Einfluss eines Armassistenzsystems für laparoskopische Eingriffe auf Muskelaktivität, Bewegungsverhalten und Haltung des Nutzers - explorative Evaluation bei simulierten laparoskopischen Eingriffen

Abstract

Einleitung: Die minimalinvasive Chirurgie, die zunehmend auch bei "großen" Operationen Anwendung findet, bringt eine unphysiologische Haltung und eine erhöhte Inzidenz muskuloskelettaler Erkrankungen unter den Operateuren mit sich. Um dem zu begegnen, wurde der Prototyp eines Armassistenzsystems (AAsSyst) hinsichtlich Veränderungen der Muskelaktivität, Bewegungsverhalten und Haltung des Nutzers explorativ untersucht. Material & Methoden: Die Muskelaktivität wurde mit Hilfe der Oberflächenelektromyographie erfasst. Sowohl der M. trapezius pars descendens rechts und links als auch der M. erector spinae (Höhe L1/L2) rechts und links wurden bipolar abgeleitet. Zwei Beschleunigungssensoren am rechten Unterarm und drei Lagesensoren (LWS, BWS, rechter Oberarm) lieferten Daten zu Bewegungsverhalten und Haltung. Insgesamt standen für diese explorative Studie abzüglich der Drop-outs n = 11 Probanden zur Verfügung. Aufgrund technischer Probleme reduzierte sich für die Haltungsanalyse die Probandenzahl auf n = 7. Das AAsSyst besitzt 5 Freiheitsgrade und besteht aus zwei Manipulatoreinheiten, die autonom den aufgelegten Armen des Anwenders bei einstellbarem Unterstützungsgrad folgen. Die Probanden mussten eine statische (einhändig) und eine dynamische Aufgabe (beidhändig) randomisiert mit und ohne AAsSyst (Unterstützungsgrad 90 % des Armgewichts) in zwei Tischhöhen absolvieren. Ergebnisse: Bei der statischen Aufgabe erhöhte sich die Muskelaktivität des rechten M. erector spinae im Median um 33,3 %. Bei der dynamischen Aufgabe reduzierte sie sich für die Mm. trapezii bds. um 36,85 % und für die Mm. erectores bds. um 14,3 %. Die Längs- und Querbeschleunigung des Unterarms nahm mit AAsSyst um 5,82 % bzw. 5,33 % ab. Die Haltung des rechten Oberarms änderte sich durch das AAsSyst hin zur Abduktion und Anteversion. Bei der statischen Aufgabe flektierten die Versuchsteilnehmer die LWS und BWS nach rechts und für die BWS konnte eine Extension dokumentiert werden. Das Signifikanzniveau lag bei 0,05. Diskussion: Trotz der Haltungsänderungen des rechten Oberarms (Abduktion, Anteversion) entlastet das AAsSyst bei der dynamischen Aufgabe den M. trapezius pars descendens mehr als den M. erector spinae. Das AAsSyst scheint einerseits durch seine Stützfunktion und andererseits durch eine aufrechtere Position des Torso muskulär entlastend zur wirken. Die Beschleunigungsspitzen nehmen im Median bei der dynamischen Aufgabe ab, was für die Sicherheit des Systems spricht und eine längere Aufgabendauer verständlich macht. Bei der einhändig durchgeführten Pinaufgabe führte am ehesten die neu auftretende Rechtsflexion der Wirbelsäule durch das AAsSyst zu einer erhöhten Muskelaktivität der unteren Rückenmuskulatur; die Muskelaktivität des M. trapezius änderte sich nicht. Diese Veränderungen sollten mit Hilfe einer neu konzipierten statischen Aufgabe, bei der dann auch die Erektorrotation und die gesamte Muskulatur des rechten Schultergürtels erfasst werden, näher untersucht werden. Schlussfolgerung: Das AAsSyst reduziert die biomechanische Belastung des Anwenders durch eine geringere muskuläre Beanspruchung v.a. am Schultergürtel. Überschießende Bewegungen werden reduziert und die Haltung bei beidhändigem Gebrauch optimiert (Aufrichtung) und so auch die Rückenmuskulatur entlastet. Primäres Entwicklungsziel der verbesserten Ergonomie des Nutzers wurde in der beidhändigen Anwendung somit erreicht. Ein nächster Entwicklungsschritt müsste die Implementierung des AAsSyst ins operative Setting (Platzbedarf, Hygiene, Einfluss auf die Ermüdungszeit des Operateurs, etc.) sondieren. Eine deutlich größere Zahl an Probanden ist hierbei insbesondere zur Dokumentation kleiner Effekte unerlässlich und geboten.

Introduction: Minimally invasive surgery, which nowadays is more and more applied even to long-lasting operational procedures, results in an unphysiological posture. Also, a higher incidence of musculo-skeletal problems occurs among surgeons. Out of this necessity, a newly developed prototype (Arm Assistance System = AAsSyst) was examined with regard to users' changes in muscle activity, movement, and posture. Material & Methods: Bipolar surface electromyography was used to determine the muscle activity of the M. trapezius pars descendens sinister et dexter as well as the M. erector spinae (height L1/L2) sinister et dexter. Two acceleration sensors at the right forearm and three posture sensors (lumbar spine, thoracic spine, right upper arm) provided information about movement and posture. For this explorative study n = 11 surgeons were available. However, technical problems reduced their number with respect to the posture analysis to n = 7. The AAsSyst consists of two manipulator units with five degrees of freedom The operator's arms are simply put on the AAsSyst, which autonomously follows them in real time, and provides a support level, that can be freely chosen. Here, it was set to 90 % arm weight. One static (one-handed) and one dynamic (two-handed) exercise had to be conducted with and without the AAsSyst and in two different table heights; assistance level and table height were randomised. Results: Muscle activity of the right M. erector spinae increased throughout the static task by 33.3 % (Median). The dynamic exercise reduced it for both trapezius muscles by 36.85 %. and for both of the the erector muscles by 14.3 %. The right forearm's longitudinal and cross acceleration decreased with AAsSyst by 5,82 % and 5,33 % respectively. The right upper arm's position was changed by the AAsSyst toward an abduction and anteversion. Within the static exercise, the test persons bent their lumbar and thoracic spine to the right and we documented - with regard to the thoracic spine - a significant extension. The level of significance was set to 0.05. Discussion: In spite of the changes in the right upper arm's position (abduction, anteversion), the AAsSyst relieved the trapezius muscle more than the erector muscle throughout the dynamic exercise. The AAsSyst seems to reduce muscle activity through it's support function on the one hand, and the user's more upright torso position on the other hand. Acceleration maxima decreased in median, which shows the safety of the system and explains a longer exercise duration. The use of the AAsSyst in the one-handed static task led to a right flection of the spine. This flection might explain the heightened muscle activity of the lower trunk musculature while the muscle activity of the trapezius remained unchanged. In order to examine these changes, the rotation of the erector muscle and the musculature of the right pectoral girdle should be analysed in a newly designed static exercise. Conclusion: The AAsSyst reduces the user's biomechanical burden through a lesser muscular demand, especially at the pectoral girdle. Excessive movements are reduced and the user's posture is optimised (straightening up), given a two-handed exercise. Thus, back muscles are relieved. The primary development target of improving the operator's/surgeon's ergonomics could be achieved when both (support) arms are used. The next developmental step should examine how the AAsSyst could be implemented into the operative setting (space, hygiene, influence to the surgeon's exhaustion time, etc.). Therefore, a significantly higher number of test persons is mandatory in order to - among others - determine smaller effects that yet stay in the dark.