Poznatky o kosterně svalovém ústrojí a jejich promítnutí do pracovních procesů člověka

1 Mechanismus vzniku svalové síly

Kosterní svaly jsou tvořeny různě dlouhými svalovými vlákny (délka mezi 0,5 až 20 cm) o tloušťce 50 až 100 mikrometrů i více. Každé svalové vlákno tvoří mnoho svalových vlákének tlustších a tenčích paralelně vzájemně uložených tak, že se tenčí (vlákna aktinu) mohou zasouvat mezi tlustší (vlákna myosinu).

Při stahu svalu (vyvolaný motorickým nervem) se svalové vlákno zkrátí a současně zvětší svůj příčný rozměr. Tímto zasouvacím mechanismem vzniká mechanická síla svalu, která je úměrná jeho průřezu. Vznik svalové síly je znázorněn na obr. 2.

Obr. 2 Princip vzniku svalové síly.

2 Aktivní činnost svalu podle druhu jeho kontrakce

Síla svalováje definována jako síla, kterou jsou stahovány k sobě dva protilehlé konce svalu, která může vznikat dvojím způsobem - činností izometrickou (sval se nezkracuje) nebo izotonickou (sval se zkracuje).

Aktivní činnost svalů se obvykle posuzuje podle dvou druhů kontrakcí (stahování svalů).

2.1 Izometrická (statická) kontrakce - je svalová činnost, při které se nevykonává pohyb a vzdálenost začátků od úponů svalu se nemění. Při této činnosti se nemění délka svalu, ale mění se napětí. Že sval je v akci vidíme ze ztvrdnutí svalového bříška.

Při izometrické činnosti se ve svalstvu uvolňuje veškerá energie ve formě tepla.

2.2 Izotonická (dynamická) kontrakce - je svalová činnost, při které se mění vzdálenost začátků a úponů svalu a napětí ve svalu je přibližně během celé činnosti stejné nebo se výrazně mění. Sval se tedy zkracuje a koná vnější práci.

Podle změny délky svalu rozeznáváme koncentrickou (zkrácení svalu) a excentrickou (natažení svalu) kontrakci. Koncentrická kontrakce vyvolává zrychlení pohybu (akceleraci), zatímco excentrická zpomalení pohybu (deceleraci).

Při svalové činnosti se část energie mění v užitečnou mechanickou práci a zbytek v teplo (ztráty).

Je-li aktivní činnost svalu na delší dobu omezena (fixací po úrazu apod.) je svalová tkáň nahrazena vazivem. Tato biologická změna ve svalu způsobuje ztrátu jeho původní plné protažitelnosti. K obnově normální pohyblivosti to pak předpokládá soustavné procvičování. Tento poznatek svědčí o tom, že do jisté míry je možno efektivně ovlivňovat délku masité i šlašité části svalu.

Šlachy a vazy (obepínající kloubní spojení kostí) slouží především k přenášení svalové síly na kosti nebo ke zpevňování kloubních spojení či vymezování jejich pohyblivosti v limitních pozicích. Třeba ještě připomenout, že každý pohyb je zabezpečen ne jedním, ale několika svaly. Proto analýza i jednoduchých pohybů je složitá.

Sílu svalu není možno naměřit na živém organismu, vzhledem k uvedené definici. Víme však, že při stahu sval vyvíjí sílu, která je úměrná jeho průřezu. Pro výpočet fyziologického průřezu svalu se používá Weberova vzorce: T = P/L, kde P je hmotnost svalu, L střední délka svalových vláken.

Maximální síla svalu: 70 až 120 N na jeden centimetr čtvereční průřezu svalu.

Síla svalu závisí na množství aktivovaných svalových vláken. Čím je sval tlustší, tím větší sílu může vyvinout, Na začátku stahu je síla stahu největší, během stahu ji ubývá. Svaly nerozcvičené, prochladlé nebo unavené mohou vyvinout jenom malou sílu.

3 Základní údaje o lidské síle při organizaci fyzické práce

• nepřetržitě lze pracovat silou, která se rovná až do 15 % maximální fyzické síly,
• ovládací síly stálé, větší než 150 N pro ruce a 250 N pro nohy jsou únavné,
• největší síla vstoje se vyvine tahem k tělu, tah je účinnější než tlak,
• tah je účinnější z polohy vsedě než z polohy vstoje,
• okamžitá max. síla v tahu vsedě může být až 1 100 N, průměrná síla v tahu vsedě bývá asi 300 až 550 N,
• vsedě je tlak natahující se paže účinnější než tah (ovlivňuje to zapojení ramene při tlaku),
• větší síly v tlaku a tahu se dosáhne s paží v lokti ohnutou v úhlu mezi 900 až 1600, než s paží nataženou.
• při otáčení ruky dovnitř se vyvine větší síla než při otáčení z polohy ruky vytočené ven,
• při pracovním úsilí asi do 50 N by měl pracující sedět, při úsilí nad 100 N by se neměla vykonávat práce vsedě.
• maximální síla žen představuje asi 60-70 % síly mužů.

4 Energetické závislosti při pracovní zátěži svalu

Při práci se může ve svalech uvolnit určité množství energie z ATP (štěpením kyseliny adenositrifosforečné) při nedostačujícím přívodu kyslíku (anaerobně). Vznikne tím "kyslíkový dluh". Ten je vyrovnán kyslíkem z krevního oběhu (aerobně) ještě v průběhu určitého časového intervalu po skončení vlastní pracovní činnosti.

Průběh energetických přeměn při práci může mít dvě odlišné charakteristické podoby, uváděné na obr. 3.

Obr. 3: Schéma spotřeby a příjmu kyslíku ve svalech při:

1. lehké práci (vyrovnaná bilance),
2. těžké práci (celý na kyslíkový dluh)

Legenda k obrázku:

1. - potřeba kyslík
2. - příjem kyslíku
3. - kyslíkový dluh
4. - úhrada kyslíkového dluhu,
5. - čas práce,
6. - čas odpočinku
7. - fáze anaerobní
8. - fáze aerobní.

Je-li spotřeba energie při práci svalů menší, odpovídající lehké až středně těžké práci (obr. 3a), než umožňuje přívod kyslíku krevním oběhem, vzniká na počátku práce relativně malý kyslíkový dluh (viz 3) (v důsledku prodlevy, než krevní oběh a dýchání na pracovní činnost zareagují). Brzy se však během práce ustálí rovnováha mezi přívodem kyslíku a jeho spotřebou ve svalech. To znamená, že je průběžně uvolňována potřebná energie a ve svalech se nehromadí okysličené škodlivé produkty. Práce může být proto vykonávána prakticky nepřetržitě a dlouhodobě. Po jejím skončení se poměrně rychle kyslíkový dluh vyrovnává (viz 4), také dýchání a činnost krevního oběhu se zpomaluje až na klidový stav. Je to tzv. doba zotavení neboli čas na oddech.

Jestliže spotřeba energie pro okamžitý pracovní výkon (obr. 3 b, charakter velmi těžké práce) je vyšší, než odpovídá možnosti přívodu kyslíku do svalstva, uvolňuje se zbytková energie ze svalu bez účasti kyslíku na kyslíkový dluh, který narůstá. Taková práce nemůže být vykonávána dlouhodobě. Jakmile kyslíkový dluh dosáhne určité hranice (fyziologické omezení pracovního výkonu), práce musí být přerušena a kyslíkový dluh (4) vyrovnán (aerobně) odpočinkem. V porovnání s předchozím případem je doba na zotavení svalstva podstatně delší.

5 Kosterní svalstvo v pojetí legislativy a norem

Při oceňování možností, schopností a omezení práce kosterního svalu je kritériem fyzická zátěž. Z hlediska legislativního ošetření svalové zátěže jsou v nařízení vlády č. 361/2007 Sb. ve znění pozdějších změn uváděny definované pojmy a přípustné hygienické limity svalových sil (v % F_max) vztažené na úkony vykonávané během pracovní směny.

Definované pojmy:

1. Za celkovou fyzickou zátěž se považuje zátěž dynamické fyzické práce vykonávané velkými svalovými skupinami, při které je zatěžováno více než 50 % svalové hmoty.
2. Úkony vykonávané s převahou statické složky pracovní zátěže:
   Jde o úkony, při kterých jsou svaly ruky a předloktí v izometrické kontrakci, delší než 3 sekundy.
3. Překračované limity svalové síly, vynakládané velkými svalovými skupinami, jsou:
   1. při práci dynamické nad 55 % F_max.
      Síly nad 75 % F_max, jako pravidelná součást výkonu práce, se nesmí vyskytovat.
   2. při práci statické nad 45 % F_max.
4. Limity svalových sil, v celosměnovém časově váženém průměru, nepřesahují:
   1. při převaze dynamické složky práce hodnoty 30 % F_max.
   2. při převaze statické složky práce hodnoty 10 % F_max.
5. Pro svalovou sílu s převahou dynamické složky v rozmezí 55 až 70 % F_max je limitovaný počet vynakládaných svalových sil 600krát za průměrnou směnu, při použití frekvencí měření vynakládaných svalových sil jedenkrát za sekundu.
6. Přípustné limity pro průměrné minutové počty pohybů drobných svalů ruky a prstů při průměrné směnové hodnotě vynakládaných svalových sil 3 % F_max je 110 pohybů za minutu a pro 6 % F_max je 90 pohybů za minutu.
7. Pro malé svalové skupiny (ruky a předloktí) je četnost jejich pohybů ve směně limitovaná podle tabulky, kde měřenými parametry jsou svalové síly (v % F_max), průměrný počet pohybů a průměrný minutový počet pohybů. Např. pro: 7 % F_max ; počet pohybů 27 600; minutový počet pohybů 58

Za pohyb se považuje okamžik, kdy hodnocená část těla změní směr nebo dochází ke změně zrychlení.

6 Popis účinků svalové síly při vlastní práci

Síla, kterou sval může vyvinout a pro vlastní práci využita, závisí na řadě faktorů. Mezi nejdůležitější se řadí: a) počet svalových vláken, b) stupeň natažení svalu, c) úhel, který sval svírá s kostí, jež pohyb vyvolává, d) poměr délky ramene síly k ramenu břemene.

1. Čím větší počet svalových vláken sval tvoří, tím větší sílu sval může vyvinout. Odstupňování síly stahu je uskutečňováno různým počtem aktivních svalových vláken.
2. Síla svalová není stejná v celém průběhu pohybu. Při určitém protažení svalu je největší a při postupném zkracování se zmenšuje. Proto také většina pohybů, při nichž záleží na síle, se děje z určitého rozmáchnutí, tj. protažení příslušných svalů. Jindy je sval protažen reflexně (bez našeho vědomí) činností antagonistických svalů.
3. Největší sílu pro vlastní pohyb může sval uplatnit v té fázi, kdy svírá s pohybujícím se článkem (paže a předloktí) úhel pravý. Čím je tento úhel větší nebo menší, tím je otáčivá (rotační) složka síly menší.
4. Čím dále je úpon od bodu otáčení, tj. čím delší je rameno síly, tím menší síly svalové je třeba k tomu, aby sval udržel břemeno.

7 Profesionální onemocnění svalstva

Jde o nemoci, týkající se zejména zánětu šlach, šlachových pochev, úponů a kloubů, svalové dystrofie (zpravidla degenerativní ochabnutí svalu), atrofie (slábnutí v důsledku nepracujícího svalu). Nejčastěji dochází k namožení, natažení nebo natržení svalu.

Svalová onemocnění jsou vyvolána dlouhodobou, nadměrnou a jednostrannou zátěží končetin. Pro potvrzení dlouhodobosti musí být především vyloučen úrazový děj. Nadměrnost se hodnotí podle procenta vynakládané svalové síly ze síly, kterou dokáže příslušnými svalovými skupinami maximálně vyvinout (F_max). Kritérium jednostrannosti je splněno, když jsou při práci zatěžovány stejné svalové skupiny déle než po 50 % doby pracovní směny.

8 Metodika hodnocení rizika svalové zátěže v normativech

Při manipulaci s předměty, obsluze technického (strojních) zařízení apod., může vést k riziku poškození zdraví pracovníka, zejména v případech, kdy jsou překračovány přípustné limity zátěže kosterně svalového ústrojí, uváděné např. v hodnotách % F_max nebo v kilogramech. Za tímto účelem byly vybrány dva typické příklady v aplikaci ergonomické normy ČSN EN 10005-3+A1, zohledňující doporučené vynakládané síly a mezní síly při fyzické zátěži kosterně svalového ústrojí.

8.1 Metoda postupu pro posuzování rizika vynakládaných sil

Doporučené vynakládané síly, stanovené normativně, jsou použitelné u většiny mužů a žen všeobecné populace za předpokladu optimální pracovní polohy a za ideálních okolností. Pro profesionální uživatele se doporučuje aby, odpovídaly vynakládané síle 15. percentilu celkové dospělé populace, tj. mužů a žen ve věku mezi 20 roky a 65 roky. Síly, určené k domácímu používání (obsluze domácích spotřebičů), mají odpovídat 1. percentilu stejné dospělé populace.

Postup pro posuzování rizika vynakládaných sil předpokládaných uživatelů je tvořen třemi kroky:

• Krok A - Stanovení maximální izometrické síly (F_B) vynakládané na relevantní činnosti určité předpokládané uživatelské populace (F_max = F_B).
• Krok B- Redukce maximální izometrické síly, s ohledem na podmínky, za nichž má síla působit, tj. rychlost, frekvence a trvání činnosti.
• Krok C- Posouzení přípustnosti rizika síly spojené s předpokládaným používáním techniky (strojního zařízení) s využitím rizikových násobků (činitelů) snižujících maximální sílu z kroku B.

Podklady pro výpočty přípustnosti rizika síly po krocích.

Podle kroku - A

Tabulka 1. Maximální izometrická síla F_B pro profesionální a domácí použití

Podle kroku - B

Tabulky 2 až 4 pro redukované výpočty

Výpočet snížené vynakládané síly - F_Br (N)

F_Br = F_B x m_v x m_f x m_d
kde:
F_B je maximální izometrická síla;
m_v činitel rychlosti;
m_f činitel frekvence;
m_d činitel doby trvání.

• Podle kroku - C

Zhodnocení přípustnosti a rizika síly

Hodnota F_Br ukazuje nejvyšší možnou mez vynaložené síly. Zdravotní rizika však vznikají již pod touto mezí. Použitím činitele m_r je vzata v úvahu zátěž tělesných tkání (především svalů, šlach a kloubů), případně další faktory ovlivňující míru rizika. S odkazem na tři rizikové oblasti lze zhodnotit provedení dané techniky (či strojního zařízení) a/nebo získat kvantitativní vodítko k formulaci pokynů pro její používání.

Výpočet rizikové síly - F_r

F_r = F_Br x m_r

Výpočet síly F_r je kritériem pro stanovení rizikových oblastí souvisejících s vynaložením sily při obsluze daného technického (strojního) zařízení.

Hodnotící kritéria pro vymezující rizikové oblasti:

• Doporučené - riziko zranění či onemocnění je zanedbatelné.
• Nedoporučené - riziko zranění či onemocnění nelze zanedbat. Je žádoucí analyzovat rizikové faktory týkající se zejména: pracovní polohy, zrychlení a přesnosti pohybů, vibrací, interakcí člověka při ovládání stroje, vlivu pracovního prostředí apod.
• Nepřípustné - riziko zranění či onemocnění je velmi vysoké a proto nemůže být přijato.

8.2 Metoda postupu při výpočtu mezní síly - příklad

Podstatou této metody je rychlý aproximativní postup ke stanovení mezní sily, pro uživatelskou populaci (dospělé muže a ženy), vztahující se na optimální pracovní podmínky.

Základní kroky:

1. Určení relevantních činností a síly pro danou uživatelskou populaci.
2. Získání rozložení izometrické sily - F.
3. Stanovení mezní síly F_15%, tj. síly 15. percentilu pro profesionální použití nebo mezní síly F_1%, tj. síly 1. percentilu domácí populace.

Krok 1. V tomto kroku má být analyzován průběh práce uživatelské či domácí populace, aby se zjistily požadované síly.

Např.: Podle příslušné tabulky uvedené v ČSN EN 1005-3+A1.

Krok 2. Zjištění parametru rozložení (průměr a směrodatná odchylka) lidské síly, kterou lze nalézt pro daný případ buď v odborné literatuře nebo použít tabulku v ČSN EN 1005-3+A1 (např.: Tabulky v Příloze A, B).

Pro náš příklad jsou z Přílohy A tabulky A.1. "Vynaložená síla - Ruční tlačení" odečteny parametry rozložení síly (viz obr. distribuční funkce):

Průměrná hodnota síly F = 233,7 N a směrodatná odchylka + 1σ = 81,0 N.

Průměrná hodnota síly F = 233,7 N
σ = 81,0 N

Krok 3. Postup výpočtu mezní síly - logaritmická transformace (uvedeno v příkladu).

Mezní síly budou reálnější, použije-li se k jejich výpočtu logaritmické normální rozložení:
Průměrná síla F_ln = ln 
Průměrná Fσ_ln = (F + σ)/F 

Tyto mezní síly dovolují pracovat, až do 85 % nebo 99 %, příslušné uživatelské populace, aniž byla překračována její fyzická výkonnost.

Závěr

Závěrem nutno zdůraznit, že sval je jen článkem řetězu spolupracujících tělesných útvarů, který je jen tak pevný, jak pevný je jeho nejslabší článek. Víme, že činnost vede k hypertrofii, k zbytnění svalů. Proto při činnosti zesílí nejen svaly a šlachy, ale i kosti, klouby a jejich vazy. Přitom dochází i k lepšímu prokrvení, a to nejen svalů, nýbrž i těch oddílů mozku a míchy, ze kterých vycházejí nervové impulsy určené pro svaly. Pohyb kosterního svalstva, při práci člověka, vyžaduje rozsáhlé součinnosti, souhry, koordinace svalové činnosti, který je ve své podstatě velmi složitý, což by vyžadovalo hlubšího vysvětlení, než bylo možno v tomto článku obsáhnout. Hlavní pozornost byla věnována funkcí kosterního svalstva, která je nezastupitelná v aktivní činnosti člověka. Výběr dvou metod, podle ergonomických norem, byl zvolený jako vhodný návod pro analýzu rizika svalové zátěže. Tyto poznatky budou jistě prospěšné, kdy kritéria hodnocení, pro zachování zdraví člověka, budou spočívat v dodržování přípustnosti svalové zátěže, zohledňující fyziologické možností svalstva. Třeba ještě dodat, bude-li užité doporučení ergonomických norem, či hygienických předpisů, současně doplněno o poznatky z anatomie a fyziologie lidského těla, dosáhne se vyšší efektivnosti v analýze řešení a hodnocení daného problému. Praxe nás ale přesvědčuje o tom, že v přístupu odhalování příčin rizik způsobující onemocnění svalů, jsme mnoho dlužni.