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Publicação
Development of a fuzzy model to support ergonomic analysis of lower limbs and define requirements for an exoskeleton
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Orthopedic surgery is generally a physically demanding activity in which surgeons are
subject to prolonged standing, awkward and sustained body postures, and repetitive
and/or forceful movements. Being repeatedly exposed to these risk factors can contribute
to the development of work-related musculoskeletal disorders (WRMSD).
Given the lower limb’s role in maintaining body stability and balance, WRMSD
affecting lower limbs could significantly compromise motor skills. Therefore, performing
ergonomic risk assessments of orthopedic surgeries can identify risk factors and prevent
lower limb WRMSD among surgeons. However, existing assessment tools often overlook
lower limbs and rely on subjective data.
In addition, it is also imperative to seek solutions that mitigate or alleviate the Physical
risk factors surgeons face. Lower limb exoskeletons, while used in the industrial sector,
currently lack research regarding their application in healthcare, particularly in surgical
settings. To ensure adoption, such devices must be safe, comfortable, effective in reducing
Physical risk factors and acceptable to surgeons.
This thesis presents the development of a Fuzzy Decision Support System (FDSS)
model aimed to aid ergonomic analysis associated with orthopedic surgical procedures
and identifying the design requirements for a lower limb exoskeleton tailored to orthopedic
surgeons.
The FDSS model is an adaptation of ERGO-X, a FDSS designed to support ergonomic
auditing activities related to upper limb WRMSD; the tool helps with the identification,
assessment, and provides recommendations regarding the risk factors present at work-
stations. In this adaptation, the ERGO-X has been modified to determine the possibility
of orthopedic surgeons developing lower limb WRMSD for each surgical task, analyzing
each limb independently. The surgical tasks were predetermined in collaboration with
the surgeons prior to data acquisition.
The FDSS model evaluates the surgery tasks by assessing Physical, Individual, and
Psychosocial risk factors associated with the development of lower limb WRMSD. Each
risk factor is assessed based on attributes indicating risk factor’s severity. Data from
questionnaires characterize Individual and Psychosocial risk factors, while objective data obtained from inertial and EMG sensors characterize Physical risk factors. Questionnaire
responses are converted into risk factor’s inadequacy degrees using fuzzy sets. Similarly,
objective data are converted into attribute’s inadequacy degrees and aggregated using
union fuzzy operators into Physical risk factor’s inadequacy degrees. Membership func-
tions are based on literature and occupational physicians input. Inadequacy results are
expressed as membership degrees to an inadequacy fuzzy set, defined in the range [0, 1].
The possibility of developing lower limb WRMSD is assessed by aggregating the
inadequacy degrees of each risk factor, weighted by their relative importance. A defuzzi-
fication process translates the result into a linguistic variable, indicating the likelihood of
developing lower limb WRMSD per task. For the relevant tasks, the computed risk factors
and attribute’s inadequacy degrees are analyzed to identify the Physical risk factors and
respective attributes contributing the most to the overall result.
The FDSS model was tested using real surgical data collected at Curry Cabral Hospital.
Based on the outputs of the FDSS model, namely the most mechanically stressed body
parts, and the analysis of existing lower limb exoskeletons, a set of design requirements
was proposed. The design requirements were assessed through the application of the
Mudge diagram and Kano model to orthopedic surgeons of Curry Cabral Hospital.
Applying the FDSS model to 27 knee arthroplasties revealed consistent biomechanical
patterns across the explanations of relevant tasks. These included sustained activation of
the gastrocnemius, rectus femoris, and biceps femoris muscles, and significant strain on
the hip and ankle joints. These findings shaped the design requirements for the lower limb
exoskeleton, emphasizing adaptive actuation, multi-axial joint stabilization, and real-time
sensor feedback for responsive support.
The FDSS model was validated against LEAT and PSSI tools, and consultations with
an occupational physician. The model successfully identified the relevant surgical tasks
and the key risk factors and attributes contributing to lower limb WRMSD, confirming its
reliability and practical relevance.
Regarding the design requirements for the lower limb exoskeleton, surgeon feed-
back emphasized stability, freedom of movement, and long-term comfort as top design
requirements.
This work contributes to filling a critical gap in the ergonomic analysis of surgical
practice and offers a foundation for developing assistive technologies that enhance surgeon health and performance.
A cirurgia ortopédica é geralmente uma atividade fisicamente exigente, na qual os cirurgiões estão sujeitos a longos períodos na posição de pé, a posturas inadequadas e sustentadas, bem como movimentos repetitivos e/ou aplicação excessiva de força. Estar repetidamente expostos a estes fatores de risco pode contribuir para o desenvolvimento de leões músculo-esqueléticas relacionadas com o trabalho (LMERT). Considerando o papel crítico dos membros inferiores na estabilidade e equilíbrio corporal, as LMERT que afetam os membros inferiores podem comprometer significativamente as capacidades motoras. Assim, a aplicação de métodos de análise ergonómica a cirurgias ortopédicas pode permitir identificar fatores de risco e prevenir a ocorrência de LMERT nos membros inferiores dos cirurgiões. No entanto, a maioria das ferramentas de análise existentes abordam apenas brevemente os membros inferiores e baseiam-se em dados de natureza subjetiva. Além disso, é também fundamental procurar soluções que eliminem ou reduzam a exposição aos fatores de risco Físicos. Embora os exoesqueletos para membros inferiores sejam utilizados no setor industrial, verifica-se atualmente uma escassez de investigação sobre a sua aplicação na área da saúde, especialmente em contextos cirúrgicos. Para garantir a sua adoção, estes dispositivos devem ser seguros, confortáveis, eficazes na redução de fatores de risco Físicos e aceitáveis para os cirurgiões. Esta tese apresenta o desenvolvimento de um Sistema de Apoio à Decisão Difuso (SADD), com o objetivo de auxiliar a análise ergonómica associada aos procedimentos cirúrgicos ortopédicos e de identificar os requisitos para conceção de um exoesqueleto para os membros inferiores adaptado aos cirurgiões ortopédicos. O modelo de SADD é uma adaptação do ERGO-X, um SADD desenvolvido para apoiar atividades de auditoria ergonómica relacionadas com LMERT nos membros superiores; a ferramenta auxilia na identificação, avaliação e fornece recomendações relativa aos fatores de risco presentes nos postos de trabalho. Nesta adaptação, o ERGO-X foi modificado para determinar a possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores, para cada tarefa cirúrgica, analisando cada membro inferior de forma independente. As tarefas foram previamente definidas com os cirurgiões, antes da recolha dos dados. O modelo de SADD avalia as tarefas cirúrgicas com base na análise dos fatores de risco Físicos, Individuais e Psicossociais associados ao desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores. Cada fator de risco é avaliado com base em atributos que determinam a severidade do fator de risco. Os dados dos questionários caracterizam os fatores de risco Individuais e Psicossociais, enquanto os dados objetivos obtidos a partir de sensores inerciais e EMG caracterizam os fatores de risco Físicos. As respostas aos questionários são convertidas em graus de inadequabilidade dos fatores de risco, utilizando conjuntos difusos. De forma semelhante, os dados objetivos são convertidos em graus de inadequabilidade dos atributos e depois agregados, utilizando operadores de união difusa, nos respetivos graus de inadequabilidade dos fatores de risco Físicos. A definição das funções de pertença é baseada na literatura e nas opiniões de médicos do trabalho. Os resultados dos graus de inadequabilidade são expressos como graus de pertença de um conjunto difuso de inadequabilidade, definido no intervalo [0,1]. A possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores é avaliada através da agregação dos graus de inadequabilidade dos fatores de risco, ponderados pela sua importância relativa. O resultado passa por um processo de desfuzificação, que utiliza variáveis linguísticas para gerar conclusões sobre a possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores, para cada tarefa. Para as tarefas relevantes, os fatores de risco e os graus de inadequabilidade dos atributos são analisados para identificar os fatores de risco Físicos e respetivos atributos que mais contribuem para o resultado global. O modelo de SADD foi testado com dados reais de cirurgias recolhidos no Hospital Curry Cabral. Com base nos resultados do modelo de SADD, nomeadamente as regiões do corpo mais sobrecarregadas mecanicamente, e na análise de exoesqueletos existentes para os membros inferiores, foi proposto um conjunto de requisitos para o exoesqueleto. Os requisitos foram avaliados através da aplicação do diagrama de Mudge e do modelo de Kano aos cirurgiões ortopédicos do Hospital Curry Cabral. Os resultados da aplicação do modelo de SADD a 27 procedimentos de artroplastia do joelho revelaram padrões biomecânicos consistentes nas tarefas cirúrgicas relevantes. Estes incluíram ativação sustentada dos músculos gastrocnémio, reto femoral e bíceps femoral, e movimentos associados às articulações da anca e tornozelo. Estas conclusões permitiram definir requisitos para um exoesqueleto para os membros inferiores, enfatizando a atuação adaptativa, estabilização multiaxial das articulações e feedback em tempo real por sensores para suporte responsivo. O modelo foi validado em comparação com as ferramentas LEAT e o PSSI, bem como através da consulta com um médico do trabalho. O modelo identificou com sucesso as tarefas cirúrgicas relevantes e os principais fatores de risco e atributos que contribuem para as LMERT nos membros inferiores, confirmando a sua fiabilidade e relevância prática. Relativamente aos requisitos de conceção do exoesqueleto, o feedback dos cirurgiões ortopédicos identificou a estabilidade, liberdade de movimentos e conforto prolongado como os requisitos mais importantes. Este trabalho contribui para colmatar uma lacuna crítica na análise ergonómica da prática cirúrgica e oferece uma base sólida para o desenvolvimento de tecnologias assistivas que promovam a saúde dos cirurgiões e o desempenho cirúrgico.
A cirurgia ortopédica é geralmente uma atividade fisicamente exigente, na qual os cirurgiões estão sujeitos a longos períodos na posição de pé, a posturas inadequadas e sustentadas, bem como movimentos repetitivos e/ou aplicação excessiva de força. Estar repetidamente expostos a estes fatores de risco pode contribuir para o desenvolvimento de leões músculo-esqueléticas relacionadas com o trabalho (LMERT). Considerando o papel crítico dos membros inferiores na estabilidade e equilíbrio corporal, as LMERT que afetam os membros inferiores podem comprometer significativamente as capacidades motoras. Assim, a aplicação de métodos de análise ergonómica a cirurgias ortopédicas pode permitir identificar fatores de risco e prevenir a ocorrência de LMERT nos membros inferiores dos cirurgiões. No entanto, a maioria das ferramentas de análise existentes abordam apenas brevemente os membros inferiores e baseiam-se em dados de natureza subjetiva. Além disso, é também fundamental procurar soluções que eliminem ou reduzam a exposição aos fatores de risco Físicos. Embora os exoesqueletos para membros inferiores sejam utilizados no setor industrial, verifica-se atualmente uma escassez de investigação sobre a sua aplicação na área da saúde, especialmente em contextos cirúrgicos. Para garantir a sua adoção, estes dispositivos devem ser seguros, confortáveis, eficazes na redução de fatores de risco Físicos e aceitáveis para os cirurgiões. Esta tese apresenta o desenvolvimento de um Sistema de Apoio à Decisão Difuso (SADD), com o objetivo de auxiliar a análise ergonómica associada aos procedimentos cirúrgicos ortopédicos e de identificar os requisitos para conceção de um exoesqueleto para os membros inferiores adaptado aos cirurgiões ortopédicos. O modelo de SADD é uma adaptação do ERGO-X, um SADD desenvolvido para apoiar atividades de auditoria ergonómica relacionadas com LMERT nos membros superiores; a ferramenta auxilia na identificação, avaliação e fornece recomendações relativa aos fatores de risco presentes nos postos de trabalho. Nesta adaptação, o ERGO-X foi modificado para determinar a possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores, para cada tarefa cirúrgica, analisando cada membro inferior de forma independente. As tarefas foram previamente definidas com os cirurgiões, antes da recolha dos dados. O modelo de SADD avalia as tarefas cirúrgicas com base na análise dos fatores de risco Físicos, Individuais e Psicossociais associados ao desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores. Cada fator de risco é avaliado com base em atributos que determinam a severidade do fator de risco. Os dados dos questionários caracterizam os fatores de risco Individuais e Psicossociais, enquanto os dados objetivos obtidos a partir de sensores inerciais e EMG caracterizam os fatores de risco Físicos. As respostas aos questionários são convertidas em graus de inadequabilidade dos fatores de risco, utilizando conjuntos difusos. De forma semelhante, os dados objetivos são convertidos em graus de inadequabilidade dos atributos e depois agregados, utilizando operadores de união difusa, nos respetivos graus de inadequabilidade dos fatores de risco Físicos. A definição das funções de pertença é baseada na literatura e nas opiniões de médicos do trabalho. Os resultados dos graus de inadequabilidade são expressos como graus de pertença de um conjunto difuso de inadequabilidade, definido no intervalo [0,1]. A possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores é avaliada através da agregação dos graus de inadequabilidade dos fatores de risco, ponderados pela sua importância relativa. O resultado passa por um processo de desfuzificação, que utiliza variáveis linguísticas para gerar conclusões sobre a possibilidade de desenvolvimento de LMERT nos membros inferiores, para cada tarefa. Para as tarefas relevantes, os fatores de risco e os graus de inadequabilidade dos atributos são analisados para identificar os fatores de risco Físicos e respetivos atributos que mais contribuem para o resultado global. O modelo de SADD foi testado com dados reais de cirurgias recolhidos no Hospital Curry Cabral. Com base nos resultados do modelo de SADD, nomeadamente as regiões do corpo mais sobrecarregadas mecanicamente, e na análise de exoesqueletos existentes para os membros inferiores, foi proposto um conjunto de requisitos para o exoesqueleto. Os requisitos foram avaliados através da aplicação do diagrama de Mudge e do modelo de Kano aos cirurgiões ortopédicos do Hospital Curry Cabral. Os resultados da aplicação do modelo de SADD a 27 procedimentos de artroplastia do joelho revelaram padrões biomecânicos consistentes nas tarefas cirúrgicas relevantes. Estes incluíram ativação sustentada dos músculos gastrocnémio, reto femoral e bíceps femoral, e movimentos associados às articulações da anca e tornozelo. Estas conclusões permitiram definir requisitos para um exoesqueleto para os membros inferiores, enfatizando a atuação adaptativa, estabilização multiaxial das articulações e feedback em tempo real por sensores para suporte responsivo. O modelo foi validado em comparação com as ferramentas LEAT e o PSSI, bem como através da consulta com um médico do trabalho. O modelo identificou com sucesso as tarefas cirúrgicas relevantes e os principais fatores de risco e atributos que contribuem para as LMERT nos membros inferiores, confirmando a sua fiabilidade e relevância prática. Relativamente aos requisitos de conceção do exoesqueleto, o feedback dos cirurgiões ortopédicos identificou a estabilidade, liberdade de movimentos e conforto prolongado como os requisitos mais importantes. Este trabalho contribui para colmatar uma lacuna crítica na análise ergonómica da prática cirúrgica e oferece uma base sólida para o desenvolvimento de tecnologias assistivas que promovam a saúde dos cirurgiões e o desempenho cirúrgico.
Descrição
Palavras-chave
Lower limbs orthopedic surgery ergonomic analysis fuzzy logic wearable sensors exoskeleton occupational health