Biomechanical, neurosensorial and cognitive effects of foot-transmitted vibration: implications for standardization and worker safety

Heavy equipment operators and the transportation personnel (train operators, cabin crew members, and seafarers) typically stand and walk on vibrating floors. Vibration that passes to the human body through the feet is referred to as foot-transmitted vibration (FTV). FTV is classified as a subcategory of whole-body vibration (WBV) and, according to the current version of ISO 2631-1, may lead to musculoskeletal effects and discomfort when the vibration is in a range between 0.5 and 80 Hz. The standard doesn't account for how a vibrating floor affects motor and cognitive performance while walking, nor does it consider the neurological and vascular impacts on the feet. In view of the need for a specific update of the current standard, this thesis contributes to the understanding of the whole-body (while walking) and localized (in the toes) effects of FTV on humans by carrying out different experimental sessions. The results will serve to evaluate the applicability of existing weighting curves or their adaptation for the assessment of the FTV occupational exposure. Four different perturbed locomotion studies characterized by increased complexity were conducted. Walking and dual-task trials (walking while performing a cognitive task) were performed using vibrating platforms with a treadmill mounted on top. Trials were carried out upon varying the vibration characteristics (frequency, amplitude, and direction) to replicate those typically encountered in transportation. The effect of FTV exposure on vigilance was assessed with the execution of the Psychomotor Vigilance Task (PVT) test, which records reaction time (RT) to a visual stimulus. A negative effect of vibration exposure and/or locomotion was identified when compared to a static condition. However, it was not possible to isolate a specific effect caused by perturbed walking distinct from that of walking or FTV exposure alone. An analysis of the effect of magnitude on RT demonstrated that greater lateral displacement of the floor resulted in subjects experiencing a loss of concentration during cognitive test execution, aimed at preventing a loss of balance. In the range between 0.2 and 8 Hz, no effect of frequency was found. In this range, these results can be considered in agreement with the existing Wk curve used in the ISO 2631-1 for vertical WBV. The biomechanical adaptation to FTV exposure while walking in comparison with the normal gait was analysed by different motion capture systems. The results showed that in the case of mediolateral and roll FTV, mainly at low frequencies, the most significant compensatory strategies are adopted with respect to the other translational and rotational directions, respectively. In general, an increase in instability is observed. To stabilize gait, a lowering of the centre of mass (CoM) closer to the ground and a wider base of support result in altered gait metrics and joint kinematics. In particular, the most altered metrics were the step width and the gait cycle time, and their percentage deviation from the normal gait for each tested frequency (i.e., 0.2-10 Hz) was used to evaluate the frequency-dependence of the gait alteration. The obtained trend presented the highest effect between 0.7 and 1.5 Hz, suggesting an interference when the FTV frequency is closer to the step rate. This result is comparable to the existing Wd weighting curve adopted in the ISO 2631-1 for horizontal WBV in the standing position, which is the posture most similar to walking. The second part of the thesis was focused on investigating the localized response to FTV in the toes. Starting from the similarities between hands and feet under an anatomical and pathophysiological (such as the vibration-induced Raynaud’s syndrome) perspective, the biomechanical response to vibration in analogous anatomical points of both districts was compared. The biomechanical response analysis revealed that the toes resonance is above 80 Hz. Then, the vibrotactile perception threshold (VPT) at 8, 31.5, and 125 Hz and its shift and recovery after vibration exposure in fingers and toes were measured. The vibrotactile perception was found to be frequency-dependent, with higher effects at 125 Hz. Then, some similarities between the hands and feet were found, especially at low-mid frequencies, suggesting that a unified approach for weighting the neurosensorial effects of both foot- and hand-transmitted vibration exposure could be adopted. These results demonstrated that ISO 2631-1 is unsuitable for the peripheral response to FTV, and the adoption of a weighting curve similar to Wp used in the ISO/TR 18570 for hand-transmitted vibration (HTV) vascular response could be reasonable to exacerbate the effect at higher frequencies. Although further studies are needed to comprehensively understand FTV effects, these experimental studies highlight the need for specific weighting procedures. Exposed workers exhibit lower responsiveness, biomechanical gait alterations, and neurosensorial responses in the toes. The current standard does not consider these effects; however, they can be reasonably evaluated using the existing weighting curves: Wk and Wd (used for vertical and horizontal WBV exposure, respectively, in the ISO 2631-1 standard), and the Wp (provided by the ISO/TR 18570 for HTV exposure).

Gli operatori di attrezzature pesanti e il personale nel settore dei trasporti (operatori di treni, membri dell'equipaggio di cabina e marittimi) svolgono le proprie mansioni lavorative tipicamente in piedi o mentre camminano su pavimenti vibranti. La vibrazione che viene trasmessa al corpo umano attraverso i piedi è definita come foot-transmitted vibration (FTV). La FTV è classificata come una sottocategoria della vibrazione a corpo intero (whole-body vibration - WBV) e, secondo la versione attuale della norma ISO 2631-1, può causare effetti muscoloscheletrici e discomfort quando la vibrazione è in un intervallo compreso tra 0.5 e 80 Hz. La norma non tiene conto di come un pavimento vibrante influenzi le prestazioni motorie e cognitive durante la deambulazione, né considera gli impatti neurologici e vascolari sui piedi. In vista della necessità di un aggiornamento specifico della norma attuale, questa tesi contribuisce alla comprensione degli effetti della FTV sull'uomo a livello di corpo intero (durante la deambulazione) e localizzato (sulle dita dei piedi), attraverso l'esecuzione di diverse sessioni sperimentali. I risultati serviranno a valutare l'applicabilità delle curve di ponderazione esistenti o il loro adattamento per la valutazione dell'esposizione alla FTV in ambito occupazionale. Sono stati condotti quattro diversi studi di cammino perturbato, caratterizzati da una complessità crescente. Sono stati eseguiti test di cammino e di dual-task (cammino durante l'esecuzione di un test cognitivo) utilizzando un treadmill montato sopra delle piattaforme vibranti. I test sono stati eseguiti variando le caratteristiche della vibrazione (frequenza, ampiezza e direzione) per replicare quelle tipicamente riscontrate nei mezzi di trasporto. L'effetto dell'esposizione alle FTVs sulla vigilanza è stato valutato mediante l'esecuzione dello Psychomotor Vigilance Task (PVT) test, che registra il tempo di reazione a uno stimolo visivo. È stato identificato un effetto negativo dell'esposizione alle vibrazioni e/o della locomozione rispetto alla condizione statica. Tuttavia, non è stato possibile isolare un effetto specifico causato dal cammino perturbato distinto da quello della sola locomozione o dell'esposizione alla FTV. Un'analisi dell'effetto dell'ampiezza della vibrazione ha dimostrato che un maggiore spostamento laterale del pavimento portava i soggetti a subire una perdita di concentrazione durante l'esecuzione del test cognitivo, finalizzata a prevenire la perdita di equilibrio. Nell'intervallo tra 0.2 e 8 Hz, non è stato riscontrato alcun effetto della frequenza. In tale intervallo, questi risultati possono essere considerati in linea con l’esistente curva Wk utilizzata nella norma ISO 2631-1 per la WBV in direzione verticale. L'adattamento biomeccanico all'esposizione alle FTVs durante la deambulazione in confronto con il cammino normale è stato analizzato tramite diversi sistemi di motion capture. I risultati hanno mostrato che nel caso di FTV mediolaterale e rollio, soprattutto a basse frequenze, vengono adottate le strategie compensatorie più significative rispetto alle altre direzioni traslazionali e rotazionali. In generale, si osserva un aumento dell'instabilità. Per stabilizzare l'andatura, un abbassamento del centro di massa più vicino al suolo e una base di appoggio più ampia si traducono in metriche dell'andatura e cinematica delle articolazioni alterate. In particolare, le metriche più alterate sono state la larghezza del passo e la durata del ciclo del passo. La loro deviazione percentuale dal cammino normale per ogni frequenza testata (cioè 0.2-10 Hz) è stata utilizzata per valutare la dipendenza dell'alterazione dell'andatura dalla frequenza. Il trend ottenuto ha presentato l'effetto più elevato tra 0.7 e 1.5 Hz, suggerendo un'interferenza quando la frequenza della vibrazione è più vicina alla cadenza del passo. Questo risultato è compatibile con la curva di ponderazione Wd esistente adottata nella norma ISO 2631-1 per la WBV orizzontale in posizione eretta, che è la postura più simile a quella del cammino. La seconda parte della tesi si è concentrata sull'indagine della risposta localizzata alla FTV nelle dita dei piedi. Partendo dalle somiglianze tra mani e piedi da una prospettiva anatomica e fisiopatologica (come la sindrome di Raynaud indotta da vibrazioni), è stata confrontata la risposta biomeccanica alle vibrazioni in punti anatomici analoghi di entrambi i distretti. L'analisi della risposta biomeccanica ha rivelato che la frequenza di risonanza delle dita dei piedi è superiore a 80 Hz. Successivamente sono state misurati la soglia di percezione vibrotattile (vibrotactile perception threshold - VPT) a 8, 31.5 e 125 Hz e la sua variazione e recupero dopo l'esposizione alle vibrazioni nelle dita delle mani e dei piedi. È stato riscontrato che la percezione vibrotattile dipende dalla frequenza, con effetti maggiori a 125 Hz. Sono state quindi trovate alcune somiglianze tra mani e piedi, in particolare a frequenze medio-basse, suggerendo che un approccio unificato per la ponderazione degli effetti neurosensoriali dell'esposizione alle vibrazioni trasmesse sia dai piedi che dalle mani potrebbe essere adottato. Questi risultati hanno dimostrato che la norma ISO 2631-1 non è adatta per la risposta periferica alla FTV, e l'adozione di una curva di ponderazione simile alla Wp utilizzata nella norma ISO/TR 18570 per la risposta vascolare alle vibrazioni trasmesse attraverso le mani (hand-transmitted vibration - HTV) potrebbe essere ragionevole per inasprire l'effetto a frequenze più elevate. Sebbene siano necessari ulteriori studi per comprendere in modo esaustivo gli effetti della FTV, questi studi sperimentali evidenziano la necessità di procedure di ponderazione specifiche. I lavoratori esposti manifestano una ridotta reattività, alterazioni biomeccaniche del cammino e risposte neurosensoriali nelle dita dei piedi. La norma attuale non considera questi effetti; tuttavia, essi possono essere ragionevolmente valutati utilizzando le curve di ponderazione esistenti: Wk e Wd (utilizzate per l'esposizione rispettivamente a WBV verticale e orizzontale nella norma ISO 2631-1), e Wp (fornita dalla norma ISO/TR 18570 per l'esposizione a HTV).