthodes

2.1. Approche

Cette étude de cas est réalisée sur un agent du d’une entreprise énergétique Française. L’impact de la manipulation sur la colonne vertébrale varie selon le type d’objet à transporter, la hauteur et la distance des charges, le type de prise et la fréquence de répétition des mouvements. L’étude de cas présentée fait partie d’une étude sur le lieu de travail menée par une ergonome et psychologue du travail de la société énergétique.

2.2. Sujet

Cet exosquelette est destiné à une population souffrant de douleurs lombaires, et surtout de douleurs liées à des pathologies mécaniques. Un seul sujet a été recruté pour cette étude de cas. Le sujet a fourni un consentement éclairé. Le volontaire souffre d’une lombalgie chronique.

2.3. Appareillage et instrumentation

2.3.1. Exosquelette lombaire

L’exosquelette porté est une orthèse de tronc dynamique qui applique des forces de traction verticales pour réduire la pression sur la colonne lombaire (Japet Medical, France). L’appareil est composé de deux ceintures, l’une sur les hanches et l’autre sur les côtes inférieures. Ces deux ceintures sont reliées par deux ensembles d’actionneurs positionnés de part et d’autre du corps.

Les quatre actionneurs ont un double rôle : préserver la mobilité du tronc tout en appliquant la force de traction. Chaque actionneur est relié aux ceintures par une rotule et s’adapte automatiquement à différentes hauteurs, permettant de suivre le mouvement du tronc (Fig. 1). L’exosquelette a quatre niveaux de force de traction, 4 kg, 8 kg, 12 kg et 16 kg.

Fig. 1. Exosquelette Japet.W sur le sujet lors de la manipulation

2.3.2. Système de capture de mouvement

L’acquisition de la posture est réalisée grâce à onze unités de mesure inertielle (TEA Captiv T-sens Motion, TEA), placées sur les mains, les bras, la tête, le sternum, le tronc (partie lombaire), les cuisses et les tibias (Fig. 2). L’acquisition des données est effectuée à 64 Hz. La communication sans fil entre les capteurs et l’enregistreur de données (TEA Captiv T-LOG, TEA) permet au sujet d’être libre de se déplacer de manière naturelle et réaliste. Les données sont immédiatement transmises à l’ordinateur, ce qui permet de visualiser les mouvements du sujet via le logiciel Captiv (TEA). Ce logiciel effectue une évaluation ergonomique pour chaque enregistrement au format .pdf. Cependant, pour faciliter le traitement, les données sont récupérées en format .csv pour être analysées sur Matlab (MathWorks®).

Fig. 2. Les points jaunes se trouvent à l’emplacement des unités de mesure inertielle.

2.4. Procédure expérimentale

Une première étude sur le poste de travail d’un opérateur de manutention a été réalisée par l’ergonome. Ce poste de travail ne peut pas être ajusté aux normes ergonomiques, c’est pourquoi l’ergonome a proposé de tester un exosquelette lombaire afin de soulager son dos pendant ses activités professionnelles.

Après avoir validé les indications de l’appareil avec le fabricant, l’ergonome a présenté l’exosquelette ainsi que le déroulement de l’étude au volontaire. L’opérateur a donné son consentement éclairé. Des mesures anthropométriques sont recueillies, notamment le poids, la taille, le tour de hanche et le tour de dessous de poitrine, par l’ergonome. Ces mesures permettent de prévoir la taille correcte de l’appareil pour le test.

Le jour du test, un membre de l’équipe Japet et l’ergonome se sont rendus dans le hangar de stockage où travaille le sujet. Le sujet est informé du fonctionnement de l’appareil et des mesures effectuées pendant le test. Puis, le sujet a essayé l’exosquelette pour se familiariser avec le produit et son interface de contrôle. Après cela, l’exosquelette a été retiré afin de placer les unités de mesure inertielle (IMU). Enfin, l’exosquelette est remis en place pour vérifier qu’il n’appuie pas sur l’IMU.

Le test comprend trois tâches différentes : le déchargement de cartons (deux palettes sont posées sur le sol, le sujet transfère le carton d’une palette à l’autre), le stockage des pneus sur des étagères (le sujet doit soulever un pneu du sol jusqu’à une étagère de 1,5 m de haut) et le déplacement d’une bouteille de gaz (le sujet doit soulever une bouteille de gaz du sol et la remettre sur le sol 5 m plus loin. Le sujet est chargé d’exécuter les tâches de la manière la plus naturelle possible. Les mêmes tâches sont répétées sans l’appareil et avec l’appareil (force de traction de 2 kg/actionneurs).

Six enregistrements sont effectués (Fig. 3). Pour chacune d’elles, l’étalonnage de l’IMU est effectué à l’aide du logiciel Captiv. Pour effectuer le calibrage, le sujet doit maintenir une position orthostatique, les bras tendus pendant 10s.


Fig. 3. Photos indiquant les 2 conditions pour les 3 tâches

3. Résultats

Chaque segment défini par l’IMU est supposé être un solide rigide non déformable. Les connexions entre les segments sont supposées être parfaites sans degré de liberté (DOF) en translation. L’IMU permet alors d’évaluer les angles formés par les articulations du cou (3 DOF), du dos (3 DOF), des épaules (3 DOF), des coudes (2 DOF), des poignets (2 DOF), des hanches (3 DOF) et des genoux (2 DOF). Dans cette étude, nous nous intéressons uniquement aux trois angles du dos.

3.1. Déchargement de cartons

Lors du déchargement de cartons, l’acquisition a duré tout au long de l’activité (78s), c’est-à-dire que plusieurs cartons ont été déplacés.
Sur les graphiques 2D (Fig. 4) sont représentées les données sans l’appareil (bleu) et les données avec l’appareil (cyan).

Fig. 4. Diagramme de dispersion représentant les angles de dos (angles de flexion-extension en fonction de la inclinaison latérale) pendant la décharge de cartons.

Les données sans le dispositif sont plus dispersées que les données avec le dispositif.

Les axes des abscisses et des ordonnées ont trois couleurs, se référant aux trois zones angulaires du dos (Tableau 1.) communément utilisées par les ergonomes. Les références CAPTIV : la zone de confort (vert), la zone de risque (orange) et la zone dangereuse (rouge).

Zone de comfort Zone à risque Zone dangereuse
Flexion extension ]-10°;35°[ [-20°;-10°] and [35°;45°] ˂ -20° and > 45°
Inclin. latérale ]-10°;10°[ [-20°;-10°] and [10°;20°] ˂ -20° and > 20°
Rotation axiale ]-15°;15°[ [-30°;-15°] and [15°;30°] ˂ -30° and > 30°

Tableau 1. Zones angulaires du dos

En comparant les données d’acquisition avec le tableau des zones angulaires du dos (tableau 1), il est possible de quantifier le pourcentage de temps passé dans chaque zone. Pour ce faire, il est nécessaire de faire un postulat sur les combinaisons d’angles, qui ne sont pas prises en compte dans ce tableau. Nous avons pris la décision de ne pas considérer les combinaisons de mouvements, mais de regarder les trois angles indépendamment (flexion-extension, inclinaison latérale et rotation axiale).

Vous trouverez ci-dessous le pourcentage de temps passé dans chaque zone lors du déchargement de cartons :

Fig. 5. Pourcentage de temps passé dans les différentes zones angulaires pendant le déchargement de cartons

Le sujet a passé plus de temps dans la zone de confort avec l’appareil que sans en flexion extension, en inclinaison latérale et en rotation axiale. Il a passé moins de temps dans les zones à risque ainsi que dans les zones dangereuses grâce à l’appareil.

3.2. Stockage des pneus sur des étagères

Afin de ne pas perturber l’activité de l’opérateur, l’acquisition a été réalisée sur le stockage de seulement deux pneus (16s).

Fig. 6. Scatter plot représentant les angles de dos (angles de flexion/extension en fonction de la inclinaison latérale) pendant le stockage des pneus.

La figure (Fig. 6) ne montre pas de différence significative de dispersion entre les courbes sans et avec l’appareil.
Le pourcentage de temps passé dans chaque zone de confort pour le pneu de stockage est le suivant :

Fig. 7. Pourcentage de temps passé dans les différentes zones angulaires lors de la tâche de stockage des pneus

Le sujet a passé plus de temps dans la zone de confort flexion extension avec l’appareil que sans (respectivement 65,8% du temps et 49,4% du temps). Le temps passé dans la zone de risque est réduit avec le dispositif (13,3 % avec le dispositif et 42,6 % sans). Le temps passé dans la zone dangereuse augmente avec le dispositif (20,9 % avec le dispositif et 8 % sans).

Enfin, avec ou sans le dispositif, le sujet passe 100% du temps dans la zone de confort en inclinaison latérale et dans la zone de confort en rotation axiale.

3.3. Déplacement d’une bouteille de gaz

Pour les mêmes raisons que le test de stockage des pneus, l’acquisition a été effectuée pour le déplacement d’une seule bouteille de gaz (13s).

Fig. 8. Diagramme de dispersion représentant les angles de dos (angles de flexion et d’extension en fonction de la inclinaison latérale) pendant le déplacement des bouteilles de gaz.

Les données avec le dispositif semblent être moins dispersées que les données sans le dispositif.
Le pourcentage de temps passé dans chaque zone de confort pour la bouteille de gaz en mouvement est le suivant :

Fig. 9. Pourcentage de temps passé dans les différentes zones angulaires pendant la tâche de la bouteille de gaz en mouvement

En flexion extension, le sujet a passé 78,9% du temps dans la zone de confort, 14,6% dans la zone de risque et 6,5% dans la zone dangereuse sans l’appareil. Avec l’appareil, il a passé 89 % du temps dans la zone de confort flexion extension et 11 % dans la zone à risque.

Le sujet a passé 37,1 % du temps dans la zone de confort en inclinaison latérale sans l’appareil, 46,5 % dans la zone à risque et 16,4 % dans la zone dangereuse. Avec l’appareil, il a passé 35,2 % du temps dans la zone de confort et 64,8 % dans la zone à risque.

Enfin, avec ou sans le dispositif, le sujet a passé 100% du temps dans la zone de confort en rotation axiale.

4. Discussion

L’appareil semble avoir un impact généralement positif sur les postures prises par l’opérateur. En effet, deux des neuf graphiques se distinguent : le mouvement de flexion-extension pendant la tâche de stockage des pneus, et la inclinaison latérale pendant la tâche de déplacement de la bouteilles de gaz.

Pendant la tâche de stockage des pneus, les résultats en flexion extension sont discutables. En effet, le temps passé dans la zone de confort est plus important avec l’appareil que sans, mais la zone dangereuse est plus importante avec l’appareil que sans. En résumant le temps passé dans la zone à risque et la zone dangereuse, il apparaît que l’opérateur a passé 50,6 % du temps dans une mauvaise posture sans l’appareil, et 34,2 % du temps dans une mauvaise posture avec l’appareil. Notez que l’appareil n’est pas conçu pour fonctionner avec les bras en l’air. Cela peut expliquer ces mauvais résultats pour le stockage de pneus sur une étagère haute.

En ce qui concerne les résultats de la inclinaison latérale pendant le déplacement de la bouteille de gaz, l’opérateur a quasiment passé autant de temps dans la zone de confort sans et avec le dispositif (37,1% et 35,2% respectivement). Le pourcentage de temps passé dans la zone de risque avec le dispositif est sensiblement plus élevé que sans le dispositif, mais le port du dispositif permet à l’opérateur de ne pas prendre position dans la zone dangereuse. En résumant le temps passé dans la zone à risque et la zone dangereuse, il apparaît que l’opérateur a passé 62,9 % du temps dans une mauvaise posture sans le dispositif, et 64,8 % du temps dans une mauvaise posture avec le dispositif.

Le résultat de cette étude de cas est donc très encourageant.

Cependant, ce travail préliminaire présente de nombreuses limites. Tout d’abord, il s’agit d’un cas d’étude sur un seul opérateur. Cette étude devrait être étendue à une plus grande échelle. Deuxièmement, il y a eu peu de répétition des tâches. En effet, il est difficile d’effectuer des mesures en situation réelle de travail car la mise en œuvre du protocole ralentit nécessairement le rythme de travail de l’opérateur. Troisièmement, il serait intéressant de réaliser une étude sur l’ensemble du corps afin d’analyser les répercussions de l’appareil sur les autres articulations du corps.

5. Conclusion

Cette étude de cas préliminaire a montré que le dispositif a un impact positif sur la posture adoptée par l’opérateur dans 88,9 % des cas d’utilisation. Une évaluation plus large est nécessaire pour confirmer ces données encourageantes.

6. Remerciements

Nous remercions l’opérateur volontaire et son responsable pour le temps qu’ils nous ont consacré pour cette étude.

7. References

Dogan C., D. A. (2016). Gender as a modifying factor influencing myotonic dystrophy type 1 phenotype severity and mortality: A nationwide multiple databases cross-sectional observational study. PloS One, 11(2):e0148264.

Olivier N., B. J. (2016). Evaluation of muscle oxygenation by near infrared spectroscopy in patients with facioscapulohumeral muscular dystrophy. NeuromusculDisord NMD, 26(1):47-55.

Thevenon A., G. F. (2015). Collection of normative date for spatial and temporal gait parameters in a sample of French children aged between 6 and 12. Ann. PhysRehabil Med., 58(3):139-44.

 

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