«Лёгкость» рук. Физиологические характеристики тяжести труда. Г. В. Федорович (№4, 2016)

Скачать выпуск "Безопасность и охрана труда" №4,2016

Г.В.Федорович,

д.ф-м.н., технический директор ООО «НТМ-Защита»

г.Москва, Россия

Е-mail: fedorgv@gmail.com

Реферат

В работе рассмотрены физиологические характеристики физического перенапряжения пригодные для  нормирования тяжести труда. Правильная оценка вредных факторов необходима для выбора оптимальных способов решения проблем с охраной труда на производстве. В качестве меры, выражающей уровень физической активности используется  метаболический эквивалент МЕТ. Описаны методы измерения МЕТ – прямая и непрямая калориметрия. В качестве надежного и сравнительно несложно измеряемого показателя тяжести физической нагрузки предложено использовать частоту сердечного ритма HR. Ее можно использовать для обоснования нормирования уровней физической активности на производстве. С этой точки зрения сравниваются основные нормативные документы в нашей стране и за рубежом (в США).

Ключевые слова: расход энергии, физическая активность, сердечно-сосудистые эффекты, частота сердечных сокращений, предельная работа, окружающая среда, усталость, прогностические соотношения

 

Physiological characteristics of the occupational exertion

G.V.Fedorovitch

Ph.D., Technical director, NTM Ltd

Abstract

In the paper the physiological characteristics of the physical overexertion are considered as the most suitable for the valuation of work severity Proper assessment of hazards is necessary to select the best ways to solve the problems with occupational safety in the workplace.  As a measure expressing the physical activity level metabolic equivalent MET is used. In the paper methods of measurement MET - direct and indirect calorimetry - are described. The heart rate (HR) is proposed to use as a reliable and relatively easily measured indicator  of the severity of exercise . It can be used to justify the valuation levels of physical activity in the workplace. From this point of view, the basic regulations in our country and abroad (in the US) are compared.

Keywords: energy expenditure, physical activity,  cardiovascular effects,  heart rate, work limit, work environment, fatigue, prediction equations

Введение

Профессиональные заболевания (далее –  ПЗ) возникают в результате воздействия на организм неблагоприятных факторов производственной среды. Патология опорно-двигательного аппарата (особенно связанная с перенапряжением и микротравматизацией) в последнее время составляет значительную часть всех ПЗ.

Относительно высокая распространенность ПЗ опорно-двигательного аппарата, связанных с перенапряжением, наблюдается в целом ряде отраслей народного хозяйства: горнорудной, угольной, машиностроительной, электротехнической, лесозаготовительной, деревообрабатывающей промышленности, на строительных и сельскохозяйственных работах и  т. д. [1].  Несмотря на повсеместное внедрение механизации и автоматизации, не только на мелких, но даже и на крупных предприятиях имеется немало профессий, где ручной труд в той или иной степени применяется и до настоящего времени и где работа сопровождается значительным физическим напряжением. По мере уменьшения доли тяжелого физического труда стали преобладать ручные операции с локальными статическими усилиями при вынужденной рабочей позе и частых однотипных движениях. Вынужденное положение тела во время работы, монотонность производственного процесса, его неравномерный ритм; выполнение быстрых однотипных движений, перенапряжение отдельных мышечных групп,  неправильные и нерациональные с точки зрения физиологии приемы работы, давление и трение инструментов или изделий о части тела человека – все перечисленные вредные производственные факторы (далее –  ВПФ) способствуют физическому перенапряжению и развитию ПЗ.

Интенсивность мышечной работы принято обозначать термином «тяжесть труда». Несмотря на высокую распространенность ПЗ опорно-двигательного аппарата, вопросам нормирования тяжести труда уделяется явно недостаточное внимание. Действующая сейчас в нашей стране структура нормирования тяжести труда была сформулирована двадцать лет назад в документе  [2]. В качестве определения выбрано: «Характеристика трудового процесса, отражающая преимущественную нагрузку на опорно-двигательный аппарат и функциональные системы организма (сердечно-сосудистую, дыхательную и др.), обеспечивающие его деятельность». Для целей нормирования тяжесть труда определяется через эргометрические показатели:  физическую динамическую нагрузку, массу поднимаемого и перемещаемого груза, общее число стереотипных рабочих движений, величину  статической нагрузки, характер рабочей позы, глубину и частоту наклона корпуса, перемещения в пространстве. Отнесение тяжести труда к оптимальному, допустимому или вредному классу по каждому из применяемых показателей производится на основе сравнения данных, получаемых при исследовании условий труда, с данными оценочной таблицы.

В документе [2] нормировался только труд женщин, однако вскоре было разработано Руководство [3], содержащее оценку труда и мужчин и женщин. В дальнейшем структура и конкретное содержание норм переносились из предыдущих НПА в последующие практически без изменений. Это относится, в том числе, и к Методике выполнения СОУТ [4]. Неизменность норм по тяжести труда не свидетельство совершенства их содержания. Напротив, разнообразие учитываемых эргометрических показателей приводит к путанице и противоречиям.  Например, использующееся понятие «работа» в строгом (физическом) смысле работой не является. Перемещения работника по вертикали и горизонтали оценивается безотносительно к тому – переносит он груз или нет. Физические усилия, прикладываемые к объекту труда, смешиваются с «вынужденной» и «фиксированной» рабочими позами, причем определение последних имеет вид «Подобные позы встречаются … », т.е. используется не исчерпывающий список работ при фиксированной позе, а один из вариантов такой позы. Приведенные примеры путаницы и противоречий в НПА можно продолжать. Они свидетельствуют об отсутствии единой меры тяжести труда.

Важным обстоятельством является то, что нередко напряжение опорно-двигательного аппарата в процессе работы сочетается с другими неблагоприятными производственными факторами - вибрацией, охлаждением и пр. Подобное сочетание оказывает существенное усугубляющее влияние на клиническую картину этой группы ПЗ, однако, никак не отражается в нормах по тяжести труда.

Возможно, неопределенность, противоречивость и сложность использующихся понятий привели к тому, что в последнем по времени НПА гигиенического нормирования [5] тяжесть труда как ВПФ не рассматривается вообще. Это обстоятельство чревато неприятными последствиями для охраны труда (далее –  ОТ) работников. Например – ослаблением стимулов к надлежащей организации работ по ОТ и технике безопасности на производственных предприятиях.

Перечисленные проблемы рассмотрены ниже в свете современных представлений о физиологических эффектах тяжелого труда и о возможностях их измерения.

  1. Характеристики тяжести труда.

 

  1. Энергетика физической работы.

Физическую активность организма можно характеризовать интенсивностью  энерговыделения EE (Energy Expenditure). В условиях умственного и физического покоя интенсивность основного (базального) метаболизма обусловлена постоянно активным состоянием, в котором находятся мозг, сердце, дыхательная мускулатура, печень и почки. Средняя ЕЕ у взрослого может быть принята равной 1800 ккал в сутки, что соответствует мощности ЕЕo  ≈ 90 Вт. В общем случае скорость полного энерговыделения ЕЕпол  за счет всех источников (химических процессов и мышечной деятельности) отличается от основного обмена на величину дополнительной энергии ЕЕдоп, связанной с мышечной деятельностью: ЕЕпол = ЕЕo + ЕЕдопЛишь некоторая часть энергии химических превращений используется на синтез АТФ и лишь часть энергии распада АТФ идет непосредственно на мышечное сокращение. Основная часть дополнительной энергии ЕЕдоп рассеивается в виде тепла. Механическая мощность, развиваемая мышцами ЕЕмех составляет долю η = ЕЕмех / ЕЕдоп , которую условно можно назвать «коэффициентом полезного  действия»  мышц. Величина η меняется от человека к человеку, зависит от общего состояния организма и вида механической работы. Для ходьбы и бега (с небольшой скоростью) η ≈ (20 – 30) % , для поднятия и переноса тяжестей η ≈ (10 – 15) %  При оценках можно принимать η = 20 %  [6]

Интерес гигиенистов к энергетике физической активности человека изначально был связан с определением комфортных микроклиматических условий на производстве [7]. Была введена категоризация работ на основе интенсивности энергозатрат организма. К категории I были отнесены работы с энерговыделением до 150 ккал/час (до 175 Вт). Это легкие работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой. Категория II – это работы с интенсивностью энергозатрат до 250 ккал/ч (до 290 Вт), связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением. Работы с интенсивностью энергозатрат более 250 ккал/ч (более 290 Вт), связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требующие больших физических усилий  относятся к категории III. Позже эта категоризация физической активности была перенесена в СанПиН [8].

  1. MET концепция.

 

В гигиенических исследованиях физическая активность измеряется в метаболических эквивалентах – специфических единицах МЕТ (Metabolic Equivalent of Task), которые являются физиологической мерой, выражающей энергетическую величину физической активности. Так как вначале эти исследования относились к теплообмену организма с окружающей средой, величина МЕТ определялась как скорость ЕЕ, отнесенная к площади поверхности тела человека. В дальнейшем, однако, с расширением области использования этих величин, ЕЕ стали относить к весу W тела. Так определенная величина позволяет точнее сопоставлять энергетические затраты для лиц разного веса. В качестве единицы MET вначале принимался уровень метаболизм покоя (спокойное сидение, сон) равный ≈ 0,9 ккал/час/кг. В настоящее время единица МЕТ округлена до 1 ккал/час/кг (≈ 1,16 Вт/кг). Тем самым MET можно рассматривать как отношение ЕЕ во время активной деятельности к ЕЕ в состоянии покоя.  Так как МЕТ и ЕЕ выражаются в различных единицах, для вычисления МЕТ через ЕЕ следует использовать соотношение

 

MET[ккал/кг/час] =1,163* EE[Ватт]/W[кг]                                       (1)

 

Здесь и ниже в квадратных скобках при обозначении переменных указываются единицы измерения этого параметра.

 

  1. Прямые калориметрические измерения.

Невозможно непосредственно определить обмен энергии в мышечных волокнах. Множество косвенных лабораторных методов позволяют определить интенсивность и расход энергии в покое и при выполнении физической нагрузки. Многие из этих методов применяются с начала прошлого века, другие лишь совсем недавно стали использоваться в исследованиях физиологии мышечной деятельности.

Первоначально определение общего расхода энергии за день осуществлялось на основании тщательной регистрации потребления пищи в течение нескольких дней, а также измерений изменений в составе тела за этот период. Этот метод, несмотря на широкое применение, был ограничен способностью человека вести точную регистрацию и точно определять расход энергии мышечной деятельности.

Как уже отмечалось, только 20 - 30 % энергии, высвобождающейся при метаболизме глюкозы и жиров, идет на образование АТФ. Остальные 80 - 70 % превращаются в тепло, поэтому интенсивность и количество освобождаемой энергии можно определить, измерив образующееся тепло. Этот метод называется прямой калориметрией. Калориметр представляет собой полностью изолированную камеру. Человек помещается в нее, регистрируется тепло, выделяемое его телом. Используя суммарные показатели, можно количественно оценить метаболизм. Преимуществом калориметров является то, что они непосредственно измеряют тепло. Однако, для получения достоверных результатов исследования должны проводиться в лаборатории и длиться довольно долго. Именно методами прямой калориметрии было установлено уравнение Харриса-Бенедикта, определяющее базальную скорость метаболизма (BMR[ккал/день]) в зависимости от пола, возраста Age[годы], веса W[кг] и роста H[см] человека.

Муж.

BMR = 88.362 + 13.397* W[кг] + 4.799* Н[см] - 5.677*Age[годы]

Жен.

BMR = 447.593 + 9.247* W[кг] + 3.098* Н[см] - 4.330*Age[годы]

Таблица 1

 

Хотя калориметр позволяет точно определить общий расход энергии, тем не менее он не дает возможности проследить за быстрыми изменениями в высвобождении энергии. Кроме того, такие исследования очень дороги.  Именно поэтому энергетический обмен во время интенсивной нагрузки нельзя изучать с помощью калориметра. Метод прямой калориметрии редко используется в современных исследованиях. К настоящему времени разработано множество косвенных лабораторных методов, которые  позволяют определить интенсивность и расход энергии в покое и при выполнении физической нагрузки.

 

  1. Непрямая калориметрия.

Скорость метаболизма определяется потреблением О2, образованием СО2 и воды. Интенсивность обмена О2 и СО2 в легких обычно равно тому их количеству, которое используется и выделяется тканями тела. Зная это, можно определить расход энергии, количество измерив состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Этот метод называется непрямой калориметрией, поскольку образование тепла измеряется косвенно, на основании дыхательного газообмена СО2 и О2.

Прибор для измерения скоростей образования СО2 и потребления О2 представляет собой маску, соединенную с газоанализатором. Несмотря на то, что он несколько громоздок и ограничивает движения, его можно использовать в различных условиях:  в лаборатории, на производстве и т.д.

Для приближенной оценки количества энергии, расходуемой организмом, достаточно определить скорость потребления кислорода. Однако, для более точной оценки необходимо знать, что именно используется в окислительных процессах в качестве субстратов: углеводы, жиры или белки. Содержание углерода и кислорода в глюкозе, свободных жирных кислотах и аминокислотах очень отличается. В результате этого количество кислорода, используемого в процессе метаболизма, зависит от окисляемого субстрата. Метод непрямой калориметрии позволяет определить относительное количество потребляемого кислорода (VO2) и выделяемого углекислого газа (VCO2). Соотношение этих двух величин называется дыхательным коэффициентом. Он изменяется в зависимости от субстрата, используемого для образования энергии, соответственно – дает возможность более точно оценивать интенсивность метаболизма.

Метод непрямой калориметрии не дает столь однозначных результатов, как прямая калориметрия. Измерения газообмена предполагают, что содержание О2 в организме остается постоянным и что обмен СО2 в легких пропорционален количеству его, выделяемому из клеток. Однако, депо СО2 в организме довольно большое,  оно меняется либо при изменении глубины дыхания, либо при повышении интенсивности ЕЕ. При таких условиях количество выдыхаемого СО2  может не соответствовать производимому в тканях. Таким образом, определение количества используемых углеводов и жиров на основании измерений газов можно считать достаточно надежным только в состоянии покоя или при выполнении упражнений постоянной интенсивности. Несмотря на определенные недостатки метода непрямой калориметрии, он остается лучшим способом определения расхода энергии в покое и при субмаксимальных нагрузках.

В настоящее время, определение энергозатрат в покое и во время физической нагрузки основывается на измерении потребления организмом кислорода и его калорического эквивалента. Если в покое человек потребляет 150-300 мл кислорода в минуту, то при тяжелой физической работе потребность в кислороде может возрасти в 10-15 раз. Калорический эквивалент равен  ≈ 4,80 ккал на литр потребляемого кислорода.

Это обстоятельство позволяет связать величину МЕТ со скоростью потребления кислорода. Единица метаболического эквивалента соответствует потреблению 3,5 мл кислорода в минуту на каждый килограмм веса. Скорость потребления кислорода обозначается как VO2 и измеряется в единицах л/мин.

Таким образом, величина МЕТ непосредственно связана с VO2 соотношением

МЕТ[ккал/кг/час]  = VO2[л/мин] /W[кг] /0,0035                               (2)

Выражение интенсивности физической работы в показателях потребления кислорода является не только точным, но и наиболее подходящим при обследовании как различных людей, так и одного и того же человека в разных условиях.

 

  1. Частота сердечных сокращений.

Развитие методов непрямой калориметрии, в частности – замена тепловых измерений на измерения потребления кислорода, привела к попыткам оценить интенсивность метаболизма через измерение частоты сердечного ритма HR (Heart Rate). Это наиболее просто регистрируемая и достаточно информативная характеристика работы сердечно-сосудистой системы. Измерение его включает определение пульса, обычно в области запястья или сонной артерии.

Средняя HR в покое составляет 60 - 80 ударов в минуту (далее – мин-1). У малоподвижных  людей среднего возраста  HR в покое может превышать 100 мин-1. У подготовленных спортсменов, занимающихся видами спорта, требующими проявления выносливости, HR в покое составляет 28 - 40 мин-1. HR обычно снижается с возрастом.

С началом выполнения работы  HR быстро возрастает пропорционально интенсивности нагрузки. Вначале HR увеличивается относительно быстро, пока не достигнет плато — устойчивой HR, оптимальной для удовлетворения потребностей кровообращения при данной интенсивности работы. При каждом последующем увеличении интенсивности ЧСС достигает нового устойчивого показателя в течение 1- 2 мин. Вместе с тем, чем выше интенсивность нагрузки, тем больше времени требуется для достижения этого показателя.

Понятие устойчивой HR – эффективный индикатор производительности сердца: более низкая HR свидетельствует о более производительном сердце. Когда работа выполняется с постоянной интенсивностью в течение продолжительного времени, особенно в условиях высокой температуры воздуха, HR повышается, вместо демонстрации устойчивого показателя. Эта реакция является частью феномена, который называется сердечно-сосудистым сдвигом.

HR увеличивается пропорционально возрастанию интенсивности физической нагрузки практически до момента крайнего утомления (изнурения). По мере приближения этого момента HR начинает стабилизироваться. Это означает, что достигнут максимальный уровень HR.

Максимальная частота сердечных сокращений – это максимальный показатель, достигаемый при максимальном усилии перед моментом крайней усталости. Это очень надежный показатель, который остается постоянным изо дня в день и изменяется только с возрастом. Максимальную HR можно определять, учитывая возраст, поскольку она снижается примерно на один удар в год, начиная с возраста 10 - 15 лет. Вычтя возраст (Age) из 220 мы получим приближенный средний показатель максимальной HR:

 

HRmax [мин-1] = 220 – Age[годы]                                                      (3)

Следует, однако, отметить, что индивидуальные показатели максимальной HR могут отличаться от полученного таким образом среднего показателя довольно значительно. Например, у 40-летнего человека средний показатель HRmax будет 180 мин-1. Однако из всех 40-летних людей 68 % будут иметь показатель HRmax в пределах 168 - 192 мин-1 (средний ± стандартное отклонение) , а у 95 % этот показатель будет колебаться в пределах 156 – 204 мин-1 (средний ± 2 стандартных отклонения). Этот пример демонстрирует возможность ошибки при оценке HRmax человека.

Интенсивность физической активности можно считать умеренной, если HR находится в диапазоне от 50 до 70% от HRmax (в зависимости от возраста человека). Например, для 50-летнего человека, по оценкам, HRmax оценивается величиной ≈ 170 мин-1. Уровни 50% и 70% будут 85 и 120 мин-1 соответственно. Таким образом, умеренная физическая активность человека в возрасте 50 лет приводит к сердцебиению с частотой от 85 до 120  мин-1. Высокая интенсивность физической активности соответствует HR в диапазоне от 70 до 85 % от максимальной.  Например, для 35-летнего человека, по оценкам, HRmax оценивается величиной ≈ 185 мин-1, а уровни 70 и 85 % от максимума будут равны 130 и 160 мин-1.  Далее начинается диапазон недопустимо высоких физических нагрузок.

Описанные особенности реакции HR на физическую нагрузку позволяют  количественно оценить ЕЕ через частоту сердцебиений,  ударный объем сердечного выброса и концентрацию кислорода в крови. Это дает надежный и сравнительно несложно измеряемый показатель тяжести физической нагрузки. Как отмечено выше (см. п. 1.4), об интенсивности физической нагрузки EE (или МЕТ) можно судить по потреблению кислорода VO2, поскольку эти два параметра взаимосвязаны. Это обстоятельство лежит в основе метода оценки ЕЕ (или МЕТ) по HR.

 

  1. Связь HR с ЕЕ и МЕТ.

 

Потребность в кислороде активных мышц резко возрастает во время физической нагрузки: используется больше питательных веществ; ускоряются метаболические процессы, поэтому возрастает количество продуктов распада. При продолжительной нагрузке, а также при выполнении физической нагрузки в условиях высокой температуры повышается температура тела. Во время нагрузки происходят многочисленные изменения в сердечно-сосудистой системе. Все они направлены на выполнение одной задачи: обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Меняются все компоненты системы [9].

Как уже отмечалось выше (см. п.1.4), уровень энергозатрат в покое и во время физической нагрузки однозначно связан со скоростью потребления кислорода (через  его калорический эквивалент). В свою очередь, для определения скорости, с которой кислород потребляется во время физической активности можно использовать закон диффузии Фика. Применительно к переносу кислорода в системе кровообращения он записывается в виде (см. напр. [10]):

 

VO2 = Q*(Са - Сv)                                                                   (4)

 

где  VO2 - объем потребляемого кислорода в единицу времени [мл/мин]; через Са и Cv обозначены артериальная и венозная концентрации кислорода [мл О2/мл крови]. Сердечный выброс Q [мл/мин] определяется как произведение двух компонентов – частоты сердечных сокращений HR [1/мин] на ударный объем SV [мл] одного сокращения:    

Q = HR*SV                                                                          (5)

 

Эти соотношения используются для вычисления объемной скорости потребления кислорода. 

На любое более-менее сложное явление оказывает влияние множество факторов. В статистике существует набор методов для анализа тесноты связи и меры воздействия различных факторов. Все многообразие реального факторного пространства (включая неизвестные факторы) мы заменяем искусственным пространством отобранных показателей для нашей математической модели, причем все показатели в модели математически и статистически независимы. Другими словами, все реальные факторы с их внутренней взаимосвязью проецируются на независимые показатели модели. Реальное пространство факторов "натягивается" на искусственную систему нескольких независимых координат. Один из результатов – разброс результирующих показателей. Хорошим примером  могут служить представленные на рис.1 данные [10] по  изменениям HR с уровнем потребления кислорода при физических нагрузках различного характера.

 

Рисунок 1. Экспериментально наблюдаемая связь частоты сердечных сокращений со скоростью потребления кислорода [11].

 

Разброс результатов уменьшается если учитывать как можно больше влияющих факторов. Из физиологических факторов представляются существенными: пол, возраст, физическая подготовка, характер питания, психоэмоциональное состояние. Из факторов внешней среды можно отметить: условия труда , сезонные и суточные ритмы, микроклиматические условия. Ясно, однако, что для набора статистически достоверных результатов при делении испытуемых по этим категориям, число участников испытаний должно быть нереально большим.  Практически во всех исследованиях ищется связь VO2 и HR вида

VO2 = K*HR + L                                                                      (6)

 

В литературе можно найти множество (см. напр. обзоры [12] и [13]) эмпирических зависимостей вида (6). Обычно коэффициент K предполагается постоянным, а величина L представляет собой взвешенную сумму возраста, веса, роста и других характеристик испытуемых. Пересчет скорости потребления кислорода  VO2 в принятые гигиенистами единицы MET позволяет оценить удельную выделяемую мощность по формуле (2).

Например, неплохие результаты дает формула (со слайда 22 для индонезийских мужчин):

МЕТ = (5,71*HR + 5,42*W– 10*Age – 334)/W                                        (7)

 

 

  1.   Предельные и граничные величины МЕТ.

Соотношения, подобные приведенному (6), полезны тем, что они дают физиологические основания для ограничений физической активности работника. Это следует из обсуждавшихся выше  ограничений на частоту сердечных сокращений. Подставляя в (7) вес работника W = 70 кг  и частоту  HRmax по формуле (3), получим максимальную мощность МЕТmax. В соответствии со сказанным выше, доля d от HRmax определяет умеренную (d < 0,7), допустимую (0,7 £ d £  0,85) и чрезмерную (d > 0,85) нагрузки.

Таблица 2

Граничные нагрузки (в единицах МЕТ)

для работников различного возраста

 

Возраст

METmax

d=0,7

d=0,85

20

14,1

9,2

11,7

25

13,0

8,2

10,6

30

11,9

7,2

9,5

35

10,7

6,2

8,5

40

9,6

5,2

7,4

45

8,5

4,2

6,4

50

7,4

3,2

5,3

55

6,3

2,2

4,2

 

 

Видно, что границы умеренных и допустимых нагрузок заметно снижаются с возрастом. Для возрастных групп 20 – 25 лет нагрузки до  МЕТ = 10 могут считаться умеренными и допустимыми. Ниже (см. п.2.1) приведены нагрузки, характерные для различных работ и профессий. Согласно табл.4 нагрузки MET ≈ 10 характерны для лесорубов, землекопов и для ручного подъема тяжелых предметов. Для  возрастных групп 50 – 55 лет нагрузка в МЕТ = 4 уже близка к чрезмерной. Согласно табл.4 это может быть быстрая ходьба, перенос не очень тяжелых предметов и пр. Для работников с большим весом оценки соответствующих МЕТ снижаются.

 

  1. Варианты современного нормирования  тяжести труда.

 

  1. Compendium of Physical Activities

Любые исследования последствий тяжелого труда требуют его систематизации, в том числе и по показателям физической нагрузки  – например, по ЕЕ или МЕТ.  В 1987 – 89 годах National Heart, Lung, and Blood Institute (США) организовал разработку  перечня видов физической активности (далее – ФА) с указанием характерных для них уровней энергозатрат (в единицах МЕТ). Целью разработки  было обеспечение сопоставимости результатов различных (в том числе и эпидемиологических) исследований ФА.

Первая публикация Сборника состоялась в 1993 г. [14] . В нем содержалась схема пятизначного кодирования,  связывающая категории и типы ФА с соответствующими значениями интенсивности МЕТ. Классификация ФА представляет собой иерархическую структуру, подробно обсуждавшуюся в [15].  Сборник получил широкое признание в качестве ресурса для оценки и классификации затрат энергии человеком. Он используется во всем мире при осуществлении надзорной деятельности, научных исследований, а также в клинических условиях, для количественной оценки энергетических затрат у взрослых и чтобы составить рекомендации по уровням ФA. Сборник несколько раз перерабатывался и переиздавался. Последнее по времени издание Сборника  [16] было в 2011 году. Это издание содержит 821 кодов для конкретных видов  ФА с указанием измеренных для них МЕТ. Верхний уровень классификационной иерархии Сборника приведен в табл. 3

Таблица 3

Основные виды ФА, вошедшие в Сборник 2011

Основные виды ФА

1

Езда на велосипеде

2

Упражнения на открытом воздухе

3

Танцы

4

Рыбная ловля и охота

5

Домашняя работа

6

Ремонт дома

7

Пассивное времяпровождение

8

Работа на лужайке и в саду

9

Разное

10

Исполнение музыкальных произведений

11

Профессиональная деятельность

12

Бег

13

Самообслуживание

14

Сексуальная активность

15

Спорт

16

Транспорт

17

Прогулки

18

Водные виды спорта

19

Зимние мероприятия

20

Религиозная деятельность

21

Добровольческая деятельность

 

 

Для целей настоящей работы представляет интерес раздел 11 «Профессиональная деятельность». В нем представлены 120 профессий и работ, требующих существенных затрат  энергии, начиная от печатания документов на компьютере  и легкой работы по дому (МЕТ = 1,3) и кончая профессией лесоруба  (МЕТ = 17,5). В качестве примера, в табл.4 приведены расходы энергии для некоторых видов (наиболее тяжелых) профессиональной деятельности.

 

 

 

Таблица 4

Расход энергии при различных видах ФА

Код

MET

Вид ФА

11250

17,5

Лесоруб, рубящий, очень быстро, топор 1,25 кг, 51 ударов / мин, чрезвычайно энергичные усилия

 

11550

8,8

Землекоп с лопатой, более 6,4 кг / минуту, глубоко рытье, энергичные усилия

 

11850

8,5

Перенос предметов  по лестнице или удержание их стоя, предметы от 40 кг или более

 

11262

8,0

Лесоруб, рубящий быстро, топор 1,25 кг, 35 ударов / мин, энергичные усилия

 

11540

7,8

Землекоп, рытье канав лопатой

 

11840

7,5

Перенос предметов  по лестнице или удержание их стоя, объекты от 30 до 40 кг

 

11570

6,5

Землекоп с лопатой, от 4 до 6 кг / мин, энергичные усилия

 

11830

6,5

Перенос предметов  по лестнице или удержание их стоя, объекты  от 20 до 30 кг

 

11110

6,3

Добыча угля, лопатой

 

11560

5,0

Землекоп с лопатой, менее чем 4 кг / мин, умеренное усилие

 

11800

4,5

Перенос предметов, 4,8 км / ч, легкие объекты (менее чем 10 кг)

 

11793

4,3

Ходьба со скоростью 5,5 км/час, при исполнении служебных обязанностей, ничего не перенося

 

11797

3,8

Ходьба со скоростью  4 км / ч, переноска не тяжелых предметов (не более чем 10 кг)

 

 
 

Согласно приведенным в этой таблице данным, после лесоруба наибольшая тяжесть труда у землекопов и в других профессиях, где используются лопаты, например, в шахтах. Величины энергозатрат могут быть весьма значительными. Например, работа с МЕТ = 17,5 требует (от работника весом 80 кг) мощности  ≈ 1,6 кВт . Для менее энергичной работы с МЕТ = 8 соответствующая мощность равна ≈ 742 Вт. Наконец, для работ из нижних строк табл.1  с МЕТ = 4 (напр. переноска легких предметов) получим мощность ≈ 370 Вт. Следует отметить, что здесь речь идет об общих энерготратах. Чисто механическая мощность гораздо меньше (см. выше п. 1.1). У лесоруба это ≈ 300 Вт, при переноске легких предметов развивается механическая мощность ≈ 60 Вт. Тем не менее, согласно предложенной в документах [7] и [8]  категоризации тяжести работ, все работы, перечисленные в табл. 4,  относятся к тяжелым –  III категории.  

В США рекомендации по ограничениям ФА занимается, например, Управление по профилактике заболеваний и укреплению здоровья (The Office of Disease Prevention and Health Promotion). Это Управление периодически издает справочники [17]  с рекомендациями как по умеренной интенсивности ФА, приносящей существенную пользу для здоровья, так и по ограничениям ФА, предотвращающим возможный вред здоровью от переутомления. Здесь тоже три градации:

• Легкая интенсивность определяется как 1,1 < МЕТ < 2,9.

• Умеренная интенсивность: 3,0 < МЕТ < 5,9. Это может быть, например,  прогулка со скоростью ≈ 5 км/час (МЕТ ≈ 4,3).

• Большая интенсивность: МЕТ > 6 . Например, бег со скоростью ≈ 10 км/час .

Как видно, эти рекомендации существенно отличаются от категоризации, предложенной в [7] и [8]. Следует отметить, что и отечественные категории тяжести труда и рекомендации [17]  не являются нормами в смысле каких-либо ограничений или запретов. Это, скорее, некоторая информация для принятия решений. 

 

  1. Рекомендации NIOSH

Профессиональные расстройства опорно-двигательного аппарата – мышц, сухожилий, суставов, хрящей, верхних и нижних конечностей, шеи и поясницы – достаточно уверенно связывают с тяжелым физическим трудом. До начала 80-х годов прошлого века профилактика таких расстройств сводилась к рекомендациям «при подъеме тяжестей нагрузка на ноги, а не на спину», «держать спину прямой» и т.п. В 1981 г. в США  Национальный институт по охране труда и промышленной гигиене (NIOSH) выпустил Практическое руководство по ручному подъему (Work Practices Guide for Manual Lifting), содержащее  рекомендации по ограничению веса перемещаемого вручную груза. В дальнейшем NIOSH неоднократно созвал специальный комитет экспертов по пересмотру и расширению Руководства NIOSH [18]. Последнее издание относится к 2011 г. [19] .

В настоящее время оно представляет собой комплексную эргономическую оценку тяжести ручного труда на основе конвергенции медицинских, научных и инженерных точек зрения. Целью Руководства является конкретизация определений безопасного (связанного с приемлемым риском) и опасного (приводящего к неприемлемому риску) ручного труда.

Концептуальной основой предлагаемых NIOSH  оценок является формула для определения допустимого веса перемещаемого вручную груза. Отправной точкой расчета является величина LC (Load Constant )  23 кг, которая представляет собой рекомендованный максимальный вес груза для подъема в идеальных условиях. Влияние условий работы задается коэффициентами, которые служат для уменьшения нагрузки LC до величины RWL (recommended weight limit).

 

RWL =  LC*HM*VM*DM*AM*FM*CM                                                    (8)

Здесь все сомножители меньше единицы, они отражают влияние:

HM - горизонтального расположения объекта по отношению к телу

VM - вертикального расположения объекта по отношению к полу

DM - расстояния, на которое объект перемещается по вертикали

AM - асимметрии или угла на который требуется развернуться

FM - частоты и продолжительности активных подъемов

CM - сцепления или качества захвата объекта

Каждый из этих сомножителей рассчитывается по специальным формулам, учитывающим конкретные параметры выполняемой задачи. Например,  HM = 25/H, где Н[см]  – расстояние от оси тела до переносимого груза; VM = 1- 0,003|V-75|, где V[cm] – высота груза над полом;  DM= 0,82 + 4,5/D, где D[см] -  высота подъема груза (от начальной точки до конечной); АМ = 1- 0,0032A, где A – угол (в градусах), на который необходимо развернутся для того, чтобы переместить груз в нужное место. Последние два сомножителя FM и СМ определяются таблично.

Отношение реального веса W переносимого груза к рекомендуемому RWL обозначается как LI (Lifting Index) и определяет риск развития профессионального расстройства опорно-двигательного аппарата [19]. Если LI < 1  риск считается приемлемым, при 1 < LI < 3 риск высок, при  LI > 3 труд связан с неприемлемым риском. 

Отдельные коэффициенты, определяющие RWL,  могут быть использованы для выявления конкретных недостатков и прогнозирования результатов работы по улучшению условий труда. Тем самым, с помощью Руководства NIOSH, можно оценить риск  производственных задач, связанных с подъемом и перемещением грузов,  а затем реализовать разумные меры для управления этими рисками.

  1. Методика СОУТ

 

В нашей стране последним по времени принятия документом, содержащим нормы тяжести труда, является Методика выполнения СОУТ [4] . Тяжесть труда определяется через эргометрические показатели:  

  • физическую динамическую нагрузку,
  • массу поднимаемого и перемещаемого груза,
  • общее число стереотипных рабочих движений,
  • величину  статической нагрузки,
  • характер рабочей позы,
  • глубину и частоту наклона корпуса,
  • перемещения в пространстве.

Обращает на себя внимание, что в отличие от Рекомендаций NIOSH, в Методике [4] не учитываются такие важные факторы, как удобство захвата и угол разворота при подъеме или опускании груза (коэффициенты СМ и АМ в формуле  NIOSH). Не принимается во внимание возраст, вес работника, его психосоматическое состояние. .

Отнесение тяжести труда к определенному КУТ производится раздельно по каждому из перечисленных показателей. Результат устанавливается по показателю тяжести трудового процесса, имеющему наиболее высокий КУТ. Последнее обстоятельство исключает из рассмотрения реально важные синергетические эффекты. Это же относится к внешним условиям труда: из рассмотрения исключены микроклиматические параметры, шум и вибрации на рабочих местах и пр.

Вполне возможна ситуация, когда суммарная оценка тяжести труда будет производиться только по одному (самому высокому) показателю. Несмотря на то, что совокупная роль  остальных показателей может быть существенна для характеристики тяжести труда, они исключаются из рассмотрения, если не превышают допустимых уровней. Более того, тяжесть труда может быть оценена по-разному даже для одного и того же показателя. Например, условия труда по тяжести поднятия и перемещения груза вручную можно оценить различно, если использовать одну и ту же Табл.2 (Прил. № 20) Методики. Подъем и перемещение груза более 20 кг постоянно в течение рабочего дня (более 2 раз в час) приводит к оценке КУТ 3.2. Но, если подъемы производятся с рабочей поверхности и их не более 43 в час, то такой труд допустим (КУТ2), т.к. суммарная масса грузов, перемещаемых в течение каждого часа рабочего дня (смены) с рабочей поверхности не превосходит  870 кг. Перемещения работника по вертикали и горизонтали оценивается безотносительно к тому – переносит он груз или нет. Более того, использующееся в Методике понятие «работа» в строгом (физическом) смысле работой не является.

Отмеченные и подобные им пробелы и противоречия в Методике [4] важны, прежде всего, с точки зрения оценки риска нанесения ущерба здоровью работника. Есть, однако, еще один важный момент. Правильная идентификация ВПФ и оценка их роли в ухудшении условий труда позволяют определить оптимальные пути решения проблемы. В этом отношении сомножители в формуле NIOSH имеют определенный рекомендательный смысл: влияние каждого фактора оценивается количественно и если правильная организация рабочего места приводит к увеличению соответствующего сомножителя, эффект (уменьшение опасности перенапряжения) имеет ясное количественное выражение. Относительно Методики [4] этого сказать нельзя, именно потому, что она не учитывает синергетические эффекты (на результат влияет только ВПФ с самой большой вредностью) и допускает неоднозначность оценки роли одного и того же фактора.  

Заключение.

Несмотря на высокую распространенность профессиональных заболеваний опорно-двигательного аппарата, связанных с физическим перенапряжением, вопросам нормирования тяжести труда в нашей стране уделяется явно недостаточное внимание.

Неопределенность, противоречивость и сложность использующихся при оценках тяжести труда понятий привели к таким же результатам оценки риска нанесения ущерба здоровью работника.  Это обстоятельство чревато очень неприятными последствиями. В частности, ослаблением стимулов к надлежащей организации работ по охране труда  и технике безопасности на производственных предприятиях. Только правильная идентификация вредных производственных факторов и оценка их роли в ухудшении условий труда позволяют определить оптимальные пути решения этих проблем.

В работе рассмотрены возможности оценки и измерения тяжести труда в свете современных представлений о физиологических эффектах физического перенапряжения.

Физическую активность организма можно характеризовать интенсивностью  энерговыделения EE. Суммарное ЕЕ делится на интенсивность основного (базального) энерговыделения и дополнительного, обусловленного мышечной деятельностью. Изначально категоризация работ на основе интенсивности энергозатрат организма (три категории) была связана с определением комфортных микроклиматических условий на производстве. 

В гигиенических исследованиях используются  специфические единицы МЕТ, которые являются физиологической мерой, выражающей энергетическую величину физической активности, отнесенную к весу тела человека.

Существет ряд лабораторных методов, которые позволяют определить интенсивность расхода энергии в покое и при выполнении физической нагрузки. Количество и интенсивность высвобождения энергии можно определить, измерив образующееся тепло. Этот метод называется прямой калориметрией. Преимуществом его является то, что в нем непосредственно измеряется тепло. Метод прямой калориметрии, однако, редко используется в современных исследованиях так как он не дает возможности проследить за быстрыми изменениями в высвобождении энергии. В настоящее время для определения интенсивности и расхода энергии в покое и при выполнении физической нагрузки используются косвенные лабораторные методы.

Скорость метаболизма в мышечных волокнах определяется потреблением О2, образованием СО2 и воды. Интенсивность обмена О2 и СО2 в легких близка к тому их количеству, которое используется и выделяется тканями тела. Это дает возможность определить расход энергии, количественно измерив состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Этот метод называется непрямой калориметрией. Он не дает столь однозначных результатов, как прямая калориметрия, тем не менее, определение энергозатрат в покое и во время физической нагрузки при измерении потребления организмом кислорода дает возможность связать величину МЕТ со скоростью потребления кислорода.

Замена тепловых измерений на измерения потребления кислорода, привела к попыткам оценить интенсивность метаболизма через измерение частоты сердечного ритма HR. Это наиболее просто регистрируемая и достаточно информативная характеристика работы сердечно-сосудистой системы. Базальный уровень HR обычно находится в пределах 40 – 80 ударов в минуту. Он  увеличивается пропорционально возрастанию интенсивности физической нагрузки, пока не достигнет плато — устойчивой HR, оптимальной для удовлетворения потребностей кровообращения при данной интенсивности работы. Это дает надежный и сравнительно несложно измеряемый показатель тяжести физической нагрузки.

Помимо мониторинга интенсивности и расхода энергии, частоту сердечного ритма можно использовать для обоснования нормирования уровней ЕЕ. Рост HR с ростом ЕЕ происходит до момента наступления крайнего утомления (изнурения). Задавая измеренную  величину HR в процентах от максимальной, можно оценить реальную ЕЕ (или МЕТ) как умеренную (до 70 %), высокую (до 85 %) и недопустимую (выше 85 %). 

Перечень конкретных видов физической активности (в том числе и профессиональной деятельности) с указанием характерной величины метаболического эквивалента был разработан в 80-х годах прошлого века. Целью разработки  было обеспечение сопоставимости результатов различных исследований. Перечень несколько раз перерабатывался и переиздавался. Он используется во всем мире при осуществлении надзорной деятельности, научных исследований, а также в клинических условиях, для количественной оценки энергетических затрат у взрослых.

Другой подход в США к оценке тяжести труда использовал Национальный институт по охране труда и промышленной гигиене (NIOSH). В изданном в 1981 г. Руководстве содержатся  рекомендации по ограничению веса перемещаемого вручную груза. Этот документ также неоднократно пересматривался и расширялся. В настоящее время Руководство представляет собой комплексную эргономическую оценку тяжести ручного труда на основе конвергенции медицинских, научных и инженерных точек зрения. Целью Руководства является количественное определение безопасного (связанного с приемлемым риском) и опасного (приводящего к неприемлемому риску) ручного труда.

В нашей стране последним по времени принятия документом, содержащим нормы тяжести труда, является Методика выполнения СОУТ. Тяжесть труда определяется через эргометрические показатели (физическую динамическую и статическую нагрузку, массу поднимаемого и перемещаемого груза, общее число стереотипных рабочих движений, характер рабочей позы, глубину и частоту наклона корпуса).  Подход отличается от использующегося в Руководстве NIOSH, не только по составу эргометрических показателей, но и исключением из рассмотрения реально важных синергетических эффектов.

Как в Руководстве, так и в Методике не рассматривается роль внешних условий труда (микроклиматические параметры, шум и вибрации на рабочих местах и пр.).

Описанные выше физиологические эффекты физического перенапряжения позволяют избежать неопределенность, противоречивость и сложность нынешних подходов к нормированию тяжести труда.

 

 

 

Литература:

  1. Овсянкин А.Д., Файнбург Г.З.  Охрана труда (8-е изд., перераб. и доп.) - Владивосток: ФГОУ ВПО ПИГМУ, 2007. –  449 с.
  2.  Санитарные правили и нормы «Гигиенические требования к условиям труда женщин» СанПиН 2.2.0.555-96.
  3.  Руководство «Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса» Р 2.2.755-99.
  4. Методика проведения специальной оценки условий труда. Приложение №1 к приказу Минтруда России от 24.01. 2014 г. № 33н.
  5. Санитарные правили и нормы «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» СанПиН 2.2.4.3359-16.
  6. Тимофеева Е.И., Федорович Г.В. Экологический мониторинг параметров микроклимата. М., НТМ-Защита, 2007, 212 с.
  7. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».
  8. Санитарные правили и нормы «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» СанПиН 2.2.4.548—96.
  9. Z.Yua, E.Volgyb, R.Wanga et al.  Comparison of heart rate monitoring with indirect calorimetry for energy expenditure evaluation  // Journal of Sport and Health Science 2012, 1(3): p. 178–183
  10. Ivanova R., Simeonov G.   A formula for the oxygen uptake of thin tissue slice in terms of its surface oxygen tension   Computers & Mathematics with Applications Volume 64, Issue 3, August 2012, Pages 322–336  Mathematical Methods and Models in Biosciences
  11. Bot S.D., Hollander A.P.The relationship between heart rate and oxygen uptake during non-steady state exercise. // Ergonomics. 2000 Oct;43(10): p. 1578-92.
  12. Achten J. and Jeukendrup A.E. Heart Rate Monitoring Applications and Limitations // Sports Med 2003; 33 (7): p.517-538.
  13. Fumiharu TOGO  and Masaya TAKAHASHI Heart Rate Variability in Occupational Health // Industrial Health 2009, 47: p. 589–602
  14. Ainsworth B.E, Haskell W.L., Leon A.S. et al. Compendium of Physical Activities: Classification of energy costs of human physical activities // Medicine & Science in Sports & Exercise. 1993, 25 (1): p. 71–80.
  15. Федорович Г.В. Опасность травмирования как часть СОУТ // БиОТ, №2,С.59-66.
  16. Ainsworth B.E., Haskell W.L., Herrmann S.D. et al. 2011 Compendium of Physical Activities: a second update of codes and MET values // Med.Sci.Sports Exerc., 2011, 43(8) : p. 1575-81.
  17. Physical Activity Guidelines for Americans.

Интернет-ресурс  https://health.gov/paguidelines/guidelines/

18. Waters Т.R., Putz-Anderson V., Arun Garg А.  Applications Manual for the Revised  NIOSH Lifting Equations 

19. Waters T.R., Ming-Lun Lu, Piacitelli L.A. et al. Efficacy of the Revised NIOSH Lifting Equation to Predict Risk of Low Back Pain Due to Manual Lifting. Expanded Cross-Sectional Analysis // J. Occ.& Env. Medicine: 2011, 53 (9) p.1061-1067.