Dispositivo auxiliar personal e integrado para el control y mitigación de la fatiga muscular en el ámbito quirúrgico

Abstract

[ES] La ergonomía ha adquirido una importancia creciente en el entorno laboral, especialmente en trabajos que implican tareas repetitivas y posturas sostenidas. Profesionales como músicos, conductores y cirujanos son particularmente vulnerables a trastornos musculoesqueléticos derivados de estas condiciones. Definida como la ciencia que estudia la relación entre el ser humano y su ambiente de trabajo, la ergonomía abarca aspectos físicos, cognitivos y ambientales, cuya correcta aplicación mejora la salud, el bienestar y la eficiencia de los trabajadores. En el ámbito de la cirugía laparoscópica, los avances tecnológicos han favorecido a los pacientes, pero han impuesto mayores exigencias posturales a los cirujanos, aumentando la incidencia de fatiga, especialmente en el cuello, los hombros y la espalda. La evaluación postural mediante la metodología REBA revela niveles de riesgo que justifican la implementación de medidas ergonómicas. Ante esta problemática, se plantea la hipótesis de que un dispositivo ergonómico, basado en la integración de un sistema de electromiografía superficial (sEMG) y un dispositivo TENS, contribuirá a reducir de forma no invasiva la fatiga muscular en el músculo trapecio, previniendo así la aparición de patologías musculoesqueléticas a largo plazo. El estudio tiene como objetivo general el desarrollo y validación de dicho dispositivo. De manera específica, busca integrar el sEMG con el TENS, implementar un algoritmo de control capaz de detectar la fatiga y activar la corriente relajante en el momento oportuno, validar experimentalmente su efectividad en una muestra representativa y evaluar su aplicación en entornos con posturas mantenidas, especialmente en cirugía. La metodología se desarrolla en tres fases. En la primera, se valida la hipótesis utilizando equipos médicos comerciales de alta precisión. En la segunda, se desarrolla el hardware y el software necesarios para probar el sistema en una muestra significativa. Finalmente, en la tercera fase, se obtiene un prototipo mínimo viable. El dispositivo permanece apagado hasta que el usuario lo activa; una vez en funcionamiento, el sEMG recolecta datos de la actividad muscular y, al superar un umbral calibrado, genera una alerta por vibración para que el usuario decida activar el TENS, siempre garantizando que se encuentre en una posición estable. El diseño experimental simula la postura de un cirujano sosteniendo un peso similar al de un instrumento médico. Se realizan ensayos de hasta dos minutos o hasta el fallo muscular, repetidos en varias series con periodos de descanso, comparando las condiciones de activación y no activación del TENS. Los resultados evidencian que la aplicación del TENS retrasa el umbral de fatiga en aproximadamente un 10.5%, reduce la actividad eléctrica de la porción superior del trapecio y prolonga la resistencia muscular tanto en hombres como en mujeres, demostrando la eficacia del dispositivo. En conclusión, se ha desarrollado una solución funcional, segura y de bajo coste para monitorizar y mitigar la fatiga en trabajos con posturas forzadas. Al integrar tecnologías probadas como el sEMG y el TENS, este dispositivo representa una alternativa práctica a los sistemas mecánicos y abre nuevas posibilidades para la investigación en ergonomía y la prevención de patologías laborales.

[EN] The growing importance of ergonomics in the workplace is particularly evident in jobs that involve repetitive tasks and sustained postures. Professionals such as musicians, drivers, and surgeons are especially vulnerable to musculoskeletal disorders resulting from these conditions. Ergonomics, defined as the science that studies the relationship between humans and their work environment, encompasses physical, cognitive, and environmental aspects. Its proper application enhances workers' health, well-being, and efficiency. In the field of laparoscopic surgery, technological advancements have benefited patients but have also imposed greater postural demands on surgeons, increasing the incidence of fatigue, particularly in the neck, shoulders, and back. Postural assessment using the REBA methodology reveals risk levels that justify the implementation of ergonomic interventions. To address this issue, we propose the hypothesis that an ergonomic device integrating a surface electromyography (sEMG) system and a transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) device will effectively and non-invasively reduce muscle fatigue in the trapezius muscle, thereby preventing long-term musculoskeletal disorders. The study's primary objective is to develop and validate this device. Specifically, it aims to integrate the sEMG with the TENS system, implement a control algorithm capable of detecting fatigue and activating the relaxing current at the appropriate moment, experimentally validate its effectiveness in a representative sample, and assess its application in environments requiring sustained postures, particularly in surgery. The methodology is structured into three phases. The first phase validates the hypothesis using high-precision commercial medical equipment. The second phase focuses on developing the necessary hardware and software to test the system in a significant sample. Finally, the third phase results in a minimum viable prototype. The device remains off until manually activated by the user; once operational, the sEMG collects muscle activity data and, upon exceeding a calibrated threshold, generates a vibration alert, allowing the user to decide whether to activate the TENS, ensuring it is applied in a stable position. The experimental design simulates a surgeon’s posture while holding an instrument of similar weight. Trials last up to two minutes or until muscular failure, repeated across multiple series with rest periods, comparing conditions with and without TENS activation. The results demonstrate that TENS application delays the fatigue threshold by approximately 10.5%, reduces trapezius muscle electrical activity, and prolongs muscular endurance in both men and women, confirming the device’s effectiveness. In conclusion, a functional, cost-effective, and safe solution has been developed to monitor and mitigate fatigue in occupations requiring sustained postures. By integrating well-established technologies such as sEMG and TENS, this device provides a practical alternative to mechanical systems and opens new avenues for research in ergonomics and occupational disease prevention.