Messmethode zur leistungsphysiologischen Quantifizierung schwerer körperlicher Arbeit mittels Impedanzkardiographie am Beispiel von Industrie-Exoskeletten

Abstract

Ein großer Anteil der in Deutschland verzeichneten Arbeitsunfähigkeitstage ist auf Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) zurückzuführen, was zu einem Bruttowertschöpfungsausfall von über 30,4 Milliarden € führt. Mit einer Prävalenz von ≈ 60 % für MSE überträgt sich dieses Bild auf die Europäische Union. Eine Häufung von MSE tritt in Berufen auf, welche einer Exposition von Zwangshaltungen, dem Heben und Tragen schwerer Lasten und repetitiven Tätigkeiten ausgesetzt sind. Zur Prävention wird, unter Einhaltung arbeitsschutzrechtlicher Vorgaben, der Einsatz von Exoskeletten als neuartige Präventionsmethode erprobt. Die Studienlage zum Nachweis der wirksamen Reduktion der körperlichen Belastung am Arbeitsplatz durch diese Systeme zeigt Lücken auf. Bislang findet keine Messmethode Anwendung, die ganzheitlich physiologische Belastung des Körpers am Arbeitsplatz nichtinvasiv, mobil und ohne Einschränkung der Bewegungsfreiheit und des Sichtfeldes bestimmt. Auf Grund fehlender konsistenter Messumgebungen, fehlender Realitätsnähe und einer unzureichenden Datenlage zu physiologischen Auswirkungen ist ein objektiver Nachweis der Entlastungswirkung dieser Systeme zu erbringen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Validierung eines Verfahrens zur Bestimmung physiologischer Belastung am Arbeitsplatz sowie der Überprüfung physiologischer Effekte von Exoskeletten anhand realitätsnaher Arbeitsbedingungen. Hierzu wurde ein standardisierter, realitätsnaher Arbeitsplatz im Berufsfeld des Schweißers abgebildet, welcher das Schweißen in Zwangspositionen über eine Stunde Arbeit thematisiert und sich an existierenden Normen orientiert. Auf Grund des kausalen Zusammenhangs zwischen der externen Belastung bei der Arbeit, dem gesteigerten Bedarf der Muskulatur an Sauerstoff O2, der gesteigerten Sauerstoffaufnahme VO2 über die Lunge und dem Anstieg des Herzminutenvolumen HZV (Cardiac Output CO), wurde der Ansatz verfolgt, die physiologische Belastung nichtinvasiv über hämodynamische Parameter zu bestimmen. Als zugelassenes Medizinprodukt kam zur Bestimmung des CO ein impedanzkardiographisches Verfahren (IKG) zum Einsatz. Dieses wurde gegenüber der Spiroergometrie als Goldstandard der Leistungsphysiologie in einem standardisierten Stufentest nach Hollmann erfolgreich validiert. An n = 17 Probanden konnte nachgewiesen werden, dass eine zuverlässige Messung mit IKG bis zu einer Belastungshöhe von 79,2 % der maximalen Sauerstoffaufnahme VO2peak möglich war, was den erwarteten Belastungsbereich berufsbedingter Tätigkeiten übersteigt. Acht hämodynamische Parameter wiesen eine Pearson-Korrelation von r > |0,79| zu spiroergometrischen Parametern auf. Der Cardiac Output CO und der Cardiac Index CI, als primäre Größen des IKG, wiesen eine lineare Korrelation von r = 0,934 (CO) und r = 0,936 (CI) mit der Sauerstoffaufnahme VO2, als primäre Größe der Spiroergometrie, auf. Zur Bestimmung physiologischer Effekte durch das Tragen von Exoskeletten wurden anhand des definierten, standardisierten Schweiß-Arbeitsplatzes n = 43 Probanden untersucht. Exoskelette konnten den CO über eine Dauer von einer Stunde signifikant (p = 0,000) um 10,77 % reduzieren. Diese messbare Reduktion der physiologischen Beanspruchung spiegelt sich wider in einer signifikanten (p = 0,000) Reduktion der subjektiven Belastung (BORG-CR10 Skala) um 2 Punkte und einer signifikanten Steigerung (p = 0,000 für PF/p = 0,016 für PE) der Qualität der Schweißnaht hinsichtlich der idealen Schweißgeschwindigkeit. Es konnte somit gezeigt werden, dass die impedanzkardiographische Bestimmung hämodynamischer Parameter geeignet ist, um quantitative Aussagen über Be- und Entlastung während Arbeitsvorgängen zu treffen. Weiterführend konnte mit der Methode objektiv die signifikante Reduktion der physiologischen Last durch das Tragen von Exoskeletten während der untersuchten Tätigkeit nachgewiesen werden.Musculoskeletal disorders (MSDs) account for a large proportion of days lost from work in Germany, resulting in a gross value-added loss of over €30.4 billion. With a prevalence of ≈ 60% for MSDs, this trend can also be seen in the European Union. An accumulation of MSDs occurs in occupations with exposure to constrained postures, lifting and carrying heavy loads, as well as repetitive tasks. For preventive purposes, the use of exoskeletons as a novel preventive method is being tested in compliance with occupational health and safety regulations. There are research gaps in the demonstration of the effectiveness of these systems to reduce physical strain in the workplace. To date, no measurement method has been used to determine the holistic physiological load on the body at the workplace in a non-invasive, mobile manner and without restricting freedom of movement and the field of vision. Due to the lack of consistent measurement environments, lack of realism, and insufficient data on physiological effects, there is insufficient objective evidence of the relieving effect of exoskeletons. The objective of this thesis is to research and validate a method to determine physiological stress in the workplace and to test physiological effects of exoskeletons using realistic working conditions. For this purpose, a standardized, realistic workplace in the occupational field of welding was simulated. It depicts welding in constrained positions over a period of one hour and is based on existing norms and standards. Due to the causal relationship between external load, increased oxygen demand of the muscle, increased oxygen uptake via the lungs and an increase in cardiac output (CO), the approach to non-invasively determine the physiological load via hemodynamic parameters was chosen. As an approved medical device, an impedance cardiographic method (ICG) was used to determine CO. This method was successfully validated against spiroergometry, the gold standard of performance diagnostics, in a standardized step test according to Hollmann. A study with n = 17 subjects demonstrated that reliable measurements with ICG were possible up to a stress level of 79.2% of the maximum oxygen uptake VO2peak. This level of physical stress exceeds the expected load range of occupational activities. Eight hemodynamic parameters showed a Pearson correlation of r > |0.79| with spiroergometric parameters. CO and Cardiac Index CI as primary measures of ICG show a correlation of r = 0.934 (CO) and r = 0.936 (CI) with oxygen uptake VO2 as the primary measure of spiroergometry. To determine physiological effects of wearing exoskeletons, n = 43 subjects were studied using the defined, standardized welding workstation. Exoskeletons could significantly (p = 0.000) reduce CO by 10.77% over a duration of one hour. This measurable reduction in physiological stress was confirmed by a significant (p = 0.000) reduction in subjective ratings of perceived exertion (BORG-CR10 scale) by 2 points and a significant increase (p = 0.000 for PF/p = 0.016 for PE) in the quality of the weld seam regarding the ideal welding speed. It could thus be shown that the determination of hemodynamic parameters by ICG is suitable to make quantitative statements about physical loading and unloading during work tasks. Furthermore, the method objectively demonstrated the significant reduction in physiological load caused by wearing exoskeletons during the investigated activity