Standardisierte Messung und Bewertung physischer Belastungen
The CUELA Modules – Standardized Measurement and Assessment of Physical Workload
Hintergrund
Berufsbedingte Muskel-Skelett-Belastungen sind häufig komplex und lassen sich nicht immer mit Beobachtungsverfahren analysieren. Zur objektiven und detaillierten Erkennung von Belastungs- und Gefährdungsschwerpunkten werden mobile Messsysteme zur Anwendung am Arbeitsplatz empfohlen (z. B. Ranavolo et al. 2018). Als direkte Messmethoden bieten sich Systeme zur Bewegungserfassung (Motion Capture; MoCap) beziehungsweise Elektromyographie (EMG) an. Diese erlauben valide und reliable Analysen von Gelenkwinkeln, Winkelgeschwindigkeiten, muskulärer Aktivität usw. im Zeitverlauf (Robert-Lachaine et al. 2017).
Bislang waren messwertbasierte Verfahren zur Gefährdungsbeurteilung an den Einsatz von Expertenmesssystemen gebunden. Im Zuge der Digitalisierung und des technischen Fortschritts werden mobile Messsysteme immer praktikabler und kostengünstiger. Zudem gibt es mittlerweile eine große Bandbreite an unterschiedlich komplexen Messsystemen. Dies bietet gute Voraussetzungen für eine breitere Anwendung, nicht nur durch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Messfachkundige, sondern auch durch betriebliche Praktikerinnen und Praktiker (Seidel et al. 2021). Die verfügbaren Messsysteme lassen sich hinsichtlich ihrer Komplexität in Kategorien einteilen, die durch unterschiedliche Nutzungsgruppen gekennzeichnet sind (➥ Abb. 1; Holtermann et al. 2017).
Messsysteme der Kategorie 1 bestehen aus 1–2 meist Bewegungssensoren (Inertial Measurement Units; IMUs) und zeichnen sich durch eine hohe Praxistauglichkeit aus. Damit können spezifische biomechanische Risikofaktoren für eine Körperregion quantifiziert und bewertet werden. Messkategorie 2 adressiert zusammenhängende größere Körperregionen, zum Beispiel den Schulter-Ellbogen-Hand-Bereich. IMUs, gegebenenfalls kombiniert mit Kraftsensoren oder EMG, liefern Eingangsdaten für biomechanische Modelle von Teilkörperregionen. Messkategorie 3 umfasst komplexe 3D-Bewegungsanalysen mehrerer Gelenke/Körperregionen mit IMUs – gegebenenfalls ergänzt durch physiologische und andere physikalische Messungen – für komplexe biomechanische Modellrechnungen. Generell gilt: Je mehr Sensoren und Sensortypen eingesetzt werden, desto genauere und komplexere Analysen sind möglich. Mit zunehmender Komplexität der Systeme steigt der Aufwand für die Nutzenden.
Zur Risikobewertung werden häufig etablierte beobachtungsbasierte Bewertungsansätze verwendet, wie RULA, REBA oder ISO 11226. Darüber hinaus werden Bewertungsverfahren benötigt, die den kontinuierlich gemessenen Expositionsdaten gerecht werden. Werden beispielsweise Körperhaltungen schrittweise und in Winkelkategorien bewertet, nutzt man nicht das volle Potenzial der vorliegenden exakten Gelenkwinkel im Zeitverlauf. Für einige Körperregionen und bestimmte messtechnische Konfigurationen gibt es bereits Bewertungsansätze für kontinuierliche Expositionsdaten aus Feldmessungen (u. a. Arvidsson et al. 2021; Barrero et al. 2012; Marras et al. 1995). Umfassende Ansätze zur Analyse messtechnisch erfasster Daten fehlen bisher.
Das CUELA-Modulkonzept
Seit über 25 Jahren entwickelt das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) das CUELA-Verfahren zur mobilen messtechnischen Analyse von berufsbedingten Belastungen des Muskel-Skelett-Systems (Ellegast et al. 2009; Ellegast u. Kupfer 2000) stetig weiter. Mit unterschiedlicher Sensortechnik und zugehöriger Auswertesoftware erfolgt eine kontinuierliche Erfassung und Analyse physischer Belastungsfaktoren. Das CUELA-System wird an Arbeitsplätzen eingesetzt, um beispielsweise die Wirksamkeit von ergonomischen Gestaltungsmaßnahmen zu überprüfen oder in der Gefährdungsbeurteilung spezifische Analysen vorzunehmen. Je nach Belastungsschwerpunkt kommen entsprechend angepasste Varianten des Systems zum Einsatz, beispielsweise in Forschungsprojekten oder bei Betriebsberatungen zur Unterstützung von Unfallversicherungsträgern.
Die Auswertung der Messdaten erfolgt grundsätzlich anhand fundierter arbeitswissenschaftlicher und biomechanischer Kriterien und Verfahren. Im Projekt MEGAPHYS (BAuA 2019; DGUV 2020) wurde die Auswertestrategie weiterentwickelt und es entstand ein erstes übergreifendes Konzept zur Körperregion-bezogenen Bewertung messtechnisch erhobener Belastungsdaten. Die Bewertungsverfahren wurden in der MEGAPHYS-Feldstudie erprobt und validiert. Dies war der Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des CUELA-Verfahrens hin zu einem umfassenden Modulkonzept (➥ Abb. 2). Dieses standardisierte Mess- und Auswertekonzept bewertet Muskel-Skelett-Belastungen
Zusätzlich werden die Beanspruchungen des Herz-Kreislauf-Systems analysiert und es gibt ein Modul zur Beurteilung des Bewegungsverhaltens, das eine Bewertung sowohl für physisch überlastende als auch unterfordernde Tätigkeiten erlaubt.
Das zugrunde liegende Risikokonzept (BAuA 2019; AMR 13.2) beinhaltet vier Risikobereiche und definiert Wahrscheinlichkeiten für körperliche Überbeanspruchungen bei unterschiedlichen Belastungshöhen:
Darüber hinaus benennt das Risikokonzept mögliche gesundheitliche Folgen und zu ergreifende Maßnahmen, wie arbeitsmedizinische Vorsorge oder Gestaltungsmaßnahmen.
In allen CUELA-Modulen wird die gemessene Belastung den Risikobereichen 1 bis 4 zugeordnet. Die Zuordnung basiert auf epidemiologischen Befunden zu Risikofaktoren (z. B. Bernard 1997; da Costa u. Vieira 2010; Seidler et al. 2020) und arbeitsphysiologischen und biomechanischen Erkenntnissen sowie zugehöriger messtechnischer Studien (z. B. ACGIH® 2018; Marras et al. 1995). Eine weitere Grundlage bilden Häufigkeitsverteilungen von Tätigkeits- und arbeitsschichtbezogenen Risikofaktoren aus Betriebsmessungen bei vielen Arbeitstätigkeiten/-schichten in unterschiedlichen Branchen, die seit über 20 Jahren in CUELA-Expositionsdatenbanken und -Messwertkataster einfließen.
Messung und Bewertung der Belastungsfaktoren
Die CUELA-Module setzen in allen drei Kategorien IMUs zur Erfassung von Körperhaltungen und -bewegungen ein, von einzelnen IMUs in Kategorie 1 bis hin zu „Full Body MoCap“-Systemen in Kategorie 3. Ab Kategorie 2 kommen zusätzliche Messtechniken zum Einsatz, beispielsweise zur Quantifizierung von muskulärer Aktivität, Herzfrequenzen (HF), Kräften oder Vibrationen. Je nach Anwendungsfall können die Messungen mit einer oder mehreren Videoaufzeichnungen begleitet werden.
➥ Abbildung 3 zeigt den schematischen Ablauf der CUELA-Analyse am Beispiel des Schultermoduls. Das dargestellte Messsystem ist der Messkategorie 3 zuzuordnen: Bewegungserfassung des gesamten Körpers in Kombination mit EMG und Aktionskraftmessung. Die aufgezeichneten Messdaten werden in der CUELA-Software weiterverarbeitet und visualisiert. Die biomechanischen Belastungsparameter werden auf unterschiedlichen Berechnungsstufen dargestellt und ausgewertet, zum Beispiel Gelenkwinkel im Zeitverlauf, Perzentile der Winkelgeschwindigkeitsverteilung oder Dosis von Gelenkmomenten. Sie bilden die Grundlage für die Bewertungen einzelner Risikofaktoren der jeweiligen Körperregion, auf denen wiederum die Gesamtbewertung der Körperregion beruht. Detailauswertungen und Gesamtbewertungen können für einzelne Situationen, Tätigkeiten oder ganze Schichten vorgenommen werden.
Die einzelnen Bewertungsverfahren sind an die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Körperregion angepasst. Die Körperregion-bezogenen Verfahren zur Bewertung von kinematischen Belastungsparametern, wie Gelenkwinkelstellung, Repetition oder Statik, basieren auf aktuellen Erkenntnissen aus der wissenschaftlichen Literatur. Für die Körperregionen, für die biomechanische Bewertungsverfahren angewandt werden können (z. B. LWS, Schulter), werden zusätzlich kinetische Belastungsparameter berücksichtigt und über biomechanische Modellrechnungen zum Beispiel Gelenkmomente und -kräfte berechnet und bewertet. Für eine bestmögliche Abschätzung situativer und kumulativer Kompressionskräfte auf die unterste Bandscheibe der LWS (L5/S1) ist zum Beispiel das Simulationsmodell Der Dortmunder in die CUELA-Software integriert (DGUV 2020). Für die Handgelenke und die Ellenbogen existieren Ansätze zur Quantifizierung und Bewertung der Aktivität der Unterarmmuskulatur sowie zur kombinierten Betrachtung von Kraftaufwendung und Repetition. Eine automatisierte Erkennung von Körperhaltungen und -bewegungen wird sowohl zur Tätigkeitsanalyse als auch gegebenenfalls in Kombination mit weiteren physiologischen Messungen (z. B. HF-Messungen) zur Bewertung des Bewegungsverhaltens und der metabolischen Belastung genutzt. Eine synchrone Anbindung weiterer physikalischer Messungen (z. B. Vibrationsmessungen) ermöglicht die Erfassung und Bewertung kombinierter Belastungen.
Der folgende Abschnitt beschreibt exemplarisch den Bewertungsansatz für das CUELA-Schultermodul. Weitere Beschreibungen der CUELA-Bewertungsverfahren und ihrer Validierung finden sich u. a. in DGUV 2020 oder Seidel et al. 2021.
Bewertungsansatz des CUELA-Schultermoduls
Für die Entstehung von arbeitsbedingten Muskel-Skelett-Erkrankungen des Schultergelenks gelten als Hauptrisikofaktoren (Bernard 1997; da Costa u. Vieira 2010; Seidler et al. 2020; van der Molen et al. 2017):
Diese Risikofaktoren müssen daher in entsprechenden Gefährdungsbeurteilungen quantifiziert und anschließend einzeln und gegebenenfalls in Kombination bewertet werden. Um für das Schultergelenk die Risikofaktoren Haltung und Repetition zu erfassen, ist mindestens ein Sensor (IMU) am Oberarm der dominanten Hand erforderlich. Weitere IMUs, beispielsweise an Rumpf, beiden Armen und Händen, erlauben eine detailliertere Betrachtung der kinematischen Belastungsfaktoren, wie Lage des Oberarms in Bezug zum Rumpf oder Position der Hände. Die äußeren Gelenkmomente gelten als aussagefähige Indikatoren für Kraftaufwendungen, da die Muskulatur entsprechende interne Kräfte aufbringen muss, um den äußeren Gelenkmomenten entgegenzuwirken. Bei bekannter Höhe von Lastgewichten oder von aufzubringenden Kräften können bereits mit je einem Bewegungssensor an Oberarm und Unterarm Abschätzungen von Schultergelenkmomenten vorgenommen werden. Für komplexere biomechanische Modellrechnungen (z. B. zur Bestimmung der Gelenkmomente) sind zusätzliche IMUs zur Bewegungserfassung der biomechanischen Kette und gegebenenfalls Kraftsensoren zur Messung externer Kräfte erforderlich.
Als Indikator für Kraftaufwendungen im Schultergelenk kann auch die elektromyografisch erfasste Aktivität der Schultermuskeln, zum Beispiel Musculus trapezius oder deltoideus, herangezogen werden. Zur Analyse von Hand-Arm-Vibrationen werden die frequenz- und richtungsgewichtete Beschleunigung aus 3D-Beschleunigungsdaten durch Accelerometer beziehungsweise IMUs ermittelt.
➥ Tabelle 1 fasst die Risikofaktoren und entsprechenden Belastungs- und Bewertungsparameter zusammen. Zudem sind die jeweilige Messtechnik/Sensorik und die Zuordnung zur Messkategorie angegeben. Es werden sowohl einzelne Belastungsfaktoren wie Anteil der Arbeit mit Händen über Schulterniveau oder mittlere Frequenz der Schultergelenksbewegung als auch Kombinationsbelastungen (z. B. Haltung und Kraft) betrachtet. Die Auflistung der Bewertungsparameter zeigt einen Auszug von Bewertungsansätzen zu den jeweiligen Risikofaktoren, die den prinzipiellen Aufbau des Bewertungssystems des CUELA-Schultermoduls verdeutlichen.
**Messkategorie 2 und 3; ***Messkategorie 3) (eigene Darstellung)
Fazit
Die CUELA-Module ermöglichen eine standardisierte Bewertung Körperregion-bezogener Muskel-Skelettbelastungen auf Grundlage von kontinuierlich erfassten, objektiven Messdaten. Über die Zuordnung der Bewertungsergebnisse zu den vier Risikobereichen aus MEGAPYHS bzw. der AMR 13.2 lässt sich für jeden Risikofaktor der Handlungsbedarf für präventive Maßnahmen ableiten. Durch die Kombination der Ergebnisse ist auch eine standardisierte Gesamtrisikobewertung möglich.
Das vorgestellte Modulkonzept adressiert Messsysteme unterschiedlicher Komplexität. Neben umfassenden Expertenmesssystemen sind auch Systeme mit wenigen Sensoren zur Analyse einzelner Körperregionen vorgesehen. Diese sollen eine einfachere Anwendung in der betrieblichen Praxis ermöglichen, um zukünftig einen breiteren Einsatz automatisierter Analysen im präventiven Arbeitsschutz etablieren zu können.
Mit dem CUELA-Modulkonzept steht ein umfassendes Konzept zur Risikobewertung messtechnisch ermittelter Belastungsdaten zur Verfügung, das stetig weiter evaluiert und ergänzt wird. Über die Verknüpfung mit Simulationen oder virtueller Realität sind die CUELA-Bewertungsansätze auch in der digitalen Arbeitsplanung nutzbar. Dies ermöglicht bereits im Planungsprozess eine präzise Erkennung möglicher Gefährdungen sowie die Körperregion-bezogene Evaluierung von Gestaltungsmaßnahmen.
Interessenkonflikt: Das Autorenteam gibt an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Literatur
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doi:10.17147/asu-1-240860
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