UNIVERSITA’ DI PISA
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Tesi di laurea Magistrale
“Analisi biomeccanica e valutazione dei carichi
sulla colonna vertebrale lombare durante
l’addestramento dei Vigili del Fuoco”
RELATORI
_______________________ _____________________________ Prof. Ing. Luigi Landini Dott. Ing. Alessandro Paola Dipartimento dell’Informazione Primo Dirigente Corpo Naz.Vigili del Fuoco Presidente del corso di Laurea Comandante Scuole Centrali Antincendi Ingegneria Biomedica
_______________________ ______________________________ Prof. Ing. Francesca Di Puccio Capo Squadra Esperto Libero Misocchia
D.I.M.N.P. Istruttore professionale
Ingegneria Biomedica Scuole Centrali Antincendi
Il CANDIDATO _________________________ Soremic Filippo Anno accademico 2011/2012
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Indice
PREMESSA……….………4
INTRODUZIONE………..………..6
1 – ASPETTI BIOMECCANICI NELL’ ADDESTRAMENTO DEI VIGILI DEL FUOCO………8
1.1 INCIDENZA DELLE PATOLOGIE LOMBOSACRALI……….……….………8
1.2 FORTUNI NELL’ATTIVITA’ DEI VIGILI DEL FUOCO……….…….…..9
1.3 STUDI SUI VIGILI DEL FUOCO..………..……….………..….……10
1.4 LA SCALA ITALIANA E L’ANALISI DEL SOLLEVAMENTO DELL’INTERMEDIO……….…11
2– MODELLI BIOMECCANICI………..……14
2.1 - MODELLI BIOMECCANICI PER ANALISI DEI TASK DI SOLLEVAMENTO………...15
2.2 – MODELLI BIOMECCANICI SUI VIGILI DEL FUOCO………19
2.3 – MODELLI AVANZATI E SOFTWARE………..…21
3-DESCRIZIONE E ANALISI SPERIMENTALE DEL MOVIMENTO……….……….……..23
3.1 – SET UP SPERIMENTALE ……….….24
3.2 - SUDDIVISIONE IN FASI DELLA MOVIMENTAZIONE……….………..…25
3.3 – ANALISI DEI MOVIMENTI REGISTRATI ………...……….33
3.3.1 - ESECUZIONI VIGILE N°1 ……….………..34
3.3.2 - ESECUZIONI VIGILE N°2 ……….….…….36
3.3.3 - ESECUZIONI VIGILE N°3 ……….….…….36
3.3.4 - ESECUZIONI VIGILE N°4 ………..…….37
3.4 – ANALISI ERRORI COMMESSI E CONSIDERAZIONI UTILI ALL’ ADDESTRAMENTO.38 4 – INTERAZIONE DELLA SCALA CON LA STRUTTURA MUSCOLOSCHELETRICA………41
4.1 – ANALISI DELLE IMMAGINI RACCOLTE………..….41
4.2 – ANALISI STATICA E DINAMICA DELLA MOVIMENTAZIONE ………..………….42
5 – ANALISI DI PRIMA APPROSSIMAZIONE……….…………62
5.1 – MODELLO BIOMECCANICO APPLICATO……….62
5.2 – IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO……….64
5.3 - ELABORAZIONE DEI DATI SPERIMENTALI ……….………..………68
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6- ANALISI CON MODELLO AVANZATO………..……….…..80
6.1 – GENERALITA’ DEL SOFTWARE OPEN SIM………..….…………80
6.2 – MODELLO UTILIZZATO E RISULTATI………..……….85
7 – CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI………..……….…….…90
6.3 – CONCLUSIONI……….………90
6.4 –APPLICAZIONE DELLO STUDIO E SVILUPPI FUTURI ..……….…………..93
BIBLIOGRAFIA……….…….94
APPENDICI………..98
APPENDICE A – CENNI DI ANATOMIA E FISIOLOGIA DEL RACHIDE LOMBOSACRALE..98
APPENDICE B – TABELLE DELLE FOTO RACCOLTE ………..…..101
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Premessa
Lo studio dell’addestramento operativo, finalizzato alla preparazione tecnica e professionale di un operatore del soccorso tecnico urgente non può prescindere dalla corretta valutazione dei carichi somministrati nei periodi didattici a ciascun allievo, anche in funzione della corporatura e dell’attitudine personale di ciascuno di essi.
Per fare ciò, tuttavia, è fondamentale effettuare in modo assolutamente sistematico lo studio degli esercizi addestrativi a cui vengono sottoposti gli allievi, valutandone le conseguenti reazioni ed in particolare osservandone gli infortuni al fine di minimizzarne le cause di accadimento, sia che queste dipendano da problematiche procedurali che, viceversa, da insufficienze fisiche.
Il presente studio si deve dunque considerare come uno dei diversi tasselli derivanti dall’osservazione sulle attività e sulle conseguenze dell’addestramento operativo nei confronti degli allievi vigili del fuoco.
Diverse sono infatti le problematiche che devono essere considerate in un corso che ha finalità “operative”, vale a dire che serve per preparare concretamente un cittadino avente incondizionata idoneità psico-fisica a diventare un soccorritore, capace di intervenire in condizioni di rischio e di forte stress personale anche in casi estremi, attraverso una metodica preparazione personale e professionale, mediante l’applicazione di procedure operative codificate e l’utilizzo di strumenti ed attrezzature in grado di assicurare l’efficacia dell’azione.
Primo “tassello” da considerare è appunto la diversa composizione dei soggetti che si accingono a sostenere il corso di formazione, che hanno tutti diverse caratteristiche e capacità fisiche ed attitudinali, anche in relazione alla personale storia di vita precedente all’ingresso nel Corpo. Tale aspetto impone che tutti gli allievi dovranno imparare ad essere in grado a svolgere correttamente tutte le manovre e gli esercizi, anche dopo il necessario training fisico che, così, diventa componente strutturale ed essenziale del corso di formazione ove la parte tecnica è necessariamente integrata con la parte motoria-professionale.
Altro “tassello” riguarda l’osservazione di ciascun esercizio o attività addestrativa, da valutarsi sia nei carichi indotti sull’allievo, di tipo fisico e di stress nervoso, sia per la stima e l’apprezzamento del miglioramento dell’abilità tecnica e procedurale.
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Ciascun esercizio è lo svolgimento pedissequo di una procedura codificata e standardizzata ove, al termine, c’è il risultato atteso di una performance. In ogni momento di applicazione di tali procedure devono essere valutati gli istanti critici, dove deve essere applicato il massimo sforzo fisico o di attenzione all’osservanza delle procedure di sicurezza in coincidenza dei quali diventa più elevata la probabilità che si venga a verificare un’anomalia nell’esercizio o, nei casi più gravi, un infortunio.
La conoscenza di tali posizioni “critiche” è utilizzata dagli istruttori professionali per migliorare l’addestramento del personale in modo da consentire l’apprendimento degli allievi in condizioni di maggiore sicurezza possibile mediante la ricerca di soluzioni addestrative più favorevoli.
Per tali motivi, sia a livello personale che professionale, ho dunque particolarmente apprezzato l’argomento di questa tesi il cui studio certamente potrà dare un contributo nel miglioramento dell’attività addestrativa dei vigili del fuoco, con diminuzione degli infortuni e conseguentemente una maggiore efficacia degli interventi di soccorso tecnico urgente dei vigili del fuoco.
Dott. Ing. Alessandro Paola Dirigente del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco Comandante delle Scuole Centrali Antincendi
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Introduzione
Questo lavoro di tesi magistrale vuol contribuire al miglioramento della sicurezza nell’ambito delle attività d’addestramento che si svolgono durante il corso di formazione dei Vigili del Fuoco.
Il corso è attualmente articolato in sei mesi d’attività pratica e teorica svolta principalmente presso la struttura delle Scuole Centrali Antincendi a Roma, Capannelle.
Durante il periodo gli allievi svolgono addestramenti mirati al raggiungimento delle competenze necessarie per iniziare a svolgere il mestiere del Vigile del Fuoco, alla fine del quinto mese sostengono gli esami su tutte le attività svolte, accedendo così al mese di prova.
Terminato quest’ultimo e a seguito del parere positivo del Dirigente diventano Vigili del Fuoco ed iniziano l’attività operativa nei comandi distribuiti su tutto il territorio nazionale. Nell’arco dei sei mesi il carico fisico e psicologico che ogni allievo sostiene è notevole, le ore di addestramento al castello di manovra, di attività ginnica e di nuoto si alternano a lezioni teoriche ed esercitazioni pratiche. L’insieme di tutte queste attività fornisce un solido back-ground all’ allievo che andrà a fare esperienza lavorativa vera e propria con un ricco bagaglio teorico-pratico.
Il comandante delle SCA (Scuole Centrali Antincendi), Dott. Ing. Alessandro Paola, ed i colleghi della formazione stanno lavorando per ridurre le situazioni di rischio che possono causare infortuni, sovraccarichi muscolari e tutte le cause di interruzione per motivi di salute legate all’attività addestrativa.
In questo ambito, il lavoro di tesi qui presentato ha l’obiettivo di contribuire alla riduzione delle sollecitazioni sulla struttura muscolo scheletrica degli allievi che svolgono l’addestramento.
Per raggiungere lo scopo è stato effettuata un’analisi della movimentazione dell’intermedio della scala italiana durante la manovra adattando un modello biomeccanico alla particolare necessità
Dopo l’analisi del movimento studiato è stato infatti possibile stimare i carichi agenti sulla spina lombare nelle varie fasi, nelle situazioni statiche ed in quelle dinamiche, considerando anche gli effetti inerziali ed il contributo dell’attrito che nasce nel punto di contatto scala-parete del castello di manovra.
Sono state individuate posture e fasi dinamiche critiche che aumentano le sollecitazioni biomeccaniche sulla struttura muscolo-scheletrica degli operatori ed è stata definita la sequenza corretta per la movimentazione, che minimizza il carico lombare.
Svolgendo l’intera manovra di movimentazione in modo corretto l’allievo diminuisce le sollecitazioni sulla propria colonna vertebrale lombare che vanno a sommarsi nel periodo del corso di formazione.
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Nel primo capitolo vengono descritti gli aspetti biomeccanici nell’addestramento dei Vigili del Fuoco, dopo cenni di anatomia e fisiologia relativi alla colonna vertebrale ed al rachide lombo-sacrale viene descritta l’attuale incidenza dei problemi lombari sul mondo del lavoro, in particolare nel mestiere del Vigile del Fuoco in Italia.
Il terzo paragrafo riassume i principali studi scientifici presenti in letteratura che hanno analizzato le molteplici problematiche che coesistono nelle svariate situazioni lavorative a cui va in contro un pompiere.
L’ultimo paragrafo descrive brevemente la manovra della scala italiana (insieme all’allegato 1) e spiega come mai è necessario partire con un’analisi biomeccanica del sollevamento dell’intermedio della scala Italiana.
Nel primo paragrafo del secondo capitolo sono illustrati i modelli biomeccanici che hanno analizzato tasks di sollevamento simili a quello studiato in questa tesi in ambiti diversi da quello pompieristico, nel secondo paragrafo vengono descritti quelli che invece sono stati utilizzati proprio per analizzare movimentazioni relative al mestiere del Vigile del Fuoco. Nel terzo ed ultimo paragrafo del capitolo si accenna invece ai modelli software più evoluti con cui oggi bioingegneri, medici, fisioterapisti in tutto il mondo eseguono analisi biomeccaniche sempre più complete e sofisticate.
Al terzo capitolo è affidata la descrizione e l’analisi sperimentale del movimento.
La movimentazione da analizzare è stata suddivisa in posizioni statiche e fasi dinamiche distinguibili sul campo che l’allievo deve assumere ed eseguire per completare in modo corretto la manovra di movimentazione. Il secondo paragrafo contiene i dettagli delle analisi eseguite su ognuna delle nove movimentazioni registrate.
Le interazioni della scala con la struttura muscolo-scheletrica dell’operatore che esegue la movimentazione sono analizzate nel capitolo 4. All’analisi statica della scala movimentata segue quella dinamica, che considera i contributi della forza d’attrito e della forza d’inerzia nelle fasi della movimentazione.
Si ottengono così i dati necessari a definire l’andamento della sollecitazione esterna durante le manovre.
Con questi andamenti è stato implementato il modello biomeccanico di prima approssimazione descritto nel capitolo 5, che ha fornito dati sulle sollecitazioni agenti sulla colonna vertebrale lombare dei Vigili del Fuoco : forza compressiva, pressione intradiscale e coppia. Risultati e limiti del modello sono elencati ed i dati ottenuti sono stati confrontati con un altro modello biomeccanico, con studi in vitro ed in vivo.
Il capitolo 6 comprende il lavoro fatto con il Software OpenSim per le simulazioni biomeccaniche. E’ stato modificato un modello esistente per renderlo idoneo a studiare la movimentazione e sono statti calcolati parametri di forza muscolare utili a definire le posizioni più onerose del movimento studiato.
I risultati ottenuti, le applicazioni dello studio ed i suoi limiti, gli sviluppi futuri sono raggruppati nel settimo ed ultimo capitolo.
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Capitolo 1
ASPETTI
BIOMECCANICI
NELL’
ADDESTRAMENTO DEI VIGILI DEL FUOCO
1.1
Incidenza delle patologie lombo-sacrali
Il dolore alla zona lombare ed i danni alle sue articolazioni sono fra i problemi di salute più diffusi fra la popolazione mondiale. Statistiche americane dicono che riguarda il 15-20% della popolazione adulta ed è la più comune causa di assenza dal lavoro sotto i 45 anni.[1]
Le affezioni cronico-degenerative della colonna vertebrale (alcune note sull’anatomia del rachide sono riportate in Appendice A) sono frequenti nelle popolazioni che lavorano nell’ambito dell’agricoltura, dell'industria e del terziario.
A causa della varietà di possibili manifestazioni dolorose e dei costi economici e sociali da esse indotti, come assenze per malattia, cure, cambiamenti di lavoro, invalidità, queste patologie rappresentano uno dei principali problemi sanitari nel mondo del lavoro.
Il National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH-USA) assegna alle patologie muscolo-scheletriche il secondo posto nella lista dei dieci problemi di salute più rilevanti nei luoghi di lavoro.
Negli Stati Uniti le affezioni al rachide sono al primo posto, nelle persone al di sotto di 45 anni, fra le cause di limitazione lavorativa e i risarcimenti per patologie professionali della colonna vertebrale assorbono il 33% dei costi totali di indennizzo.
La stima di tale spesa per trattamenti e compensi assicurativi è di circa 20.000 miliardi delle vecchie lire italiane.
Nei Paesi Scandinavi il 25% delle pensioni di invalidità sono riferite a patologie croniche lombari.
Ogni anno, in Gran Bretagna, 32,6 giorni di malattia per patologie a carico del rachide lombo-sacrale (low back pain) ogni 100 lavoratori sono dovuti a patologie a carico della colonna vertebrale [14].
I problemi lombari statisticamente più frequenti oggi sono:
Low Back Pain : disturbo lombare aspecifico. Dolore o senso di fastidio lombare che
interferisce con le normali attività quotidiane nella popolazione generale.
Secondo svariati studi epidemiologici la prevalenza di lombalgia riferita all’ intera vita si attesta attorno al 70% della popolazione nei paesi industrializzati.[16]
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Lombalgia acuta: dolore lombare o lombo-sacrale tale da costringere all’immobilità e all’
assenza dal lavoro per almeno due giorni. Prevalenza nella popolazione generale :10-15%.
La sciatica: dolore che si irradia agli arti inferiori e ai piedi e/o perdita di forza o impossibilità
nel movimento degli arti inferiori. Prevalenza nella popolazione generale : 5-8% [16].
1.2
Infortuni nell’attività dei Vigili del fuoco
Il mestiere del Vigile del fuoco (VF) è per sua natura particolarmente esposto a varie tipologie d’infortuni. Un infortunio sul lavoro che occorre ad un soccorritore rappresenta un “fallimento” della procedura del soccorso : il soccorritore infortunato non è più in grado di prestare soccorso ed impegna i colleghi della squadra intervenuti insieme a lui.
Per inquadrare il problema degli infortuni, il Corpo nazionale dei Vigili del fuoco si occupa anche di stilare una statistica annua degli infortuni subiti dai pompieri e suddividerli fra l’altro in tipologie, cause e zone del corpo interessate.
Nel grafico seguente, figura 1.1, si evidenzia come gli infortuni al busto si attestino al terzo posto per numero di eventi, dopo mani e ginocchia. All’interno della totalità degli infortuni che interessano il busto, 121 nell’anno 2006, più della metà sono riconducibili a cause di sforzo. I dati evidenziano l’elevata incidenza dei problemi lombari su questo tipo di lavoro per quanto riguarda il caso italiano [15].
Figura 1.1: statistica degli infortuni subiti dai Vigili del fuoco sul territorio nazionale nell’anno 2006. E’ evidenziata la colonna che rappresenta quelli che hanno interessato la zona del busto.*15+
10
1.3
Studi sui Vigili Del Fuoco
Le attività che i pompieri svolgono possono indurre frequenti sollecitazioni al rachide: trasporto in fase d’emergenza di una persona ferita piuttosto che di una motopompa, o contrastare il getto d’acqua in uscita da una manichetta per vari minuti.
Nella maggior parte dei casi si tratta di sforzi intensi, svolti in situazioni di emergenza, quindi con una certa fretta e “a freddo”.
E’ quindi molto importante che un operatore del soccorso conosca le modalità d’intervento idonee anche dal punto di vista biomeccanico, in modo da tutelarsi e non mettere a rischio il proprio sistema muscolo scheletrico inutilmente.
I contributi che questa indagine biomeccanica può fornire all’ attività dei VVF possono essere sintetizzati in alcuni punti fondamentali:
Analisi delle posture assunte durante le operazioni di addestramento o di soccorso, nonché in tutte le operazioni di lavoro ordinario.
Individuazione delle situazioni statiche e dinamiche (posture, carichi movimentati, sequenze dinamiche) critiche.
Suggerimento di soluzioni che possano minimizzare sollecitazioni e sforzi nelle situazioni analizzate.
Sono presenti in letteratura alcuni studi scientifici riguardanti l’attività dei VVF che coprono molteplici aspetti.
I più importanti indagano l’efficienza fisica *3+, i limiti di vestiario ed equipaggiamento in ambienti tipici d’intervento*4+, la sensoristica per la rivelazione della presenza di sostanze nocive[5], la frequenza cardiaca in situazioni di stress [6], nonché la risposta psicologica dei Vigili del Fuoco [7].
Per quanto riguarda gli aspetti biomeccanici, fondamentale si è rivelato il lavoro di Drillis, Contini e Bluestein, che nel 1966 hanno raccolto e integrato le misurazioni dei parametri dei segmenti corporei per fornire una solida base agli emergenti studi di biomeccanica[10]. Tre anni più tardi Chaffin utilizzava già il lavoro dei colleghi per mettere a punto uno dei primi modelli biomeccanici pubblicati sulla rivista Biomechanics, proponendone addirittura per l’implementazione sui calcolatori dell’epoca, era il 1969 *11+.
Basandosi sul lavoro di questi colleghi che hanno definito in modo sistematico i parametri biomeccanici dei segmenti corporei, altri studiosi si sono dedicati a realizzare modelli biomeccanici sempre più accurati per simulare azioni e movimenti del corpo umano e risalire alle sollecitazioni subite dall’apparato muscolo scheletrico. Da allora fino ad oggi sono stati messi a punto progressivamente modelli sempre più dettagliati e complessi della struttura muscolo scheletrica umana.
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E’ notevole il lavoro del gruppo di scienziati tedeschi capitanati da Jager M. che, con studi portati avanti dagli anni ottanta del XX secolo fino ad oggi hanno creato modelli completi. I modelli che per analogia si avvicinano maggiormente allo studio presentato in questa tesi di laurea sono illustrati nel capitolo 2.1.
Nel 2008 Gregory et al. All’University of Waterloo, Ontario, Canada hanno pubblicato uno studio sull’effetto della fatica accumulata durante task tipici dei Pompieri (Trasporto di un manichino, utilizzo di una mazza e apertura di una botola) sulla postura della colonna vertebrale lombare.[9]
Più recentemente, nel 2010, Park et al. In Illinois hanno indagato gli effetti dei carichi di varie configurazioni delle bombole d’aria trasportate sulle spalle durante la camminata dei Vigili del Fuoco[8].
1.4
La scala italiana e l’analisi del sollevamento dell’intermedio
La scala italiana è fra le attrezzature a disposizione dei VVF una delle due scale portatili, l’altro tipo è la scala a ganci. E’ composta da quattro elementi tra loro innestabili a formare una attrezzatura della lunghezza più appropriata alle proprie esigenze, i primi tre elementi partendo dalla base sono della stessa lunghezza e vengono chiamati rispettivamente pedone e intermedi, il quarto elemento, di misura inferiore viene denominato cimetta.
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Per conferire stabilità alla scala, i piedini d’appoggio, che costituiscono la base del pedone e quindi di tutta la scala sono risuolati in gomma. Un perno li rende inoltre oscillanti, in modo che mantengano la stessa superficie di appoggio, qualunque sia l’inclinazione della scala. Le estremità degli elementi che compongono la scala vengono definiti staggi e sono incamiciati da una lamiera in acciaio zincato, le bussole. Queste preservano da usura le zone soggette ad innesto. Fa eccezione la cimetta i cui innesti non sono rivestiti da metallo.
L’operazione di rinforzo, viene nuovamente eseguita alla base del pedone anche se non è soggetta ad innesti. In questo modo si crea una base solida per il calettamento dei piedini d’appoggio e si crea un rinforzo nella zona che scarica a terra tutte le sollecitazioni dovute al montaggio [12].
Tabella 1.1 : Caratteristiche dimensionali della scala italiana e dei pezzi che la compongono [12]
Durante il periodo del corso di formazione l’addestramento alla scala italiana è una delle attività che impegna per periodi lunghi e intensi gli AVP (Allievi Vigili del fuoco).
Il montaggio viene ripetuto numerose volte all’ interno del periodo del corso per permettere ad ogni Allievo di acquisire la sicurezza nel montaggio necessaria a sostenere l’esame finale ed ottenere la qualifica di Vigile del Fuoco.
Il trasporto, il montaggio e lo smontaggio della scala sono eseguiti da quattro operatori che occupano a rotazione le posizioni numerate da 1 a 4, in modo che alla fine ogni Vigile abbia coperto tutte le fasi in ogni posizione.
Una descrizione della manovra completa è descritta nell’allegato 1.
Il Vigile N° 2 è deputato a porgere gli elementi al collega in posizione N° 1 , che sta compiendo la salita ed il montaggio. Si occupa successivamente di ricevere gli elementi e appoggiarli alla parete del castello di manovra man mano che il N° 1 scende smontando la scala.
Per svolgere il suo compito il vigile N° 2 effettua quindi i sollevamenti dei 2 intermedi e della cimetta in fase di montaggio e li riporta a terra dall’alto in fase di smontaggio.
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Queste operazioni, eseguite più volte nelle giornate d’addestramento e per tutto il periodo del corso vanno a sollecitare la struttura muscolo scheletrica del Vigile del Fuoco in modo importante.
Durante la giornata la manovra della scala Italiana può essere ripetuta più volte, prima o dopo altre attività provanti, dipende dal programma del corso relativo ad ogni classe in cui vengono suddivisi gli allievi.
Si sommano quindi effetti di fatica agli sforzi necessari per sollevare e riportare a terra i pezzi che influenzano negativamente la postura e la performance del Vigile N°2.
Eseguire il sollevamento ed il ritorno a terra, sostenendo il peso degli elementi con una postura errata porta a sollecitazioni su tutta la struttura della colonna vertebrale, in particolar modo sul tratto lombare, eccessive.
Gli istruttori professionali che supervisionano le fasi di addestramento degli allievi al castello di manovra sono ben preparati e hanno grande esperienza.
Il loro lavoro durante la manovra della scala italiana è molto delicato, devono infatti vedere le esecuzioni contemporanee dei 4 Vigili che operano alla scala, individuando gli eventuali errori commessi per correggerli.
Solo con i quattro che lavorano in modo coordinato e corretto la manovra si svolge in sicurezza nella sua totalità.
All’inizio del montaggio, mentre il vigile N°1 sale sulla scala e si appresta a ricevere gli elementi, il N°2 solleva l’intermedio. Non è facile per l’istruttore supervisionare entrambi i Vigili anche se operano vicini e concorrono alla stessa manovra.
E quindi necessario definire in modo esatto una manovra di sollevamento e ritorno facilmente gestibile dal Vigile N°2 che la compie e che renda la supervisione dell’istruttore efficace. Definita la sequenza delle posizioni da assumere e delle fasi dinamiche da eseguire risulterà più semplice per l’istruttore valutare la corretta esecuzione della movimentazione della scala da parte del Vigile che sta occupando la posizione N°2 durante il montaggio e quindi fornire le eventuali correzioni in caso di errore.
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Capitolo 2
MODELLI BIOMECCANICI
Modelli biomeccanici di diverse strutture del corpo umano sono nati e vengono utilizzati per studiarne il funzionamento e per capire come lavorano. In questo capitolo vengono trattati alcuni dei modelli che riproducono l’apparato muscolo-scheletrico. In essi la struttura scheletrica di un corpo umano è rappresentata con una serie di corpi rigidi connessi tra loro con giunti che consentono gradi di libertà in modo più fedele possibile al caso biologico. L’apparato muscolare è invece simulato da una serie di attuatori che agiscono sulla serie dei segmenti rigidi che riproducono l’apparato scheletrico.
L’insieme di questi due insiemi di elementi è la struttura base con cui i modelli biomeccanici muscolo-scheletrici sono stati realizzati dall’antichità fino ad oggi in modo sempre più completo e complesso. Nel corso degli anni gli scienziati hanno sviluppato i loro modelli sviluppando quelli precedenti e apportando miglioramenti progressivi e li hanno applicati a situazioni diverse.
I campi di studio dell’ergonomia, della postura, dell’applicazione di nuove protesi, della movimentazione manuale dei carichi e della sicurezza sul lavoro sono gli esempi più importanti fra le discipline che si sono servite e si servono tutt’oggi dei modelli biomeccanici dell’ apparato muscolo-scheletrico.
Ogni articolazione intervertebrale consentite piccoli movimenti di scivolamento alquanto limitati, più abbondanti però nel tratto lombare. La somma degli scivolamenti di tutte le articolazioni intervertebrali consente la possibilità di discreti movimenti di flesso-estensione della colonna vertebrale rispetto sia al piano sagittale che al piano coronale [17].
Considerare tutte le componenti che costituiscono un’articolazione vertebrale diventa troppo complesso dal punto di vista dell’implementazione anche per i più avanzati modelli che si appoggiano a potenti software per eseguire le simulazioni.
Il compromesso che bioingegneri, medici, fisioterapisti e chiunque lavora con i modelli biomeccanici che simulano queste articolazioni, devono gestire è l’utilizzo di un unico giunto sferico che consente rotazioni rispetto ai tre assi dello spazio di una vertebra rispetto a quelle contigue.
Anche in modelli biomeccanici avanzati che riproducono grandi porzioni dell’apparato muscolo scheletrico un’ articolazione intervertebrale viene schematizzata come un giunto sferico che permette le tre rotazioni reciproche delle due vertebre consecutive rispetto ai tre assi del sistema di riferimento in 3D [18][19].
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2.1 Modelli biomeccanici per analisi dei task di sollevamento
Il gruppo di ricercatori dell’ Institut für Arbeitsphysiologie an der Universität Dortmund, guidati da M. Jager ha condotto vari studi e messo a punto modelli biomeccanici per stimare i carichi sulla spina lombare che si creano durante task di sollevamento simili a quello dell’ intermedio della scala italiana analizzato in questo lavoro di tesi.
Per questo motivo merita citare l’evoluzione dei modelli creati ed i risultati ottenuti con essi. Il modello presentato con la pubblicazione “The Load on the Spine during the transport of dustbin” [21] analizza gli sforzi necessari alla movimentazione di bidoni di varia forma e peso indagando la variazione del carico lombare.
Vengono studiate modalità di movimentazioni dei carichi a singolo operatore e in due operatori e sono descritte le posture che possono essere assunte durante gli spostamenti. Grazie all’utilizzo di un modello in 2D vengono stimati i carichi che agiscono sul giunto lombo-sacrale in funzione delle posizioni assunte e del carico movimentato.
Situazioni critiche come il passaggio sul marciapiede che comporta uno sforzo ulteriore per il sollevamento vengono individuate e analizzate.
Gli autori propongono strategie per minimizzare i carichi sulla spina lombare dei lavoratori e suggeriscono posture che vanno a sollecitare in modo meno invasivo le vertebre lombari e sacrali.
Figura 2.1 : Modello utilizzato da Jager et Al per stimare l’entità delle sollecitazioni al giunto lombo-sacrale durante la movimentazione dei bidoni da parte degli operatori della nettezza urbana.[21]
16
Figura 2.2 : Stima della coppia agente al giunto lombosacrale L5 – S1 in funzione della posizione assunta dagli operatori durante la movimentazione dei bidoni. [21]
Successivamente lo stesso gruppo di ricerca ha creato e pubblicato un modello biomeccanico che riproduce la struttura muscolo-scheletrica umana con una catena di 19 segmenti.[22] Il modello nasce con l’obiettivo di analizzare le caratteristiche di sollecitazione, compressione, coppia e sforzo di taglio alle articolazioni vertebrali lombari.
L’analisi è condotta in funzione della posizione assunta e carico di sollevamento, rispetto al precedente il modello lavora sulla terza dimensione e vengono fatte anche delle considerazioni dinamiche.
Con questo lavoro Jager et Al introducono considerazioni anche sulla velocità del sollevamento, sul movimento condotto in modo lineare o a scatti e sulla postura assunta dall’operatore.
In particolare vengono analizzati le variazioni sull’entità del carico dovute ad una postura “standard”, ad una in cui viene enfatizzata una lordosi lombare e una in cui è invece aumentata la cifosi dorsale.
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A B
Figura 2.3 : A :Modello a 19 segmenti della struttura muscolo-scheletrica umana proposto da Jager. B: Uno dei grafici che riassume i risultati ottenuti con l’analisi dinamica : forza di compressione al giunyo lombo-sacrale L5 – S1 in funzione della posizione assunta e del tempo impiegato per svolgere
il sollevamento [22]
The Dortmunder[23] è il modello biomeccanico sviluppato da Jager et Al. Che rappresenta l’evoluzione del modello a 19 segmenti.
Costituito da 30 segmenti rigidi che schematizzano la struttura scheletrica e 14 attuatori per simulare parte dei muscoli del tronco è anch’esso proposto per andare ad indagare gli effetti sui giunti della colonna lombare dovuti a schemi di lavoro e sollevamento.
Permette di stimare le caratteristiche di sollecitazione ai giunti sui tre piani dello spazio valutando, grazie al maggior numero di segmenti rigidi che lo compone varie posizioni assunte dalla persone che viene modellata.
Per validare il modello i valori di pressione intradiscale ottenuti vengono comparati con con quelli ottenuti da modelli precedenti di altri autori: Andersson[24], Nachernson[25] e da misure della pressione esercitata sui dischi intervertebrali rilevata con misurazioni in vivo, Wilke [26].
I risultati ottenuti sono in linea con quelli precedenti, anche se vengono evidenziate piccole differenze nei valori di pressione intradiscale ottenuta per alcune posture normalizzate
18
rispetto alla posizione eretta in assenza di carichi esterni che sollecitano il sistema muscolo-scheletrico.
Le “Dortmunder–Raccomandation” sono dei valori massimi consigliati in conclusione dagli studi condotti con questo modello biomeccanico e dal raffronto dei risultati ottenuti con altri modelli e con misurazioni in vivo.
Questi valori costituiscono dei limiti superiori della forza compressiva che agisce sulle vertebre lombari il cui superamento è sconsigliato durante lo svolgimento di attività occupazionali che prevedono la movimentazione manuale dei carichi.
Tabella 2.1: Dortmunder-raccomandations, rappresentano i valori limite di pressione che possono agire sui giunti intervertebrali e quindi sui giunti lombari per evitare complicazioni di ogni tipo, dal dolore ai danni biologici. Questi valori sono stati confrontati con altri modelli, con misure in vivo della
pressione intradiscale per essere validati e sono stati proposti tenendo conto di un invecchiamento fisiologico delle strutture biologiche: diminuiscono con l’aumentare dell’età.
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2.2 Modelli biomeccanici sui Vigili del fuoco
Per quanto riguarda l’utilizzo di modelli biomeccanici per l’analisi di task tipici dei Vigili del fuoco va citato il lavoro dei tedeschi t. Kupper e m. Haisch[27] che hanno applicato un modello sviluppato a partire da quelli messi a punto dal gruppo di Jager M. e l’hanno adattato e modificato per valutare il carico lombare al giunto L3-L4 durante l’addestramento.
Oltre che sui lavori di Jager, questo modello si riferisce agli studi di Chaffin[11], Drillis e Contini[10] per quanto riguarda le assunzioni fatte per determinare la caratteristiche dei segmenti corporei considerati.
I valori derivati da queste precedenti indagini sono relative al posizionamento dei baricentri dei segmenti e riguardano i coefficienti con cui si risale alla massa di ogni singolo segmento a partire dalla massa complessiva dell’individuo.
Figura 2.4 : Modello utilizzato da Kupper T. e Haisch M. per valutare i carichi sulla lombare durante l’addestramento dei Vigili del Fuoco tedeschi.
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Questo studio analizza un particolare tipo di addestramento svolto utilizzando lo “Schlaghammer”, uno strumento simile ad un attrezzo da palestra che permette di sollevare una massa tirando un manubrio fissato ad un cavo che scorre su una carrucola.
In questo modo una forza diretta verso il basso applicata al manubrio dall’operatore determina il sollevamento della massa.
L’esercizio viene svolto da Vigili del fuoco in fase di addestramento che indossano in modo completo i DPI (Dispositivi di Protezione Individuale), respirando attraverso l’autorespiratore( SCBA : self-contained breathing apparatus)
L’autorespiratore è costituito da tre componenti principali: da una maschera stagna che si adatta al viso, uno spallaccio che fa da sostegno ed una bombola d’aria compressa fissata sulle spalle.
L’obiettivo di esercitazioni di questo tipo è simulare una situazione di affanno e fatica fisica a cui il Vigile del Fuoco va in contro in situazioni reali d’intervento, quando deve indossare i DPI per proteggersi e svolgere lavori pesanti all’ interno di uno scenario contaminato che può essere un appartamento o un capannone in fiamme.
In questo modo i pompieri si confrontano con la fatica ed imparano a gestirla anche mentre indossano tutte le protezioni che ostacolano i loro movimenti e costituiscono massa aggiuntiva da portarsi dietro.
Imparano inoltre a respirare attraverso la maschera in condizioni di affanno e a gestire la riserva d’aria limitata che salva loro la vita, ma crea un notevole impiccio a causa del peso dell’attrezzatura vincolata al corpo.
E’ chiaro che in queste situazioni andare ad eseguire un sollevamento o un altro tipo di sforzo porta a dei carichi su tutta la struttura muscolo-scheletrica maggiori rispetto ad una situazione “convenzionale” a corpo libero.
Lo studio eseguito da Kupper T. evidenzia le criticità nell’ esecuzione del task e propone una modalità di svolgimento alternativa dell’esercizio che preserva la colonna vertebrale.
Il tutto mantenendo l’efficacia dell’esercizio, che è volto a raggiungere uno stato di affaticamento fisico nei Vigili del Fuoco che si sottopongono all’addestramento.
Vengono sconsigliate posture in cui risulta flessa in avanti la colonna vertebrale lombare ed è sottolineata l’importanza di mantenere una posizione eretta del busto durante l’esercizio. E’ infatti pericoloso flettere in avanti la schiena con l’autorespiratore sulle spalle poiché il peso di questa attrezzatura va a sommarsi a quella dei segmenti corporei considerati determinando un pericoloso aumento della pressione intradiscale al giunto L3-L4.
Le posture assunte progressivamente dai vigili del fuoco durante l’esecuzione del task sono registrati con sequenze di scatti fotografici, ad esse è sovrapposto un SDR proposto in studi biomeccanici da McGill[28].
I risultati ottenuti con l’implementazione del modello evidenziano un’ andamento della pressione intradiscale accettabile nei casi in cui l’esercizio è svolto nel modo consigliato dagli autori, con il busto eretto. La pressione oscilla tra i 1009 ed i 1959 kPa tra le esecuzioni corrette eseguite da 7 Vigili del Fuoco diversi.
L’area del disco intervertebrale considerato è fissato al valore di 15 cm2, fornito da McGill[28] come area media di questo segmento ottenuta con un’indagine statistica condotta su numerose immagini CT di segmenti lombari della colonna vertebrale umana maschile. In caso di esercizio svolto in modo errato le forze in gioco aumentano e la pressione supera i 2100 kPa.
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Poiché i Range di sicurezza dei valori della pressione intradiscale variano, ed i valori ottenuti dallo studio non eccedono i limiti né Kupper né altri bandiscono gli esercizi e i task di sollevamento analizzati, ma indicano e raccomandano posture corrette da assumere per minimizzare il carico sulla lombare. In questo modo I Vigili possono svolgere l’addestramento in modo sicuro, raggiungendo il grado di affanno desiderato e testando ugualmente la propria performance, ma evitando sollecitazioni rischiose al giunto L3-L4.
2.3 Modelli Avanzati e Software
Lo stato dell’arte della modellizzazione biomeccanica dell’apparato muscoloscheletrico è rappresentato da Software che riproducono in modo molto fedele le strutture ossee, muscolari e le interazioni tra esse presenti in corpo umano reale.
Questi strumenti permettono di realizzare simulazioni di tipo, statico, cinematico e dinamico, di scalare i modelli presenti con misure reali ottenuti da laboratori del movimento, di importare moti registrati con procedure di Motion – Capture.
Figura 2.5 : Modello del busto utilizzato per studiare la spina lombare,sviluppato con il Software OpenSim. E’ costituito da 8 segmenti ossei e 4 fasci muscolari
Queste tipologie di modelli permettono analisi biomeccaniche molto più accurate : Cinematica Inversa, Dinamica Inversa, Ottimizzazione Statica.
Richiedono però in Input varie informazioni : forze muscolari, dimensioni e masse di ogni segmento, velocità, posizione, accelerazione del set di marker se si vuole analizzare un moto con dati reali.
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Queste possono essere estratte da database creati con studi precedenti, è il caso delle forze caratteristiche e delle lunghezze dei fasci muscolari, oppure essere raccolte ed elaborate con complessi sistemi di analisi del movimento (motion - capture).
In appositi laboratori, questi sistemi sono composti da un set di marker che vengono applicati a soggetti che eseguono le movimentazioni oggetto dell’indagine e una serie di telecamere che vanno a registrare da angolazioni diverse il soggetto in movimento.
Software dedicati sono poi in grado di elaborare le registrazioni simultanee effettuate per costruire nello spazio 3D le traiettorie descritte dai Markers.
I parametri cinematici del moto dei Markers sono registrati e gestiti dal software : posizione, velocità, accelerazione.
Si ricostruiscono così le traiettorie di tutti i Marker nello spazio 3D e ottenere l’insieme di queste associate al movimento studiato.
E’ inoltre possibile introdurre dati di tipo dinamico e inerziale utilizzando pedane sensorizzate che valutano le reazioni del terreno (GRF : Ground Reaction Forces) o sensori come dinamometri che valutano altre forze che vanno ad agire sulla struttura biomeccanica che si sta analizzando.
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Capitolo 3
DESCRIZIONE E ANALISI SPERIMENTALE DEL
MOVIMENTO.
Quello analizzato in questo lavoro di tesi è il movimento di sollevamento dei pezzi che compongono la scala italiana, i due intermedi e la cimetta, eseguito dal vigile identificato col numero 2 nella squadra di quattro unità che esegue la manovra.
L’analisi biomeccanica prevede come step preliminare la suddivisione del movimento studiato in fasi distinguibili sul campo. Questa operazione di scomposizione permette di analizzare in modo dettagliato ogni passaggio dell’intera manovra confrontando tra loro le fasi corrispondenti delle diverse esecuzioni registrate.
E’ quindi possibile identificare i tipi di errore commessi in ogni fase dagli operatori, individuare quelli ricorrenti ed i passaggi critici.
Le indicazioni ottenute sono preziose sia per il bioingegnerie che per gli istruttori professionali.
I primi infatti riescono ad implementare ed analizzare in modo selettivo le fasi sui modelli biomeccanici utilizzati, i secondi, trovandosi sul campo a diretto contatto con centinaia di allievi possono già a priori conoscere le fasi critiche della manovra che richiederanno più impegno per essere corrette.
Per questo studio è stato necessario e fondamentale per le analisi successive suddividere in modo scientifico la manovra di movimentazione dell’intermedio della scala italiana, scomponendola in fasi dinamiche e posizioni statiche facilmente distinguibili sul campo.
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3.1 Set-Up Sperimentale
Allo studio hanno preso parte i 4 Vigili del Fuoco che hanno eseguito le movimentazioni e l’istruttore professionale CQE Libero Misocchia che ha partecipato alla registrazione.
Il suo contributo e la sua esperienza sono stati fondamentali anche per la parte di suddivisione in fasi del movimento.
Tutte le foto sono state scattate con una fotocamera Panasonic Lunix TZ7 da 10 MPixel. Il cavalletto di supporto è stato fissato in modo che l’obiettivo si trovasse ad un metro da terra e a 80 cm dalla parete del castello di manovra, in modo da immortalare le fasi della movimentazione sul piano sagittale.
La distanza dalla parete e dalla scala a cui deve posizionarsi il vigile del fuoco non è specificata nel manuale della scala italiana e dipende dalle dimensioni antropometriche dell’operatore: egli si deve posizionare di fronte al pezzo da movimentare ad una distanza che gli permetta di eseguire i movimenti necessari.
La scelta degli 80 cm dalla parete per l’obiettivo ha permesso di registrare tutte le movimentazioni sul piano sagittale.
La fotocamera è stata posizionata ad una distanza di 7 metri ed ha permesso di inquadrare l’operatore e parte della scala movimentata in tutte le fasi della movimentazione.
Per avere riferimenti dimensionali sono stati usati e compaiono in ogni frames un metro da lavoro steso a terra (direzione X) e un metro di carta fissato alla parete del castello di manovra (direzione Y).
Il Vigile 1 ha assunto progressivamente le varie posizioni a cui sono state scattate le fotografie.
L’istruttore in questo caso ha chiesto espressamente di assumere posture diverse per riprodurre prima una movimentazione il più possibile vicina a quella corretta, poi di mimare gli errori più frequenti in cui si imbatte con i suoi colleghi durante i corsi.
Il N° 2 è stato registrato durante fasi di addestramento vero e proprio.
Per questo motivo sono presenti solo frames relativi alla fase di ritorno, il vigile stava ricevendo i pezzi dal N°1 durante lo smontaggio della scala. Nonostante siano incomplete le foto relative a queste 2 movimentazioni evidenziano posture particolarmente errate, quindi interessanti dal punto di vista biomeccanico.
Le 4 movimentazioni eseguite dai Vigili N° 3 e N° 4 sono invece state registrate con lo strumento sequenza che esegue serie di scatti ripetuti.
Questi 2 Vigili hanno prima eseguito una movimentazione spontanea completa, poi una più controllata, su consiglio dell’istruttore, ponendo una maggiore attenzione alle posture assunte.
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Figura 3.1 : Set-Up sperimentale. L’operatore si trova nella posizione di partenza prima di eseguire la movimentazione. Sono indicati i metri usati come riferimenti dimensionali in direzione X ed Y.
3.2 Suddivisione in fasi della movimentazione
In questo paragrafo vengono elencate e descritte le fasi della manovra di sollevamento eseguite correttamente dal punto di vista biomeccanico.
Assumono grande importanza anche le posizioni che, intervallate alle fasi, l’operatore deve assumere per impostare in modo corretto tutto il movimento. Queste posizioni statiche, che intervallano le fasi dinamiche, vengono utilizzate soprattutto in fase di inizio addestramento, quando gli allievi devono memorizzarle per impostare bene la manovra.
Risulta così più semplice controllare i propri movimenti e la propria postura durante le prime movimentazioni, se si ha in mente uno schema delle posizioni statiche corrette da assumere tra le fasi dinamiche..
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Mentre le fasi sono identificate col nome dell’azione svolta, le posizioni intermedie sono numerate da 1 a 5.
FASI DELLA MANOVRA ESEGUITA CORRETTAMENTE
POSIZIONE (0), DI PARTENZA
o STACCO CON SPINTA DI GAMBE
POSIZIONE (1) SALITA
o SPINTA DI BRACCIA
POSIZIONE (2)
o RITORNO
POSIZIONE (3)
o FLESSIONE DELLE GAMBE DISCESA
POSIZIONE (4)
o ACCOSTAMENTO
POSIZIONE (5)
POSIZIONE DI PARTENZA(0)
E’ fondamentale che l’operatore assuma una posizione di partenza corretta per impostare in modo appropriato tutta la manovra.
La distanza dei piedi dalla scala deve essere tale da consentire all’operatore di manovrare senza impedimento, afferrando l’ultimo gradino della scala dalla posizione accosciata subito oltre le proprie ginocchia.
Oltre alla posizione accosciata il vigile deve mantenere i talloni vicini e gambe leggermente aperte.
La schiena dovrà essere mantenuta perfettamente eretta. Lo sguardo in alto, diretto verso la punta della scala è necessario per evitare una flessione in avanti del busto. La mano destra impugna l’ultimo gradino, il braccio corrispondente è leggermente flesso.
Il braccio sinistro steso verso l’alto permette invece all’operatore d’impugnare lo staggio sopra il livello della testa.
La mano sinistra non sorregge il peso della scala durante la movimentazione, ma la stabilizza evitando inclinazioni non desiderate laterali della stessa.
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Figura 3.2 : posizione (0), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore prima della manovra di sollevamento.
STACCO CON SPINTA DI GAMBE
Dalla posizione (0) il Vigile inizia a stendere le gambe e sollevare il busto in posizione eretta, la scala non deve essere sollevata da terra fino a che il braccio destro non sia completamente steso.
Appena l’operatore solleva il pezzo da terra inizia ad avvicinarlo al busto per minimizzare il braccio della forza peso dello stesso.
Contemporaneamente le gambe continuano a stendersi L’avvicinamento non può essere istantaneo poiché le gambe flesse non lo permettono, sarà quindi completo una volta che le gambe saranno sufficientemente stese.
E’ fondamentale che il busto sia mantenuto eretto in questa fase per non sollecitare la spina lombare in modo errato e che quindi la spinta verso l’alto sia fornita dalla muscolatura delle gambe.
Anche se si ha una leggera flessione del braccio destro in questa fase è importante che la mano destra che impugna il gradino della scala rimanga in prossimità della vita, il più possibile vicina al corpo.
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Allontanare il carico dal proprio baricentro e dal giunto lombo-sacrale, significherebbe aumentare il braccio della forza peso della scala, amplificando così il momento (momento = forza * braccio [N*m]).
Questo errore viene commesso spesso dagli allievi per rendere la manovra più rapida, forzando “di schiena” e va assolutamente evitato.
Il braccio sinistro resta steso verso l’alto, lo staggio scorre nella mano sinistra e la scala resta così stabilizzata durante questa prima fase di salita.
Lo sguardo, rimanendo rivolto verso la punta superiore del pezzo movimentato aiuta l’operatore a mantenere il busto in posizione eretta.
A gambe completamente stese l’operatore si trova nella posizione (1), rappresentata in figura 3.2.
Figura 3.3: posizione (1), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore alla fine della fase di spinta di gambe.
SPINTA DI BRACCIA
L’operatore si trova ora con le gambe completamente stese, il busto eretto e lo sguardo rivolto all’estremità superiore del pezzo movimentato.
Il peso della scala è sorretto dal braccio destro, accostato il più possibile alla vita, mentre quello sinistro è proteso in alto e stabilizza il pezzo evitando inclinazioni laterali dello stesso.
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Il Vigile inizia il sollevamento di braccia facendo forza con il braccio destro.
La mano destra impugna l’ultimo gradino e mentre sale non deve allontanarsi dal corpo più dello spazio necessario alla manovra, sempre per minimizzare il braccio della forza peso della scala.
Alla fine del sollevamento l’operatore si trova nella posizione (2), figura 3.3,guardando sempre verso l’alto vedrà solo il gradino impugnato, infatti, se la posizione assunta è corretta, gli altri saranno tutti allineati e nascosti dal primo gradino alla sua vista.
Anche in questa fase lo sguardo rimane sempre proteso verso l’alto facilitando così la posizione eretta del busto.
Il braccio sinistro, anch’esso proteso verso l’alto funziona sempre da “stabilizzatore laterale”, salendo lo staggio sinistro scorre nella mano sinistra del pompiere.
Figura 3.4 : posizione (2), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore alla fine della fase di spinta di braccia.
Il fatto di dover protendere la scala in alto a braccia distese fa della posizione (2), un passaggio corretto quasi obbligato.
L’operatore deve infatti inarcare un po’ la schiena all’indietro per bilanciarsi, ma non troppo per minimizzare lo sforzo, né può flettersi in avanti poiché si sbilancerebbe.
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Il carico esterno agisce quindi sulla lombare con un braccio piccolo ed il momento viene minimizzato(Vedi modello biomeccanico Kupper et. Al. [27]).
Possiamo dire che il carico sia distribuito in maniera più pericolosa delle fasi dinamiche di sollevamento e ritorno, quando un aumento del braccio della forza peso della scala è necessario per consentire al Vigile di compiere i movimenti necessari. Non è comunque possibile definire la posizione (2) una posizione di riposo in quanto soprattutto le spalle del Vigile fanno un gran lavoro per opporsi ai 162 N della forza peso della scala.
RITORNO.
Dalla posizione (2) l’operatore inizia a flettere il braccio destro e far scendere il pezzo movimentato mantenendolo il più possibile vicino al busto fino a trovarsi nuovamente nella posizione (3), figura 3.5.
Anche in questa fase di ritorno lo sguardo rivolto verso la punta del pezzo aiuta a mantenere la posizione eretta del busto ed evita carichi impropri sulla colonna vertebrale.
Il braccio sinistro mantiene la sua funzione di stabilizzatore laterale mentre lo staggio viene lasciato scorrere nella mano corrispondente.
Alla fine di questa fase il braccio destro deve essere steso completamente o comunque accostato il più possibile al corpo per continuare a minimizzare il braccio della forza peso della scala.
Figura 3.5 : posizione (3), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore alla fine della fase di ritorno.
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FLESSIONE DELLE GAMBE.
Sempre mantenendo il busto in posizione eretta il pompiere flette progressivamente le gambe e le divarica leggermente.
Il busto rimane in posizione eretta,facilitata dalla direzione dello sguardo verso l’alto, il braccio sinistro continua la sua opera di stabilizzazione.
Il gradino impugnato dalla mano destra scende fino all’altezza della vita in posizione accosciata e si sposta in avanti grazie alla flessione del braccio destro .
La forza del braccio, quando la flessione degli arti inferiori è completa evita che le bussole del pezzo tocchino terra.
In questa fase è necessario un allontanamento della scala dal giunto lombo-sacrale sul piano sagittale, per permettere alle bussole di scendere al di sotto del piano della vita dell’operatore, restando leggermente oltre le ginocchia flesse.
Non deve però essere accentuata con una flessione in avanti del busto. Durante questa fase l’operatore passa dalla posizione (3) alla (4).
Figura 3.6 : posizione (4), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore alla fine della fase di flessione delle gambe.
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ACCOSTAMENTO.
L’ultimo passaggio consiste nell’accostare il pezzo movimentato alla parete del castello di manovra o agli altri pezzi della scala presenti, dipende se viene movimentato il primo o secondo intermedio o la cimetta.
In posizione (4) il pezzo movimentato è mantenuto con gli innesti inferiori a pochi centimetri da terra, l’operatore effettua l’accostamento stendendo in avanti il braccio destro, evitando sempre flessioni con il busto ed appoggia il pezzo a terra appena questo è accostato.
Quest’ultima fase prevede quindi un passaggio critico di carico a braccio destro steso, durante il quale il momento della forza peso della scala aumenta.
Poiché non è possibile evitarlo per riposizionare la scala nella posizione di partenza l’operatore dovrà:
o Mantenere il busto in posizione eretta, aiutandosi sempre con lo sguardo rivolto verso l’estremità superiore del pezzo movimentato
o Evitare di imporre accelerazioni verticali al pezzo durante l’accostamento o Appoggiare immediatamente gli innesti inferiori a terra per scaricare al suolo
il peso dell’ intermedio, una volta accostato
La fase di accostamento se svolta correttamente dura solo il tempo necessario all’allungamento del braccio destro che sorregge il peso della scala.
Appena accostato il pezzo il Vigile lo appoggia a terra in modo che il suo peso non gravi più sulla sua struttura fisica attraverso il proprio arto.
A questo punto l’operatore può abbassare lo sguardo che era rivolto verso la punta della scala, si trova nella posizione (5).
Figura 3.7 : posizione (5), rappresenta la posizione corretta assunta dall’operatore alla fine della fase di accostamento.
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L’intera manovra di movimentazione comprende due fasi critiche dal punto di vista biomeccanico : lo stacco con spinta di gambe e l’accostamento.
Durante queste infatti il Vigile del fuoco è costretto a mantenere il carico in posizione distante dal proprio giunto lombo-sacrale per poter operare correttamente. Il momento della forza peso della scala assume valori maggiori.
Oltre ad effettuare tutte le strategie già elencate sopra, busto eretto e sguardo in alto è quindi necessario minimizzare i tempi in cui queste posizioni sono assunte per evitare carichi eccessivi sulle vertebre lombari.
3.3 Analisi dei movimenti registrati
Sono state registrati tre movimenti per il primo Vigile, due per gli altri tre.
VIGILE 1 : 3 MOVIMENTI COMPLETI
VIGILE 2 : 2 MOVIMENTI INCOMPLETI
VIGILE 3 : 2 MOVIMENTI COMPLETI
VIGILE 4 : 2 MOVIMENTI COMPLETI
Tutte I movimenti dei vigili 1, 3 e 4 sono stati eseguiti in modo completo, comprendono perciò la fase di salita e discesa, a loro volta suddivise come descritto nel paragrafo precedente. Quelli del Vigile N°2 sono stati registrati durante fasi reali d’addestramento, mentre la scala veniva smontata. Per questo motivo comprendono solo la fase di ritorno, durante la quale il Vigile riceve l’intermedio dal collega e lo appoggia a terra.
I movimenti incompleti del Vigile 2 risultano comunque molto interessanti ed utili ai fini di questo studio poiché evidenziano errori tipicamente commessi dagli allievi durante l’addestramento che influenzano negativamente il carico agente sulla lombare a causa della movimentazione.
Le 115 immagini raccolte sono state analizzate per capire quali posizioni e fasi della manovra eseguita correttamente erano state effettivamente riprodotte in ognuna delle 9 movimentazioni. Ciò è stato possibile confrontando i frames di ogni movimentazione con quelli che descrivono la manovra completa eseguita in modo corretto.
Ogni movimentazione è stata analizzata in ogni suo passaggio, fasi dinamiche e posizioni statiche, in modo da individuare errori commessi, posture assunte, fasi compiute correttamente, in modo errato oppure eluse completamente.
I risultati dell’analisi sono stati raccolti in tabelle riportate nell’appendice C in modo da inquadrare la situazione per ogni movimentazione. Tutte le fotografie sono invece stata raccolte nel CD allegato.
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3.3.1 Esecuzioni Vigile N°1
MOVIMENTAZIONE 1.1
Al Vigile 1 è stata spiegata la manovra corretta ed è stato chiesto di ripeterla ponendo l’attenzione su tutte le fasi e preoccupandosi di soffermarsi su tutte le posizioni intermedie. Queste funzionano in effetti da riferimento per l’operatore che, assumendole, è cosciente di lavorare in modo corretto dal punto di vista biomeccanico.
Oltre a coprire tutte le posizioni intermedie, le foto di questa prima serie documentano bene tutte le fasi dinamiche di sollevamento.
Per la fase di ritorno sono state immortalate le posizioni statiche intermedie.
Il busto viene mantenuto sempre in posizione eretta quando la struttura fisica del pompiere sorregge il peso della scala, ma risulta troppo inclinato in avanti durante la fase di spinta con le gambe.
Lo sguardo è rivolto verso la sommità del pezzo movimentato per le fasi di spinta di braccia
e ritorno, mentre è rivolto in avanti nelle fasi di spinta di gambe e flessione.
Anche in queste ultime dovrebbe essere rivolto verso l’alto.
MOVIMENTAZIONE 1.2
La posizione (0) di questa movimentazione risulta errata, il busto non si trova infatti in
posizione eretta, lo sguardo dell’operatore facilita questo primo errore : non è rivolto verso l’alto, ma in avanti.
Durante la fase di spintadelle gambe vengono commessi tre gravi errori :
1. Il flessore del braccio destro concorre al sollevamento flettendo l’arto. Si ha così un
ritardo dell’avvicinamento del carico al giunto lombo-sacrale
2. Lo sguardo è rivolto verso il basso, in direzione dell’impugnatura e non verso l’alto
come dovrebbe
3. Il busto è flesso in avanti, con inclinazione maggiore rispetto alla posizione di
partenza.
A questo terzo errore concorrono i due precedenti nonché la posizione (0) errata. E’ infatti molto difficile recuperare una posizione del busto corretta se si ha già in partenza una flessione dello stesso.
Il momento esercitato dalla forza peso resta elevato inutilmente durante la fase di spinta di gambe a causa di questi tre evidenti e pericolosi errori.
In posizione (1) il vigile non minimizza la distanza del carico dal proprio giunto
lombo-sacrale.
Questo passaggio evidenzia come sia difficile recuperare un movimento impostato in maniera errata.La fase di spinta di braccia di conseguenza risulta anch’ essa impostata
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lontano dal corpo, il momento del carico esterno continua a mantenersi a valori più elevati del caso di corretta movimentazione.
La posizione (2) rappresenta il primo punto intermedio con posizione corretta “obbligata”. In questa movimentazione rappresenta il primo step in cui il braccio della forza peso della scala viene minimizzato.
Durante la fase di ritorno il vigile 1 continua a mantenere la scala eccessivamente spostata in avanti rispetto al proprio baricentro.
Il braccio destro non viene steso verso il basso, in questo modo la posizione (3), che coincide con un altro punto di minimizzazione del braccio della forza peso, viene elusa
Quando inizia la fase di flessione delle gambe il braccio troppo flesso porta inevitabilmente l’operatore a flettere in avanti il busto.
Gli errori che ricorrono sono i tre elencati nella fase di spinta di gambe ed il risultato è sempre quello di massimizzare il carico lombare.
Anche la posizione (4) non viene quindi assunta dal Vigile, che, a fine discesa,si trova direttamente nella posizione finale (5).
Questa movimentazione rappresenta un errore tipico commesso dai corsisti,dettato dalla fretta durante l’esecuzione della manovra e dalla stanchezza accumulata durante l’addestramento.
Eludendo infatti le posizioni intermedie ed inclinando il busto i muscoli della schiena vanno a forzare insieme quelli di braccia e gambe, rendendo i singoli passaggi meno onerosi dal punto di vista muscolare, ma molto più pericolosi per quanto riguarda il carico lombare.
MOVIMENTAZIONE 1.3
Gli errori commessi in questa seconda movimentazione sono analoghi a quelli fatti nella precedente: flessione del busto, complice una posizione errata della testa, e carico mantenuto lontano dal corpo per forzare col braccio destro durante tutta la movimentazione, sia in fase di sollevamento, che in fase di ritorno.
Durante questa seconda fase l’errore di non stendere il braccio lungo il corpo porta nuovamente il vigile a non assumere le posizioni (3) e (4).
Lavorando proteso in avanti non deve compiere il movimento di accostamento e mantiene il carico lombare alto per tutta la discesa, come testimoniato dal modello per l’analisi semistatica descritta nel capitolo 4.
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3.3.2 Esecuzioni Vigile N°2
Le movimentazioni eseguite dal Vigile identificato col N°2 in questo studio sono state registrate durante fasi di addestramento reale alla scala italiana, non sono state svolte appositamente per la registrazione dei frames come nel caso precedente.
Ciò ha comportato la perdita della fase di sollevamento con le relative informazioni, queste sequenze infatti iniziano dalla posizione (2).
Risultano però biomeccanicamente molto interessanti in quanto purtroppo evidenziano errori importanti che elevano notevolmente il carico lombare.
MOVIMENTAZIONE 2.1
Dalla posizione (2) il Vigile inizia la fase di ritorno flettendo notevolmente il busto in avanti. Lo sguardo non viene mantenuto verso l’estremità superiore dell’intermedio, né il gradino impugnato viene avvicinato al corpo per minimizzare il braccio della forza peso.
Il braccio destro non risulta quindi mai accostato al busto e disteso verso il basso. La fase di flessione delle gambe inizia senza che la posizione (3) venga assunta.
Manovrando la scala lontano dal corpo, già accostata all’altro intermedio appoggiato al castello l’operatore elude la posizione (4) e si trova direttamente in quella finale (5).
Il carico è stato movimentato lontano dal giunto lombosacrale, con il busto inclinato in avanti, il momento della sua forza peso è stato massimizzato per tutta la discesa (ritorno + flessione gambe)
MOVIMENTAZIONE 2.2
Vengo commessi dal Vigile gli stessi errori della movimentazione precedente, l’accentuazione dell’ inclinazione del busto in avanti massimizza il carico lombare.
3.3.3 Esecuzioni Vigile N°3
MOVIMENTAZIONE 3.1
Il Vigile identificato col N°3 evidenzia una postura del busto più eretta rispetto alle movimentazioni precedenti e ciò concorre alla riduzione del braccio della forza peso del carico movimentato minimizzando il momento sul giunto lombo-sacrale.
Anticipando la flessione del braccio destro viene elusa la posizione (1), la fase di spinta di
braccia inizia infatti prima che le gambe siano completamente stese.
In questo passaggio il momento del carico risulterà quindi maggiore di quanto potrebbe essere in condizioni ottimali.
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Assunta la fase (3), scala in alto, esegue una buona fase di ritorno, la scala risulta evidentemente meno distante dal corpo delle situazioni precedenti viste nelle manovre del Vigile N°2.
La posizione (3) non viene assunta, le gambe infatti iniziano a flettersi senza che il braccio destro sia completamente steso verso il basso.
La fase di accostamento è eseguita correttamente stendendo il braccio destro in fase (5) che era semiflesso in posizione (4).
Durante tutta la sua prima movimentazione il Vigile N° 3 ha mantenuto lo sguardo verso l’estremità superiore del pezzo movimentato.
MOVIMENTAZIONE 3.2
Durante la sua seconda movimentazione il Vigile ha mantenuto la buona posizione del busto e lo sguardo sempre rivolto verso l’alto, ad eccezione dell’ultima parte.
Ha nuovamente eluso la posizione (1) sovrapponendo le fasi di spinta di gambe e di braccia. A differenza della precedente, in questa movimentazione la posizione (3) viene assunta in modo netto tra le fasi di ritorno e flessione delle gambe.
Questo passaggio migliore si traduce in una minimizzazione del carico lombare rispetto al caso precedente (Vedi grafico di Fig. 49, capitolo 6).
Nella parte conclusiva della movimentazione viene invece saltata la posizione (4) a causa di un eccessiva flessione del busto in avanti.
3.3.4 Esecuzioni Vigile N°4
MOVIMENTAZIONE 4.1
Il vigile N°4 in questa sua prima movimentazione mantiene una buona posizione del busto, aiutato dallo sguardo sempre rivolto verso l’alto.
La posizione (1) viene saltata anticipando la flessione del braccio destro, l’immagine corrispondente (N° 47) evidenzia una perdita della postura eretta del busto, con conseguente aumento del braccio della forza peso della scala.
In questo caso l’operatore assume una posizione a busto eretto durante la fase di spinta di
braccia, durante la quale la scala viene sollevata in modo corretto, tenendola molto vicina al
corpo e minimizzando così il momento fatto dal suo peso rispetto al giunto lombo-sacrale. Alla fine della spinta di braccia e in posizione (2) si nota una leggera torsione del busto, non viene infatti fotografato esattamente il profilo del vigile.
Durante la fase di ritorno viene avvicinata troppo presto la scala alla parete.
Le posizioni (3) e (4) non vengono assunte. Questo errore porta ad una flessione del busto in
fase di flessione delle gambe con un aumento del valore del braccio della forza peso per la sequenza fotografica 73-77.
![Tabella 1.1 : Caratteristiche dimensionali della scala italiana e dei pezzi che la compongono [12]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dokorg/7611870.115341/12.892.150.785.356.689/tabella-caratteristiche-dimensionali-scala-italiana-pezzi-compongono.webp)
