Oberflächen-Elektromyographie in der Arbeitsmedizin, Arbeitsphysiologie und Arbeitswissenschaft – Teil 2^*

Fazit

Obgleich die elektromyografische Messmethodik an sich nicht neu ist, erlauben aktuelle elektronische Ableitungs- und Verarbeitungstechnologien eine Anwendung auch unter weniger idealen Bedingungen. Damit werden auch komplexere elektromyographische (objektive) Analysen im Rahmen von Feldstudien möglich, die sich bis dato weitgehend auf subjektive Einschätzungen der muskulären Beanspruchung bei zu untersuchenden Tätigkeiten beschränken mussten.

Die Notwendigkeit hierzu erklärt sich beispielsweise aus dem nach wie vor großen Erklärungsbedarf zum Zustandekommen muskuloskelettaler Erkrankungen im Zusammenhang mit Arbeitstätigkeiten. Das gilt insbesondere vor dem Hintergrund einer weiter zunehmenden Arbeitsverdichtung als Folge von Effizienzbemühungen. Die Oberflächen-Elektromyographie, speziell unter dem Gesichtspunkt der physiologischen Kosten interpretiert, vermag Einblicke in die Interaktion verschiedener Muskeln und Muskelgruppen zu liefern, die wiederum zu Muskelermüdung und möglicherweise zu muskuloskeletalen Erkrankungen beitragen, ohne dass dies über die nach außen wirksamen Kräfte oder Bewegungen zu erklären wäre.

Beispielsweise zeigen Ngcamu et al. (2009) in einer Untersuchung von Montagetätigkeiten eine signifikante Abhängigkeit der Aktivität der beteiligten Muskeln nicht nur von der Körperhaltung, sondern auch von den Präzisionsanforderungen bei Montagetätigkeit sowie der Kombination beider Anforderungen. Dies ist durch die gleichzeitige Aktivierung antagonistisch wirkender Muskeln zur (dynamischen) Bewegungsstabilisierung zu erklären.

Darüber hinaus sind bei realtypischen Tätigkeiten die Interaktionswirkungen zwischen den verschiedenen Teilbewegungen im Sinne biomechanischer Ketten relevant. Wie Göbel und Skelton (2009) anhand elektromyographischer Analysen zeigen, kann eine rein mechanische Betrachtung die auftretenden Teilbeanspruchungen nicht ausreichend erklären, da neben Bewegungskräften auch interne Stabilisierungskräfte in signifikantem Ausmaß zu erzeugen sind. Teilweise scheint die Bewegungsstabilisierung jedoch auch über Trägheitskräfte zu erfolgen, was zu einer muskulären Entlastung führen kann.

Trotz immanenter methodischer Herausforderungen bleibt die Oberflächen-Elektromyographie die einzige nichtinvasive und im Feld anwendbare Methode zur individuellen muskulären Beanspruchungsbeurteilung.

Anwendungsbeispiele

Die Anwendungen der Oberflächen-Elektromyographie in der Arbeitsmedizin, Arbeitsphysiologie und Arbeitswissenschaft lassen sich im Wesentlichen folgenden Fragestellungen zuordnen:

• der Feststellung von Muskelermüdung und
• Ermittlung der Höhe der Muskelbeanspruchung.

Daneben lassen sich über die OEMG auch psychische Beanspruchungen bei Tätigkeiten erfassen, bei denen nicht primär die körperliche, sondern die psychische Belastung im Vordergrund steht.

Feststellung von Muskelermüdung: Hinsichtlich des ersten Anwendungsfeldes der Oberflächen-Elektromyographie in der Arbeitsmedizin, Arbeitsphysiologie und Arbeitswissenschaft ist es erforderlich, zunächst zeitliche Veränderungen im OEMG-Signal zu ermitteln und diese dann als ermüdungsbedingt zu identifizieren. Das weitere Ziel besteht dann in der Regel darin, die Muskelermüdung durch eine veränderte Arbeitsgestaltung zu reduzieren.

Bei Ermüdung eines Muskels findet man im OEMG-Signal ein Ansteigen der Amplitude und eine Verschiebung des Frequenzspektrums zu niederfrequenten Anteilen hin. Die Zunahme der Amplitude ist hauptsächlich durch die zunehmende Rekrutierung von Muskelfasern und die häufigere Aktivierung der Fasern bedingt, während die Verschiebung des Frequenzspektrums hin zu niederfrequenten Anteilen wesentlich auf eine Verlangsamung der Potenzialausbreitungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Ein Vergleich der physiologischen Ursachen zeigt, dass die Veränderung der OEMG-Amplitude unmittelbar mit der Ermüdung als dem „Nachlassen der Fähigkeit, eine geforderte oder angestrebte Kraft aufrechtzuerhalten“ (Edwards 1981) verknüpft ist, während die Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit eher als Begleiterscheinung einzustufen ist (Luttmann 2001). Bei ergonomischen Anwendungen sollte daher auf die Betrachtung der Amplitudenveränderung nicht verzichtet werden, zumal die Frequenzveränderungen nicht immer sicher mit Abstufungen des Ermüdungsgrades eines Muskels korreliert werden können.

Ermittlung der Höhe der Muskelbeanspruchung: Bei der Untersuchung von beruflichen Tätigkeiten treten in der Regel komplexe Bewegungen und Kraftausübungen auf, die mit unterschiedlicher Muskelbeanspruchung einhergehen. Durch elektromyographische Untersuchungen ist es dabei möglich, Tätigkeitsabschnitte entsprechend ihrer Muskelbeanspruchung zu differenzieren, indem die Höhe der myoelektrischen Aktivität für die verschiedenen Abschnitte ermittelt wird. Dazu hat es sich bewährt, bei der Signalerfassung typische Tätigkeitsabschnitte durch ein elektrisches Signal („Tätigkeitscode“) zu kennzeichnen, das zusammen mit den OEMGSignalen aufgezeichnet wird. Bei der Signalauswertung kann dieses Codesignal genutzt werden, um die OEMG-Signale den verschiedenen Tätigkeiten zuzuordnen und dann die zugehörige charakteristische Muskelbeanspruchung zu ermitteln. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, unterschiedliche Gestaltungszustände des Arbeitsplatzes, der Arbeitsmittel und der Arbeitsausführung hinsichtlich der resultierenden Muskelbeanspruchung zu vergleichen.

Um ein besseres Verständnis für Analysen mit der OEMG zu ermöglichen, werden in der Folge zwei Beispiele zu Arbeitsanalysen vorgestellt, die den zuvor genannten Bereichen zugeordnet werden können.

Muskuläre Ermüdung in Abhängigkeit der Arbeitsgestaltung

Als Beispiel für dieses Anwendungsfeld der OEMG wird eine vergleichende Untersuchung von Arbeitsplätzen urologischer Operateure vorgestellt. In dieser wurde die Kombination von Kennwerten aus dem OEMG als Bewertungsverfahren herangezogen, da die variierende Kraftanforderung und gleichzeitig auftretende muskuläre Ermüdung bei diesem Arbeitsplatz die Betrachtung eines zweiten Parameters neben der elektrischen Aktivität erforderte – hier der Mittenfrequenz (MF). Letztere stellt einen Kennwert aus dem Frequenz-Leistungs-Spektrum dar.   Abbildung 1 zeigt beispielhaft die zeitlichen Verläufe von EA und MF beim Endoskopieren (Luttmann et al. 1996).

Die ermittelten zeitlichen Veränderungen der EA und MF im Vergleich zur Ausgangssituation zu Beginn der Tätigkeit werden mittels Joint Analysis of Spectrum and Amplitude (JASA) analysiert. Hierbei erfolgt im JASA-Schema (   Abb. 2 ) die Zuordnung der Kombination gleichzeitiger Variation der EA und MF zu verschiedenen muskulären Zuständen (Erholung, Ermüdung, Kraftzunahme, Kraftabnahme) im Vergleich zur Ausgangssituation zu Beginn der Tätigkeit.

Im vorliegenden Beispiel verdeutlicht die Häufigkeitsverteilung der EA-MF-Punkte in den einzelnen Quadranten die unterschiedlichen Wirkungen der beiden Endoskopieverfahren auf die Muskulatur (   Abb. 3 ).

Elektromyographie als Methode zur Bestimmung der „Physiologischen Kosten“

Im zweiten Beispiel wird zunächst die Analyse einer zyklischen Tätigkeit an einem PC-Arbeitsplatz dargestellt. Die Analyse beschränkt sich auf die Betrachtung der elektromyographischen Aktivität (EA). Analysiert wird dabei die Kraftanforderung an die Muskulatur und die Anteile statischer und dynamischer Beanspruchungen mit dem Ziel, die Wirkung differenter Produktgestaltung zu evaluieren. In   Abbildung 4 sind die notwendigen Analyseschritte und Ergebnisse abgebildet. Eine detaillierte Darstellung dieser Methodik findet sich bei Strasser et al. (1989) und Kluth et al. (2007).

Abweichend von dem in Abschnitt „Elektromyographische Aktivität“ (Teil 1, ASU 8/2013, S. 474) dargestellten Vorgehen wurde auf das gleichgerichtete und gefilterte Roh-EMG zurückgegriffen. Hierbei reflektiert die elektromyographische Aktivität EA als Hüllkurve (vgl. Abb. 4, oberste beispielhafte Registrierung einer Zeitserie über 50 s) die Muskelerregung und korreliert unter statischen Bedingungen mit der aufgebrachten Muskelkraft. Für dynamische Kontraktionen gilt das wegen der Abhängigkeit der Hebelwirkung vom Gelenkwinkel und wegen der geschwindigkeitsabhängigen Kontraktionskraft nur eingeschränkt. Ermüdung führt zu einem Anstieg über die entsprechende Kennlinie des EA-Kraft-Verlaufs hinaus, da eine ansteigende Muskelinnervation zur Aufrechterhaltung der Kraft notwendig wird. Wie oben dargestellt, können in diesem Ansatz die „physiologischen Kosten“ manueller Arbeiten ermittelt werden und damit eine Quantifizierung dessen erfolgen, was der Organismus an Muskelaktivierung aufwenden muss, um bei gegebenen Arbeitsverhältnissen eine Aufgabe zu verrichten. Im Unterschied zu Energieumsatzmessungen können diese Kosten gezielt für die einzelnen beteiligten Muskeln ausgewiesen werden. Bei mehr oder weniger günstigen manipulativen Arbeiten im Zuge der bewegungstechnischen Arbeitsgestaltung (vgl. z. B. Kluth 1996; Strasser u. Ernst 1992; Strasser u. Müller 1999) sind die „physiologischen Kosten“ unterschiedlich groß.

Die Beanspruchungsbeurteilung mittels OEMG bleibt aber nicht auf die Arbeitsgestaltung beschränkt, sondern lässt sich erfolgreich auch bei der Gestaltung von ergonomischen Arbeitsmitteln einsetzen. Mittels drei handelsüblichen Standardschraubendrehern sei gezeigt, dass mit einem Griff, der den Eigengesetzlichkeiten der Hand weitgehend angepasst ist, sowohl höhere Kräfte bzw. Drehmomente entfaltet werden können, wie auch umgekehrt man sich bei gleicher abverlangter Arbeit weniger „plagen“ muss (Strasser u. Bullinger 2007). So lag das mit einem Standardschraubendreher (SD 3) erbringbare maximale Drehmoment um etwa die Hälfte unter dem Wert, der sich bei dem Griff SD 1 ergab, der ergonomischen Ansprüchen in besonderer Form entsprach (   Abb. 5, rechts).

Bedeutsamer, weil näher am Alltagsgeschehen, ist schließlich der Vergleich des physiologischen Aufwands, der bei der Verwendung unterschiedlicher Schraubendreher, aber bei gleicher submaximaler operationeller Leistung aufgebracht werden muss. Bei der Vorgabe von 40 % des auf einen Referenzwert bezogenen maximalen Drehmoments über eine Haltedauer von 10   Sekunden ergab sich aus den dabei ermittelten elektromyographischen Daten, dass bei Werkzeugen, die nicht „nach des Menschen Maß“, d.   h. ohne eine konsequent ergonomische Gestaltung entwickelt wurden, zum Teil doch erheblich mehr an physiologischen Ressourcen mobilisiert werden müssen. Die in Abbildung 5 links verdeutlichte muskuläre Beanspruchung lässt den Schluss zu, dass sich mit einem volumenreichen, rutschfesten und dem Handgewölbe angepassten Griff (SD 1) die gestellte Aufgabe angenehmer erledigen lässt. Schon deutlich erkennbar wird die Zunahme der Leistungserfordernis für den Grifftyp SD 2 mit seiner nicht in allen Belangen dem Handgewölbe angepassten Formgebung. Die gemittelten Ergebnisse für den schlanken Standardgriff SD 3 heben sich auch aus dieser Grafik hervor. Bereits für diese mit den beiden anderen Grifftypen (auch körperlich) leicht zu bewältigende Aufgabe wird eine markante Steigerung der von den Probanden zu erbringenden physiologischen Leistung erkennbar. Das wird besonders im Vergleich der in   Abb. 6 beispielhaft für die Grifftypen SD 2 und SD 3 dargestellten Kurvenverläufe der Muskelbeanspruchungen ersichtlich (vgl. Kluth et al. 2004). Während sich für den Griff SD 2 nur eine geringe, nicht ansteigende elektromyographische Aktivität zeigt, liegt das Aktivitätsniveau beim Grifftyp SD 3 von Anfang an schon wesentlich höher, und für 3 der 4 Ableitungen steigen die Werte im Verlauf der Messung sogar noch an. Dieser Schraubendrehergriff ist nach dem heutigen Stand der Technik selbst für so körperlich wenig fordernde Tätigkeiten nicht mehr zu empfehlen.

Literatur

Edwards RHT. Human muscle function and fatigue. In: Porter R, Whelan J (eds.): Human muscle fatigiue: Physiological mechanisms 1–18. London: Pitman Medical, 1981.

Göbel M, Skelton SA. Interaction of awkward working posture and manipulation tasks on physical strain. Proceedings of the 17th World Congress on Ergonomics. IEA 2009, Beijing, China, CD Rom (ID 2OB0025), 2009.

Kluth K, Böhlemann JB, Strasser H. Rapid communication a system for strain-oriented analysis of the layout of assembly workplaces. Ergonomics 2007; 37: 1441–1448.

Kluth K, Chung HC, Strasser H. Verfahren und Methoden zur Prüfung der ergonomischen Qualität von handgeführten Arbeitsmitteln – Professionelle Schraubendreher im Test. Schriftenreihe Ergo-Med. Band 5. Heidelberg: Dr. Curt Haefner-Verlag, 2004.

Kluth K. Physiologische Kosten repetitiver Bewegungen an planzeitorientierten Montagearbeitsplätzen mit sitzender Tätigkeitsausführung. Siegen: Höpner und Göttert, 1996.

Luttmann A. Untersuchung von Muskelbeanspruchung und -ermüdung mit Hilfe der Oberflächen-Elektromyographie – Teil 1: Physiologische Grundlagen und EMG-Kenngrößen. Zbl Arbeitsmed 2001; 51: 426–442.

Luttmann A, Jäger M, Sökeland J, Laurig W. Electromyographical study on surgeons in urology, Part I: Influence of the operating technique on muscular strain. Ergonomics 1996a; 39: 285–297.

Luttmann A, Jäger M, Sökeland J, Laurig W. Electromyographical study on surgeons in urology, Part II: Determination of muscular fatigue. Ergonomics 1996b; 39: 298–313.

Ngcamu NS; Zschernack S, Göbel M. The interaction between awkward postures and precision performance as an example for the relationship between ergonomics and production. Proceedings of the 17th World Congress on Ergonomics. IEA 2009, Beijing, China, CD Rom (ID 2OR0045), 2009.

Strasser H, Bullinger H-J. Handgeführte Werkzeuge und handbetätigte Stellteile. In: Letzel S, Nowak D (Hrsg.): Handbuch der Arbeitsmedizin. 2. Ergänzungslieferung 5/07. BV-9. Ergonomie und Arbeitsgestaltung, 1-24. Landsberg/Lech: Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH eco-med Medizin, 2007.

Strasser H, Ernst J. Physiological cost of horizontal materials handling while seated. Int J Industr Ergonom 1992; 9: 303–313.

Strasser H, Müller K-W. Favourable movements of the hand-arm system in the horizontal plane assessed by electromyographic investigations and subjective rating. Int J Industr Ergonom 1999; 23: 339–347.

Strasser H, Keller E, Müller K-W, Ernst J. Local muscular strain dependent on the direction of horizontal arm movements. Ergonomics 1989; 32: 899–910.

Diese Leitlinie ist auch in der Zeitschrift für Arbeitswissenschaft erschienen.

Erste Fassung erarbeitet von H. Strasser, Siegen (1999)

Erstmalige Aktualisierung von H. Strasser, Siegen (2004)

Letztmalig aktualisiert von Benjamin Steinhilber (Tübingen), Christoph Anders (Jena), Matthias Jäger (Dortmund), Thomas Läubli (Zürich), Alwin Luttmann (Dortmund), Monika A. Rieger (Tübingen), Hans-Christoph Scholle (Jena), Nikolaus-Peter Schumann (Jena), Robert Seibt (Thum), Helmut Strasser (Siegen), Karsten Kluth (Siegen), März 2013

Diskutiert in der Arbeitsgruppe „Forum Arbeitsphysiologie“ der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e. V. (DGAUM) und der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e. V. (GfA) am 09.11.2012 und 13.03.2013.

Letztmalig aktualisierte Fassung verabschiedet vom Vorstand der DGAUM: 18.04.2013

Hinweise bitte an:

Prof. Dr.-Ing. Karsten Kluth

kluth@ergonomie.uni-siegen.de

oder

Dr. rer. nat. Benjamin Steinhilber

benjamin.steinhilber@med.uni-tuebingen.de

oder

Geschäftsstelle der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e. V.

Hauptgeschäftsführer Dr. phil. Thomas Nesseler

Schwanthaler 73 b

80336 München

gsdgaum@dgaum.de

* Aufgrund des Umfangs dieser Leitlinie wurde der Text in zwei Teilen veröffentlicht: Teil 1 ist bereits in ASU Ausgabe 8/2013 erschienen