Detección y prevención de riesgos laborales en
empleado de correspondencia de la Universidad de Antioquia a partir de análisis antropométrico y
biomecánico.
Christian García
Yina Collazos
Mateo Sepúlveda
Juan Pavón
Grupo de Biomateriales Avanzados y Medicina Regenerativa, BAMR, Programa de
Bioingeniería, Universidad de Antioquia
Teléfono 300 847 46 86
[email protected] [email protected]
Miguel Montoya
Ricardo Gutiérrez
Departamento de Salud Ocupacional, Universidad de Antioquia
Fanny Valencia
José Daniel Lema
IPS y LAM, Fundación Universitaria María Cano, Medellín, Colombia.
Abstract
Existen labores que requieren fuerzas y gasto energético superiores a
los que puede brindar un operario. En algunos casos requieren posturas
estáticas por largos periodos, o dinámicas y repetitivas en ciclos cortos,
causando fatiga muscular y ósea. Estos fenómenos causan diferentes
tipos de problemas físicos en los trabajadores, siendo dependientes de
varios factores; por tanto, para el estudio de estas actividades se
requiere la aplicación de conceptos de la biomecánica ocupacional. Este
campo de la bioingeniería, utiliza conocimientos de la física aplicados al
cuerpo humano, para determinar factores de riesgo a través del análisis
y estudios biomecánicos que mejoran las condiciones para el desempeño
del operario. Este trabajo se ha enfocado en el análisis de las dolencias
lumbares de un trabajador de la Universidad de Antioquia, a través del
análisis biomecánico que permita correlacionar las fuerzas en condición
estática con la estructura de los tejidos comprometidos. La rutina del
trabajador consiste en transportar documentación al interior de la
universidad apoyado por un vehículo de tracción humana. Para
determinar el riesgo de dicha actividad se realizaron pruebas in situ, con
ayuda del software libre Kinovea, al igual que análisis antropométricos y
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análisis biomecánicos estáticos. Luego se consideraron los efectos de las
repeticiones, desde el punto de aplicación de la fuerza externa, hasta la
zona lumbar. Estos resultados se compararon con la simulación del
puesto de trabajo en el Laboratorio de Análisis de Movimiento (LAM) de
la Fundación Universitaria María Cano (FUMC). Mediante estas
aproximaciones, se calcularon las fuerzas de reacción articular en los
discos intervertebrales en L5 debido a las cargas realizadas en una
posición corporal inadecuada. Finalmente, los resultados muestran la
estrecha relación existente entre el diseño del vehículo y los esfuerzos
críticos del sujeto, realizando así la primera propuesta de modificación
de dicho diseño.
Palabras Clave: Antropometría, análisis biomecánico, estática,
mecánica de tejidos, ergonomía, diseño, puestos de trabajo.
Introducción
La biomecánica es la disciplina dedicada al estudio de los cuerpos vivos
como una estructura que funciona, tanto bajo las leyes de la mecánica
newtoniana como bajo las leyes biológicas [Tichauer]. Este campo de la
bioingeniería permite entender el funcionamiento del cuerpo humano y
principalmente de su sistema músculo-esquelético, partiendo del análisis
matemático, en base al cual se elaboran modelos mecánicos para
evaluar las condiciones de trabajo [Catalán].
En Colombia, el sistema general de riesgos profesionales vigente
reglamenta la prevención y control de riesgos laborales, generando una
creciente necesidad de inversión en estudios que mejoren la calidad en
las condiciones de los operarios y del personal en general en los
diferentes ambientes de trabajo.
A nivel mundial se encuentran distintos estudios que buscan establecer
relaciones entre el entorno mecánico y físico del puesto de trabajo y
enfermedades de tipo musculo-esquelético. Entre estos estudios se
destaca la revisión del estado del arte que realiza Thomar R. Waters
para Estados Unidos en el año 2004, titulada “National efforts to identify
research issues related to prevention of work related musculoskeletal
disorders”. En dicho trabajo, se presenta la alta incidencia de dolencias
a nivel bajo de la espalda y en las extremidades superiores, como casos
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típicos en las naciones industrializadas. Como principal aporte, este
trabajo concluye haciendo énfasis en la necesidad de realizar más
investigaciones acerca del riesgo al que están expuestos los
trabajadores, en una gran gama de ambientes laborales [Oborne,
1982].
En Colombia, un estudio observacional realizado en trabajadores del
área administrativa de la Universidad del Cauca por estudiantes de
fisioterapia de la misma institución, encontraron algunos factores de
riesgo biomecánicos estandarizados y consecuentemente presencia de
lesiones musculo esqueléticas (LME) relacionadas con el trabajo,
indicando que posturas de trabajo forzadas significan mayor riesgo;
destacando la alta incidencia de dolores en la zona alta y baja de la
espalda. [Sierra, 2005]
En este trabajo, los análisis físicos, antropométricos y biomecánicos
implantados, se han enfocado en la zona lumbar del sujeto de estudio,
debido a la alta sensibilidad de esta zona con respecto a los riesgos
laborales y profesionales. Prueba de su importancia en Colombia, es su
inclusión en la tabla de enfermedades profesionales del decreto 2566 de
2009, en su artículo primero, numeral 37, como otras lesiones
osteomusculares y ligamentosas; es decir, trabajos que requieran sobre
esfuerzo físico, movimientos repetitivos y/o posiciones viciosas. En el
marco de la ambigüedad del numeral 37, se requieren exámenes
médicos, estudios biomecánicos y ergonómicos que determinen el factor
de riesgo laboral que representa el puesto de trabajo en cuestión. El
presente trabajo, busca proponer un protocolo para la detección y
prevención de lesiones laborales mediante la implementación de
exámenes físicos, análisis antropométricos y biomecánicos,
estableciendo las correlaciones entre estos resultados, con el ánimo de
encontrar combinaciones óptimas de parámetros.
Materiales y Métodos
Materiales: Los análisis de movimientos se realizaron in situ en el
puesto de trabajo, al igual que mediante simulación en el LAM-FUMC.
Dicho laboratorio está equipado con: Marcadores 3D de referencia
optoelectrónicos, 6 cámaras HD, software BTS y personal calificado para
su manejo. Para los análisis in situ fue utilizado el Software libre
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Kinovea, así como: decámetros, cronometro y cámara. El sujeto de
análisis está vinculado laboralmente a la Universidad de Antioquía,
cumpliendo la función de transporte de mensajería.
Métodos: La primera etapa consistió en la firma del consentimiento
para el estudio por parte del sujeto. Luego se procedió a la respectiva
recolección de datos físicos y antropométricos, con colaboración de
personal calificado de la universidad (Tabla 1). Para el análisis in situ, el
trabajador del área de correos fue acompañado en su recorrido, evento
que sirvió para realizar el respectivo registro audiovisual. Tras el
recorrido se realizó la identificación de puntos críticos con ayuda de
instrumentos para caracterizar el terreno, en longitud e inclinación, a
partir de lo cual se determinaron los puntos más relevantes del análisis.
Posteriormente, con ayuda del software libre Kinovea, se obtuvieron los
ángulos necesarios para la realización del análisis biomecánico de
fuerzas sobre los segmentos de interés.
Las pruebas en laboratorio en el LAM-FUMC se realizaron posteriores a
las in situ; para ello, el carro (dispositivo) se transportó hasta el LAM y
se cargó un peso equivalente al real, para simular las condiciones
laborales. Finalmente se procedió a comparar los resultados de
laboratorio con los obtenidos in situ, para acotar el problema y su
análisis, y poder llegar a conclusiones y recomendaciones.
Peso 118.7 Kg
Altura 1,80 m
Sección corporal Derecho
(m)
Izquierdo
(m)
Longitud de brazo 0,38 0,37
Longitud antebrazo 0,31 0,31
Longitud del muslo 0,49 0,49
Longitud pierna 0,45 0,45
Extremidad superior 0,81 0,93
Extremidad inferior 0,80 0,93
Diámetro biacromial 0,48 cm
Diámetro dicrestal 0,42 cm
Tabla 1. Información antropométrica relevante obtenida para el sujeto.
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Resultados y discusión
Antropometría
Con ayuda del personal de salud ocupacional de la universidad de
Antioquia y con previo consentimiento informado al sujeto se realizó la
toma de parámetros antropométricos del sujeto en estudio, datos
registrados en la Tabla 1, previamente mostrada.
Parámetros de análisis Durante la observación in situ del puesto de trabajo bajo estudio, se
analizaron los factores implicados en el mismo para identificar
parámetros relevantes. Estos se enlistan a continuación.
Carga: 19 kg.
Longitud del recorrido: 314 m.
Duración de un recorrido: 7 minutos.
Repeticiones diarias: 3 – 4
Inclinación (°)
Longitud (m)
Inclinación (°)
Longitud (m)
0 185 7 29.1
2 53.8 8 2.1
3 1.3 9 1.7
5 30.6 10 10.1 Tabla 2. Pendientes en el recorrido del sujeto y longitud de las mismas.
Figura 1: Diagrama de cuerpo libre para la carretilla con ángulo máximo (10º)
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∑ 𝐹𝑦 = 0 ; (1)
∑ 𝐹𝑥 = 0 ; (2)
∑ 𝜏 = 0 ; (3)
A partir de los resultados y de la Figura 4 se hace un procedimiento
estático, partiendo de las ecuaciones de movimiento 1, 2 y 3, tales
como sumatoria de fuerzas en ambos ejes cartesianos y sumatoria de
torques; dando como resultado:
Fr = 184 N. Fuerza resultante sobre la mano.
A 80 ° del eje horizontal.
Con las fuerzas resultante, el torque y el ángulo ya calculados para la
carretilla se hace un segundo diagrama de cuerpo libre (Figura 2) para
determinar las fuerzas de reacción muscular sobre el codo y además
para determinar la fuerza muscular que debe generarse por el bíceps
braquial en este punto, las cuales tendrán repercusiones sobre la
articulación del hombro y posteriormente sobre la zona lumbar (zona
crítica y de interés final para la actividad laboral).
Figura 2: Diagrama de cuerpo libre para el miembro superior.
Habiendo calculado las fuerzas que se ejercen sobre el codo, se
pretende trasladar esas reacciones al hombro y finalmente a la zona
lumbar. Debido a la dificultad que presenta analizar toda la cantidad de
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músculos en el hombro, se hace necesario tomar los datos arrojados por
el Laboratorio de Análisis de Movimiento para no incurrir en errores a la
hora de determinar las fuerzas sobre la espalda baja.
Por lo anterior se procede a calcular las fuerzas a nivel de la cadera,
obtenidas a partir del siguiente Diagrama de Cuerpo Libre (Figura 3).
A B
Figura 3: A) Diagrama de cuerpo libre para la columna vertebral. B) Ubicación
anatómica de los músculos extensores de la columna (músculos mayormente
implicados).
Análisis completo de los resultados entregados por el
laboratorio de análisis de marcha de la fundación Universitaria
María Cano para la primera fase
La contextura física del sujeto de prueba es gruesa, con un índice de
masa corporal de 35.32 dando como resultado una clasificación de obesidad tipo II que consiste en un exceso de grasa subcutánea en el
tronco y en el abdomen, dando como resultado un cambio en el centro de masa del paciente.
A partir de los parámetros temporales y comparándolos con la base de
datos suministrada por el laboratorio, es de observar que: El porcentaje temporal de las fases de apoyo y balanceo
concuerdan con las de la marcha de un sujeto normal. Mientras
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que el porcentaje de la fase de doble apoyo presenta diferencias
del 5%; sin embargo esto no tiene repercusiones considerables en el problema de interés el cual se concentra en la zona lumbar.
La velocidad promedio del sujeto estuvo por debajo 0.6 m/s
respecto a la media, lo cual repercute en la cadencia de 10 pasos/minuto por debajo y en la reducción de la longitud de la
zancada 0.5 m. Lo anterior está ligado al hecho de que el sujeto transportaba una carga considerable y además de la obesidad del
mismo.
Análisis cinemático (movimiento) Las imágenes a continuación muestran que el sujeto tiene un
comportamiento cinemático acorde en cada uno de los segmentos corporales mostrados, sin embargo hay variaciones en aumento del
orden de 6 a 8 grados de rotación. La explicación de esto tiene su origen en el hecho de que el sujeto al transportar el vehículo, éste le genera
una resistencia en su movimiento que evidencia en la Figura 4. donde la pelvis tiene un inclinación anterior para facilitar la tarea de desplazar
dicha carga.
Figura 4: Resultados más notorios de la cinemática media: derecha e
izq. IPS FUMC.
En la Figura 4 se ve que no hay extensión de la cadera antes de iniciar
la fase de balanceo, posiblemente debido a que el sujeto incline su cuerpo hacia el vehículo (hacia adelante) y la pierna (apoyada en ese
momento) se mantenga flexionada respecto al tronco. Además es claro que el peso y la carga transportada juega un factor importante pues
hace que los movimientos sean más exagerados y las extremidades más comprometidas son la rodilla y el tobillo a nivel de rotaciones.
Es importante aclarar que a pesar que el sujeto lleva una carga y que su
centro de masa está más anterior de lo normal (debido al sobrepeso),
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los movimientos realizados durante la marcha están bien ejecutados
porque cumplen con la misma forma (amplitud) y desplazamiento (% del ciclo).
Análisis cinético (Fuerzas)
A continuación se presenta un análisis enfocado no en cómo se realizó el movimiento, sino que tanta fuerza, potencia y momento invirtió el
sujeto de prueba y la relación que éste tuvo en comparación con la media poblacional.
La Figura siguiente muestra, en orden descendente, que comportamiento tubo la cadera, rodilla y tobillo durante un instante del
movimiento; y luego se analiza cuantitativamente la cantidad de momento, potencia y fuerza que tuvieron esos segmentos corporales
durante el periodo de una marcha transportando el vehículo de carga.
Figura 5. Principales resultados de la cinética media: derecha e izq. IPS FUMC.
Haciendo un vistazo general de todas las gráficas con sus respectivas unidades, es claro que el sujeto de prueba conserva la armonía de los
movimientos, de las fuerzas que cada uno necesita y del tiempo que duran. Sin embargo los desplazamientos son más exagerados en
amplitud (grados, fuerza y potencia) debido a la carga que transporta
puesto que necesita modificar la distribución de masa (por consiguiente de fuerza) para hacer efectivo el movimiento con el objeto externo.
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Figura 6. Resultados de fuerza de reacción del suelo, derecha e izq. IPS FUMC.
A partir de la Figura 6, se debe hacer énfasis también en que todo este análisis se realizó sobre un plano horizontal (inclinación de 0º) y los
análisis acá presentados son para una superficie lisa (baldosa en cerámica). Mientras que en la realidad, el sujeto se debe desplazar por
un plano de inclinación de pico máximo 10º y superficies que varían en rugosidad, pasando por cemento y asfalto en varias oportunidades. Todo
lo anterior genera un margen de error, el cual es difícil determinar puesto que en el laboratorio no es posible simular a la perfección el
medio de trabajo que tiene el sujeto dentro de la universidad.
A pesar de esto, todas las fuerzas corresponden con el promedio. Lo
anterior es un reflejo de que el sujeto hace correctamente el gesto de desplazamiento, ya que el esfuerzo que le hace al piso para poder
moverse junto con la carga, es pequeño en comparación al promedio.
Este trabajo estudia la fuerza producida entre las vértebras L5/S1, para un operario de transporte de carga liviana, así como el efecto de la
masa corporal del sujeto y el efecto de la densidad y consecuente peso de su vehículo de transporte. Se encontró que las fuerzas de compresión
y de cizalla en la zona lumbar son inferiores a las consideradas perjudiciales para una labor de carga; sabiendo que la fuerza máxima
de compresión en esta zona intervertebral se sitúa en los 3,4 KN [WATERS, 1993], reportado como el tope máximo permitido en
trabajadores sin riesgos de hernias o fracturas. Variados estudios reportan valores de compresión superiores a los 5 KN [VISSER, 2015]
en situaciones de carga superior a los 50 Kg, estos mismos reportes,
encuentran una correlación directa entre el peso y la fuerza de compresión en el disco como se determinó en este trabajo (Figura 7),
considerando además que el sobrepeso del sujeto le trae una carga extra sobre la espalda. Así es como el diseño ergonómico de un vehículo
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de transporte debe incluir reparos sobre el material, sabiendo que la
reducción del peso del mismo por variaciones en densidad supone una reducción en las cargas lumbares del operario. Sin embargo la magnitud
de las fuerzas reportadas hace necesario considerar un análisis desde
otra perspectiva, para entender la diferencia en magnitud.
Figura 7: Variación de la fuerza de compresión sobre el disco entre L5/S1 respecto a la
variación de la densidad del vehículo.
Es común en la literatura en especial en cursos de biomecánica,
considerar en los cálculos únicamente la fuerza de un músculo, siendo este generalmente el agonista; esta clase de cálculos desprecian el
importante papel que ejercen los músculos antagonistas en ciertos movimientos. Este es el caso del levantamiento o carga de un objeto en
brazos, ejercicios que requieren además de los músculos de la espalda el papel de los músculos abdominales [LOPEZ, 2007] y cuyos efectos
pocas veces son tenidos en cuenta y generan un efecto significativo sobre la fuerza de compresión en la zona lumbar. El efecto de tener dos
músculos en lugar de uno genera una considerable reducción de la fuerza de compresión en el disco; los reportes que emplean modelos de
coactividad abdominal y extensoras reportan valores de compresión mucho más bajos (de 1813 N a 0° hasta 2073 a 90°) [OUAAID, 2014].
El efecto de la coatividad muscular en la zona lumbar del sujeto, causa
que ambos grupos musculares trabajen en conjunto para el levantamiento menos traumático de una carga determinada. Lo anterior
implica que un aumento del esfuerzo en un músculo incrementará también el trabajo de otros grupos musculares.
1549
1557
1563
1573,36
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
1570
1575
1580
40 2700 4540 7850
Fue
rza
( N
ew
ton
s)
Densidad del material
Fuerza compresión
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4. Conclusiones Partiendo del hecho de que el sujeto que actualmente se encuentra en el
puesto de trabajo de interés está físicamente calificado para la labor y
los cálculos obtenidos arrojan valores no perjudiciales para la carga que realiza, se debe tener muy en cuenta la coactividad muscular; la cual
involucra una cantidad considerable de músculos de la zona abdominal que no fueron incluidos en los cálculos, y consecuentemente esto
repercute en los resultados deseados. Por lo anterior se hace necesario tener en cuenta todos los músculos de interés, aún con esto se
obtengan ecuaciones más complejas y se haga necesario la ayuda de un software especializado para lograr encontrar soluciones precisas y
cercanas a la realidad; con lo que se podrá dar un veredicto más acertado del caso particular que se esté trabajando y un rediseño acorde
a las necesidades manifestadas.
5. Agradecimientos
Agradecemos al señor Frey Giraldo, empleado de correspondencia de la
Universidad de Antioquia quien sirvió como sujeto de prueba, a José Lema Calidonio y Fanny Valencia por su colaboración en las locaciones
de la IPS y LAM Fundación Universitaria María Cano, a los señores Miguel Montoya y Ricardo Gutiérrez quienes hacen parte del
Departamento de Salud Ocupacional de la Universidad de Antioquia, al doctor Juan José Pavón, docente de Bioingeniería, asesor principal en el
proyecto y de manera general a las demás personas que tuvieron participación activa desde su compromiso y dedicación en la elaboración
de este proyecto.
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(2) PARREÑO CATALÁN, José Luís. Clinical Biomechanics. “Innovem
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