Sambandet mellan vibrationsdos och handens upptag av energi

1998:21 Sambandet mellan vibrationsdos och handens upptag av energi Lage Burström Sonya H Bylund arbetslivsrapport ISSN 1401-2928 Teknikenheten Enhetschef: Ulf Landström a

Innehåll Inledning 1 Undersökningsmetod 2 Försökspersoner 2 Undersökta variabler 2 Instrumentuppsättning 3 Experimentell procedur 3 Databearbetning 3 Resultat 4 Diskussion 5 Sammanfattning 7 Summary 7 Referenser 8

Inledning Inverkan av vibrationer på människan har varit känd under drygt hundra år och systematiska studier påbörjades under början av 1900-talet (13, 16). Idag är det känt att människor som dagligen utsätts för vibrationer från handhållna maskiner kan få skador på framförallt perifera nerver och kärl (1). De bedömningar av skaderisk som idag görs, utgår från den internationella standarden - ISO 5349 (14), vilken innehåller riktlinjer för mätning och bedömning av vibrationer som överförs till handen. Av standarden framgår att bedömningen av vibrationspåverkan i huvudsak grundas på daglig exponeringstid och vibrationsnivå. Denna vibrationspåverkan uttrycks genom beräkning av den totala dagliga vibrationsdosen som tar hänsyn till både korta och långa perioder av vibrations exponering liksom olika vibrationsnivåer, enligt formel 1. a hw( ekv. 8h) 1 T t= T = ( ) t = 0 ( 8h) 2 ahw () t dt (1) Den dagliga ekvivalenta vibrationsnivån, a hw(ekv.8h), definieras för en tidsperiod av 8 timmar (T (8h) ). I formeln är T den tidsperiod under vilken exponeringen av den frekvensvägda accelerationen, a hw (t), pågår. En 8-timmar ekvivalent acceleration kan erhållas genom att mätningarna genomföras under hela arbetsdagen eller, vilket är mer vanligt, beräknat utifrån representativa kortare tidsperioder. Den dagliga beräknade vibrationsnivån motsvarar den nivå som en kontinuerlig vibration skulle uppgå till under motsvarande exponeringstid. Det vetenskapliga underlaget för denna beräkningsmetod är bristfälligt. Istället har enkelheten vid instrumenttillverkning samt att beräkningarna motsvarar effektivvärdet, dvs signalens energiinnehåll, varit vägledande (12). Flera författare menar att en kort daglig vibrationsexponering ger användaren av handhållna maskiner större möjlighet till återhämtning (för referenser se (10, 12)). Denna argumentation innebär att en 8 timmars exponering under en hel dag skulle vara mer skadlig än en 1 timmes exponering av samma vibration spritt över åtta olika dagar. Detta antagandet om nyttan av återkommande avbrott i exponeringen har också medtagits i olika standarder, bl a ISO 5349. I den vetenskapliga litteraturen finns dock inget stöd för denna hypotes. En metod att studera betydelse av vibrationsdosen, dvs relationen mellan exponeringstid och nivå, kan vara att mäta maskinanvändarens upptag av vibrationsenergi per tidsenhet dvs absorberad effekt (15). Det underliggande antagandet är att ett högre upptag representerar en högre skaderisk (2). Genom att mäta den kraft och den hastighet med vilken vibrationerna påverkar användaren kan upptaget av energi bestämmas (2). Dessa mätningar innebär att det är möjligt att ta hänsyn till betydligt fler faktorer som inverkar på riskbedömningen (3, 4, 9). Syftet med föreliggande undersökning har varit att, under laborativa förhållanden, studera sambandet mellan vibrationsdos och upptaget av vibrationsenergi i handen och armen. 1

Undersökningsmetod Försökspersoner I undersökningen har tio försökspersoner, fem män och fem kvinnor (Ålder 24 61 år, medelvärde 42.2 år; vikt 49 90 kg, medelvärde 69.5 kg; längd 159 186 cm, medelvärde 172.7 cm), utan tidigare yrkesmässig vibrationsexponering deltagit. Projektet har godkänts av Forskningsetiska kommittén vid Umeå Universitet ( 210/94). Undersökta variabler Varje försöksperson utsattes för vibrationer vid 16 försökstillfällen, Figur 1. Försöken genomfördes vid fyra olika vibrationsnivåer; 3, 4.25, 6 och 9 m/s 2. Exponeringarnas nivå och varaktighet valdes så den frekvensvägda energiekvivalenta accelerationen var 3 m/s 2 för hela försökstiden av 5 minuter. Detta i enlighet med det beräkningsförfarande som specificeras i ISO 5349. Antalet exponeringar under försöken varierades mellan en och fem. Varaktigheten av exponeringarna varierade mellan 6.5 och 300 s. Vibrations niv m/s 2 3 4,25 6 9 0 1 2 3 4 5 Tid (min) Figur 1. Fördelning av exponering och deras varaktighet för de olika försöksserierna. Heldragna linjer markerar exponering under respektive försöksserie. 2

Instrumentuppsättning Vid studierna av energiupptaget har försökspersonerna utsatts för brusartade vibrationer inom frekvensområdet 4 till 2000 Hz från ett specialkonstruerat handtag. Mäthandtaget är utrustat med två givare för mätning av kraften och en accelerometer för bestämning av vibrationsnivån (8). För mätningar av grip- och matningskraft har handtaget försetts med trådtöjningsgivare. De brusartade vibrationer som försökspersonerna utsattes för, hade tidigare spelats in på en DAT-bandspelare. Signalerna utgjordes av vitt brus som inspelats från en sinusbrusgenerator via en spektrumformare. Spektrumformaren justerades så att de vibrationer som försökspersonerna utsattes för hade en konstant hastighetsnivå, oberoende av belastning. Signalernas frekvensspektrum varierade maximalt 5% för de olika 1/3- oktavbanden inom aktuellt frekvensområde. Genom att signalerna inspelades i förväg kunde tiderna för exponering respektive avbrott regleras mycket exakt (± 0.15 s). Signalerna från handtagets kraftgivare och accelerometer förstärktes i separata laddningsförstärkare. Kraftsignalerna från mäthandtagets trådtöjningsgivare passerade en bryggförstärkare, med en inbyggd balanseringskontroll för kompensation av eventuella obalanser i mätbryggorna. Uppmätt hastighet, dynamisk kraft samt grip- och matningskrafter registerades kontinuerligt på en DAT-bandspelare. Hastighet och dynamisk kraft har analyserats med en två-kanalig signalanalysator. Analysatorn har utnyttjats för att bestämma energiabsorptionen per tidsenhet som funktion av frekvensen (2). Resultatet av genomförd signalanalys överfördes till en persondator för lagring och efterföljande bearbetning. Till persondatorn överfördes även de på DAT-bandspelaren lagrade grip- och matningskrafterna för senare analys. Experimentell procedur Före försökstillfället uppmanades försökspersonerna att ta av eventuella tunga kläder, smycken etc för att undvika inverkan på resultaten. Därefter ombads försökspersonerna att inta en sittande kroppsställning och med sträckt högerarm (Flexion 180, Abduktion 0, för definition se (5)) gripa om det specialkonstruerade mäthandtaget. Genom att justera sitthöjden och kroppspositionen kunde en kroppsställning definierad som en exponering i X h -riktningen, enligt ISO 5349, erhållas. Under försöket var försökspersonerna omedvetna om att grip- och matningskrafterna kontinuerligt registerades. Den muntliga instruktionen de erhöll var "Grip om handtaget med en kraft motsvarande greppet om ett cykel/moped handtag". Under vibrationsexponeringen använde försökspersonerna hörselskydd pga höga ljudnivåer. Varje försök tog cirka 10 minuter att genomföra och vibrationsexponeringen pågick under 5 minuter. Vid varje försökstillfälle genomfördes två exponeringar. Exponeringsordningen för försökspersonerna och mellan försökspersonerna fastställdes genom balanserad försöksordning (11). Databearbetning Överfört resultat från den två-kanaliga signalanalysatorn har därefter utnyttjats för att beräkna individuell absorption av energi per tidsenhet (Nm/s) för respektive exponeringssituation och försöksperson. I beräkningarna ingick också en korrektion för den absorberande effekt handtaget i sig själv gav upphov till (2). För denna korrektion gjordes dagligen mätningar med obelastat handtag. Dessa mätningar har även fungerat som en kontroll av utrustningens kalibrering och funktion. I databearbetningen har 3

vidare ingått en beräkning av energiabsorptionen i de olika 1/3-oktavbanden från 6.3 till 1250 Hz samt en summering av dessa 1/3-oktavband för respektive försöksperson (5). Med det summerade energiupptaget som beroendevariabel har inverkan av vibrationsbelastningen på upptaget studerats genom variansanalys för upprepade mätningar (17). Antalet observationer uppgick till 160 (10 fp, 16 exponeringar) och en signifikansnivå på α = 0.05 har använts för test av parametrarna. För uppmätta grip- och matningskrafter har motsvarande analyser genomförts. Resultat I tabell 1 framgår medelvärdet av den summerade energiabsorptionen inom frekvensområdet som innefattas av 1/3-oktavband med mittfrekvenser från 6.3 till 1250 Hz. Resultaten presenteras för de olika accelerationerna samt för olika antal exponeringar och är beräknad för hela försökstiden av 5 minuter. Tabell 1. Medelvärdet och standardavvikelsen av den summerade energiabsorptionen (Nm/s 2 ) för de olika exponeringssituationerna. I tabellen anges medelvärdet och inom parentes standardavvikelsen. Antal exponeringar 1 2 3 4 5 Acceleration (m/s 2 ) 3 0.0195 (0.0048) 4.25 0.0202 0.0182 0.0178 0.0177 0.0176 (0.0049) (0.0038) (0.0031) (0.0039) (0.0047) 6 0.0226 0.0188 0.0182 0.0179 0.0177 (0.0060) (0.0042) (0.0030) (0.0030) (0.0041) 9 0.0229 0.0205 0.0212 0.0213 0.0193 (0.0062) (0.0030) (0.0050) (0.0046) (0.0044) Tabellen visar att medelvärdet av energiupptaget tenderar att vara större vid en högre vibrationsnivå. Vidare framgår att en viss skillnad i medelvärdet föreligger beroende på antalet vibrationsexponeringar under försöket. Statistiska analyser visar att vibrationsnivån har en signifikant inverkan på upptaget av energi (F 2,18 =10.01, p=0.001). Vidare föreligger en skillnad beroende på antalet vibrationsexponeringar (F 4,36 =6.56, p<0.001). Dessutom föreligger en samverkan mellan antal exponeringar och vibrationsnivån (F 8,72 =3.86, p=0.001). I tabell 2 redovisas medelvärdet av grip- och matningskraften i Newton (N) för de olika exponeringssituationerna. Resultaten presenteras för de olika accelerationerna samt för olika antal exponeringar och är beräknad för hela försökstiden av 5 minuter. 4

Tabell 2. Medelvärdet och standardavvikelsen av grip- och matningskraften (N) för de olika accelerationerna samt antal exponeringar. I tabellen anges medelvärdet och inom parentes standardavvikelsen. Antal exponeringar 1 2 3 4 5 Acceleration (m/s 2 ) 3 14.6 (3.3) Gripkraft (N) 4.25 13.7 12.1 12.0 11.4 12.5 (3.2) (2.5) (2.1) (2.5) (2.2) 6 15.2 12.6 11.5 12.8 13.0 (4.0) (2.8) (3.4) (2.0) (2.8) 9 14.7 13.9 14.1 14.3 12.4 (5.2) (2.1) (3.4) (3.1) (2.9) Acceleration (m/s 2 ) 3 19.4 (4.4) Matningskraft (N) 4.25 19.0 16.9 16.2 16.3 15.9 (4.6) (3.5) (2.9) (3.5) (2.9) 6 20.5 17.0 16.5 17.1 16.4 (5.5) (3.8) (2.8) (2.7) (3.8) 9 21.2 18.5 19.7 19.3 17.7 (5.2) (2.7) (4.4) (4.2) (4.1) Av tabellen framgår att gripkraften har ett lägre medelvärdet jämfört med matningskraften. Statistiska analyser visar att gripkraften inte påverkas av accelerationsnivån medan matningskraftens ökar när accelerationen höjs (F 2,18 =3.16, p=0.079; F 2,18 =6.27, p=0.031). Antal exponeringsperioder inverkar inte på gripkraften medan ett ökat antal exponeringar leder till en sänkt matningskraft (F 4,36 =1.41, p=0.250; F 4,36 =3.91, p=0.013). Diskussion Resultaten från denna studie visar att det föreligger en skillnad i beräknad vibrationsdos enligt gängse standard jämfört med uppmätt energiupptag. Vid de utnyttjade nivåerna och tiderna ökade energiupptaget med ca 20% vid högre vibrationsnivå fastän den beräknade energiekvivalenta nivån är densamma. Om det underliggande antagandet, att ett ökat upptag av vibrationsenergi motsvarar en lika stor förhöjd risk för skador, är korrekt, innebär det att standarden underskattar riskerna allt mer ju högre den frekvensvägda vibrationsnivån blir. 5

Inverkan av vibrationer på handkrafterna är känd sedan länge och den ökade ofrivilliga kontraktionen av musklerna som vibrationer ger upphov till, brukar förknippas med den sk toniska vibrationsreflexen (6, 18, 19, 20). Resultat har också presenterats (7) som visar att en ökad vibrationsnivå ger högre handkrafter vilket är i överensstämmelse med resultaten från denna studie. Det finns fysiologiskt välgrundad anledning att rekommendera så många och så långa avbrott i exponeringen som möjligt, eftersom organismen därmed ges tillfälle till återhämtning (10, 12). I ISO 5349 förutsätts dock att viloperiodernas antal och storlek är relativt oviktig och att deras positiva påverkan på användaren tas hänsyn till i de föreskrivna beräkningarna. Erhållna resultat visar dock att energiupptaget minskar med ca 20% när viloperioder införs. Exponering som innehåller en viloperiod ger även en signifikant sänkning av energiupptaget med ca 10-15%. Omräknat motsvarar denna sänkning en reduktion av vibrationsnivån med en faktor 2-3. Om antagandet att upptaget av energi är proportionellt mot skaderisken är korrekt, tyder resultaten därmed på att införande av vibrationsfria avbrott i arbetet skulle ha en mycket positiv effekt ur skadeförebyggande synpunkt. En anledningen till det minskade upptaget av vibrationer kan vara att viloperioder medför att matningskraften minskar och därmed handens koppling mot vibrationskällan. En av de stora problemen med att bestämma den dagliga vibrationsdosen är det saknas epidemiologisk information om effekten av daglig exponeringstid, intermittent maskinanvändning och viloperioder. Resultaten från denna studie måste därför tolkas med försiktighet, eftersom man inte vet vilken relevans akuta påverkan har för uppkomsten av kroniska eller bestående skador. Med hänsyn till resultaten från denna studie samt från tidigare undersökningar av akuta effekter, bör dock ytterligare undersökningar ske inom detta område för att klarlägga viloperiodernas betydelse för reduktionen av vibrationsskador. 6

Sammanfattning Burström, L och H Bylund S: Sambandet mellan vibrationsdos och handens upptag av energi. Vid arbete med vibrerande handhållna maskiner har vibrationsdosen, dvs exponeringstid och vibrationsnivå, en avgörande betydelse för uppkomsten av skador och besvär. I denna studie har relationen mellan vibrationsdos och användarens upptag av vibrationsenergi undersökts. Vidare har påverkan på använda grip- och matningskrafter studerats. Studien har utförts på 10 försökspersoner och vid mätningarna har ett specialkonstruerat mäthandtag använts. Effekten av fyra olika vibrationsnivåer med olika varaktighet under en sammanlagd försökstid av fem minuter har studerats. Antalet intervall med belastning varierade mellan en och fem. Den sammanlagda vibrationsbelastningen var konstruerad så att den beräknade ekvivalenta nivån under försökstiden var densamma oberoende av nivå och varaktighet. Resultaten från denna studie visar att det föreligger en skillnad i beräknad vibrationsdos jämfört med uppmätt energiupptag. En ökad vibrationsnivå ger ett signifikant högre upptag. Vidare framgår att fler vibrationsfria avbrott leder till ett sänkt upptag av vibrationer och lägre matningskrafter. Nyckelord: Vibrationer, Energiabsorption, Vibrationsdos, Handkraft, Handöverförda. Summary Burström, L. and H Bylund S: The relation between vibration dosage and the absorption of vibration energy in the hand. During work with hand-held vibrating tools the vibration dosage, i.e. exposure duration and vibration level, has a significant influence on the risk of vibration injuries. In this study the relation between calculated vibration dosage and the amount of absorbed mechanical energy in the hand has been measured. Moreover, the influence on the gripand feed forces have been studied. The study was carried out on 10 healthy subjects. A special handle was used during the measurements. The influence of four different vibration levels with different duration during an experimental time of five minutes was investigated. The number of exposure intervals was varied between one and five times. The overall equivalent acceleration was the same for all experiments. The results show that there is a difference between the calculated vibration dosage and the amount of measured absorption of energy. Higher acceleration level leads to a significantly higher absorption. Furthermore, the outcome shows that rest periods have contributed to a lower absorption of energy in the hand as well as lower feed forces. Key words: Vibration, Energy absorption, Vibration dosage, Hand force, Handtransmitted 7

Referenser 1. Brammer AJ, & Taylor W. Vibration effects on the hand and arm in industry. John Wiley & Sons, New York, 1982. 2. Burström L. Absorption of vibration energy in the human hand and arm. Luleå University of Technology, Doctoral thesis 87 D, 1990. 3. Burström L. The influence of biodynamic factors on the absorption of vibration energy in the human hand and arm. Nag J Med Sci 57 (1994) 159-167. 4. Burström L. The influence of individual factors on the absorption of vibration energy in the hand and arm. J Low Freq Noise Vib 14 (1994) 115-122. 5. Burström L, & Hörnqwist Bylund S. Samband mellan upptag av vibrationsenergi i handen och ergonomiska faktorer. Arbetsmiljöinstitutet, Arbete & Hälsa 1994:12, 1994. 6. Burström L, & Hörnqwist Bylund S. Inverkan av grip- och matningskraften på handens upptag av vibrationsenergi. Arbetslivsinstitutet, Arbetslivsrapport 1996:21, 1996. 7. Burström L, Hörnqwist Bylund S, & Sörensson A. Inverkan av stötvibrationer på handens upptag av vibrationsenergi. Arbetslivsinstitutet, Arbetslivsrapport 1997:2, 1997. 8. Burström L, & Lindmark A. Metoder för bestämning av handens upptag av vibrationsenergi. Arbetsmiljöinstitutet, Undersökningsrapport 1990:11, 1990. 9. Burström L, & Lundström R. Absorption of vibration energy in the human hand and arm. Ergonomics 37 (1994) 879-890. 10. Gemne G, Lundström R, & Hansson J-E. Skador och besvär av arbete med handhållna vibrerande maskiner. Arbetsmiljöinstitutet, Arbete och Hälsa 1992:49, 1992. 11. Girden ER. ANOVA repeated measurements. University paper. Sage, No. 84, 1992. 12. Griffin MJ. Handbook of human vibration. Academic Press, London, 1990. 13. Hamilton A. A study of spastic anemia in the hands of stone cutters. Bureau of Labour Statistics, Industrial Accidents and Hygiene Bull 236, Series No 19, 53-123, 1918. 14. International Standard ISO 5349. Mechanical vibration - Guidelines for the measurement and the assessment of human exposure to hand-transmitted vibration. International Organization for Standardization, Geneva, 1986. 15. Lidström I-M. Lokala vibrationers inverkan på övre extremiteterna. Arbetarskyddsverket, Arbete och Hälsa 1974:8, 1974. 16. Loriga G. The use of pneumatic hammers. Bulletin of the Labour Inspectorate 2 (1911) 35-60. 17. Norusis M. SPSS for Windows. Advanced statistics. Release 6.0. SPSS Inc., Chicago, 1993. 18. Pyykkö I, Färkkilä M, Toivanen J, Korhonen O, & Hyvärinen J. Transmission of vibration in the hand-arm system with special reference to changes in compression force and acceleration. Scand J Work Environ & Health 2 (1976) 87-95. 19. Pyykkö I, & Starck J. Vibration syndrome in the etiology of occupational hearing loss. Acta Otolaryngol 386 Suppl (1982) 296-300. 20. Radwin RG, Armstrong TJ, & B CD. Power hand tool vibration effects on grip exertions. Ergonomics 30 (1987) 833-855. 8

Arbetslivsinstitutet Centrum för arbetslivsforskning Arbetslivsinstitutet är nationellt centrum för forskning och utveckling inom arbetsmiljö, arbetsliv och arbetsmarknad. Kunskapsuppbyggnad och kunskapsanvändning genom utbildning, information och dokumentation samt internationellt samarbete är andra viktiga uppgifter för institutet. Kompetens för forskning, utveckling och utbildning finns inom områden som arbetsmarknad och arbetsrätt, arbetsorganisation belastningsskador, arbetsmiljöteknik, hälsoeffekter av det nya arbetslivets psykosociala problem, arbetsmedicin, allergi, påverkan på nervsystemet, kemiska riskfaktorer och toxikologi. Totalt arbetar omkring 400 personer vid institutet. Forskning och utbildning sker i samarbete med bl a universitet och högskolor. Arbetslivsrapporterna är utgivna av Arbetslivsinstitutet. Ytterligare exemplar kan beställas från: Förlagstjänst Arbetslivsinstitutet 171 84 Solna Tel: 08-730 98 00, Fax: 08-730 98 88, E-mail: forlag@niwl.se Arbetarskyddsstyrelsens tryckeri 1998 ISSN 1401-2928