Messtechnisch unterstützte Quantifizierung der Repetitionsbelastung des Hand-Arm-Systems bei ­manuellen Arbeitsprozessen an modernen Montage­arbeitsplätzen und deren Bewertung

U. Glitsch

D. Ditchen

R. Ellegast

Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV), St. Augustin

(eingegangen am 02.02.2021, angenommen am 09.09.2021)

Measurement-based evaluation of the repetitive strain on the hand-arm system during manual work processes at modern assembly workplaces

Objective: On both modern assembly lines and U-shaped lines, the workplaces comprise multiple workstations or work processes with differing requirements. This presents difficulties for recognition and assessment of the repetitive nature of the activity as a whole. This paper presents the measurement of repetitive strains on the upper extremities on real-case
U-shaped assembly line systems.

Methods: In a field study, a total of 24 workers in six plants in the metalworking and electrical engineering sectors were analysed at 18 different U-shaped assembly line workplaces. Movements of the hand-arm system and muscular activity of the hand flexor muscles (M. carpi ulnaris) and the trapezius muscles were recorded at each workplace over a period of between 1 and 2 hours by means of the CUELA measurement system and surface electromyography (EMG).

Results: The medians of the angular velocities of the wrist varied between the different workplaces from a low of 2.4 °/s to a high of 20.5 °/s. Correspondingly, the average movement frequencies of the wrist lay between 0.23 and 0.43 Hz. Conversely, the micropause components (angular velocity
< 1 °/s for Δt > 0.5 s) reached values between 13.5 % and 1.6 % of the working time. Without any evident relation to the kinematics, the surface EMG of the forearm flexors exhibited on average a dynamic (P90) load of around 20 % of the individual maximal voluntary EMG activity (MVE). At half of the workplaces however, the micro pauses (time component EMG_RMS < 0.5 % MVE) totalled only 10 % or less of the recorded working time.

Conclusions: Repetitive strains on the hand-arm system were also quantified in the field at workplaces differing in their degree of automation and with alternating workstations. Although the dynamic forces that must be applied at modern assembly lines are generally quite moderate, the associated repetitive strains are often high. This must be taken into particular consideration when planning job rotation on assembly lines.

Keywords: assembly line – manual work processes – U-shaped assembly line – repetitive strain – workload analysis based on measured dataa

ASU Arbeitsmed Sozialmed Umweltmed 2021; 56: 630–637

Messtechnisch unterstützte Quantifizierung der Repetitionsbelastung des Hand-Arm-Systems bei manuellen Arbeitsprozessen an modernen Montagearbeitsplätzen und deren Bewertung

Zielsetzung: An modernen Montagelinien wie auch an U-Linien umfassen die Arbeitsplätze mehrere Arbeitsstationen beziehungsweise Arbeitsprozesse mit unterschiedlichen Anforderungen, was das Erkennen und die Beurteilung des repetitiven Charakters der gesamten Tätigkeit erschwert. In diesem Beitrag werden messtechnisch erfasste Repetitionsbelastungen der oberen Extremitäten an realen U-Linien-Montagesystemen dargestellt.

Methode: In einer Feldstudie wurden insgesamt 24 Beschäftigte in sechs Betrieben aus den Bereichen Metallverarbeitung und Elektrotechnik an 18 verschiedenen U-Linien-Arbeitsplätzen analysiert. An jedem Arbeitsplatz wurden Bewegungen und muskelphysiologische Beanspruchungen der Handgelenksflexoren (M. carpi ulnaris) und der Schulterheber (M. trapezius) über eine Dauer von 1 bis 2 h mit dem CUELA-Messsystem und mittels Oberflächenelektromyografie (OEMG) erfasst.

Ergebnisse: Die Mediane der Winkelgeschwindigkeiten des Handgelenks variierten an den verschiedenen Arbeitsplätzen in einem Wertebereich von niedrigen 2,4 °/s bis deutlich erhöhten 20,5 °/s. Die mittleren Bewegungsfrequenzen des Handgelenks lagen entsprechend zwischen 0,23 und 0,43 Hz. Umgekehrt dazu betrugen die Mikropausenanteile (Winkelgeschwindigkeit < 1 °/s über ∆t ≥ 0,5 s) zwischen 13,5 % und 1,6 % der Arbeitszeit. Ohne erkennbaren Bezug zur Kinematik wies das OEMG der Unterarmflexoren durchschnittlich eine moderate dynamische (P90) Belastung um 20 % der individuellen maximalen Muskelaktivierung (MVE) aus. Die Summe der Mikropausen (Zeitanteil EMG_RMS < 0,5 %MVE) erreichte allerdings bei der Hälfte der Arbeitsplätze höchstens einen Zeitanteil von 10 % der innerhalb der Messdauer der erfassten Arbeitszeit.

Schlussfolgerung: Repetitionsbelastungen des Hand-Arm-Systems konnten auch an Arbeitsplatzplätzen mit unterschiedlichem Automatisierungsgrad und wechselnden Arbeitsstationen in der Praxis quantifiziert werden. Moderne Montagelinien zeichnen sich zwar meist durch eher moderate Anforderungen hinsichtlich dynamischer Krafteinsätze aus, zeigen andererseits aber häufig hohe Repetitionsbelastungen. Dies ist insbesondere bei der Gestaltung von Job-Rotationen an Montagelinien zu berücksichtigen.

Schlüsselwörter: Montagelinie – manuelle Arbeitsprozesse – U-Linie – Repetitionsbelastung – messdatengestützte Belastungsanalyse

Einleitung

Arbeitsplätze mit einem hohen Anteil an repetitiven Tätigkeiten werden mit einem erhöhten Risiko für die Entstehung von Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) im Bereich der oberen Extremitäten bei den Beschäftigten in Verbindung gebracht. Zu diesen Erkrankungen zählen zum Beispiel Sehnenansatz- oder Sehnenscheidenentzündungen, sensorische Empfindlichkeitsstörungen, muskuläre Bindegewebsbeeinträchtigungen und verschiedene Gelenkerkrankungen (Chaffin 2009; da Costa et al. 2010; Rempel et al. 2015; Seidel et al. 2019; van der Molen et al. 2019).

An modernen Montagelinien zeichnen sich die Arbeitsplätze einer­seits durch verringerte Anforderungen hinsichtlich maximaler Krafteinsätze, aber andererseits auch durch eine Verdichtung von Arbeitstätigkeiten mit monotonem und repetitivem Charakter aus. Diese Tätigkeiten umfassen in der Regel mehrere Arbeitsstationen beziehungsweise unterschiedliche Arbeitsprozesse aus einer Kombination von manueller Montage, dem Einsatz handgeführter Maschinen und Automatenbedienung (Richter 2006). Solche hybriden Fertigungssysteme aus dem Bereich der ganzheitlichen Produktionssysteme (GPS) sind häufig als U-Linie mit so genanntem „One-Piece-Flow“ oder als Fertigungsinsel gestaltet. Der repetitive Charakter der Tätigkeiten innerhalb dieser Fertigungssysteme ist mitunter nicht unmittelbar ersichtlich. Daher können physische Anforderungen an derartigen Arbeitsplätzen nur schwer anhand einfacher Screening-Verfahren („Papier-und-Bleistift-Verfahren“) bewertet werden. Demgegenüber stellen messtechnisch gestützte Untersuchungs- und Bewertungsverfahren in der betrieblichen Praxis nicht nur eine objektivere, sondern auch wesentlich sensitivere und spezifischere Alternative dar (Arvidsson et al. 2003; Bao et al. 2007; Hansson et al. 1997; Mathiassen et al. 2003).

In der Vergangenheit wurden bereits zahlreiche messtechnisch gestützte Untersuchungen zur Repetitionsbelastung an industriellen Montagelinien durchgeführt (Arvidsson et al. 2003; Hansson et al. 1997, 2009, 2000b; Locks et al. 2018; Mathiassen et al. 2003; Stal et al. 2003). Dabei wurden mittels kinematischer und/oder elektromyografischer Messverfahren Gelenkbewegungen beziehungsweise Muskelaktivitäten an den oberen Extremitäten der Beschäftigten über mehrere Stunden oder ganze Arbeitsschichten aufgezeichnet und Repetitionsbelastungen mit anschließenden Signalanalyseverfahren bestimmt. Als wichtige Parameter hierzu dienen insbesondere Perzentilwerte der Winkelgeschwindigkeiten und Bewegungsfrequenzen sowie Ruhephasen (Hansson et al. 2009, 2010). Bei den bislang untersuchten Montagearbeitsplätzen handelte es sich in der Regel um konventionelle Montagelinien mit serieller Fließfertigung, an denen die Beschäftigten nur wenige Tätigkeiten innerhalb eines Taktes stationär an einer Arbeitsstation ausführen mussten.

Bislang sind den Autoren dagegen keine entsprechenden Studien an modernen Montage-U-Linien mit mehreren Arbeitsstationen und hybrider Fertigungsstruktur bekannt. Zülch und Zülch (2017) demonstrierten in ihrer theoretischen Simulationsanalyse die Notwendigkeit eines dynamischen (Computersimulation) anstatt eines statischen (z. B. rein tabellarisch) Ansatzes zur Ergonomiebewertung von U-Linien.

Dieser Ansatz soll mit der vorliegenden Studie weiterverfolgt werden. Ziel war es, mit Hilfe eines messtechnisch gestützten Analyseverfahrens die Repetitionsbelastungen der oberen Extremitäten an realen U-Linien-Montagesystemen zu erfassen und zu bewerten. Dazu wurden Daten an mehreren U-Linien aus verschiedenen Branchen erhoben, um einen Überblick über die unterschiedlichen Belastungssituationen zu erhalten. In diesem Beitrag werden die gemessenen Hand-Arm-Belastungen der untersuchten Arbeitsplätze deskriptiv dargestellt und bewertet.

Methoden

Im Rahmen einer Feldstudie wurden in sechs Betrieben aus den Bereichen Metallverarbeitung und Elektrotechnik insgesamt 18 verschiedene U-Linien-Arbeitsplätze analysiert. Insgesamt konnten 24 an diesen Arbeitsplätzen tätige Beschäftigte (12 w., 12 m.) für die Teilnahme an der Studie gewonnen werden. Die Auswahl der Betriebe unter der Maßgabe von routinemäßig betriebenen U-Linien-Montage-Systemen erfolgte durch den zuständigen Forschungsbegleitkreis, bestehend aus Fachleuten der beteiligten Unfallversicherungsträger, Arbeitgeber- Arbeitnehmer-Vertretungen und Forschende. Die potenziell infrage kommenden Betriebe wurden von den im Forschungsbegleitkreis beteiligten Organisationen über die Teilnahmemöglichkeit am Forschungsvorhaben informiert.

Die erfahrenen (Mittelwert [MW]: 13,8 Berufsjahre; Standardabweichung [SD]: 9,3 Berufsjahre) Beschäftigten mit einem mittleren Alter von 43,5 Jahren (SD 8,3), einer mittleren Körpergröße von 1,71 m (SD 0,09) und einem mittleren Körpergewicht von 75 kg (SD14,7) (BMI: MW 25,4 kg/m² [SD 3,6]) waren entsprechend ihrer freiwilligen Selbstauskunft zum Untersuchungszeitpunkt gesund und frei von akuten Muskel-Skelett-Beschwerden. Im Mittel konnten die Beschäftigten maximale Greifkräfte im Kraftgriff von 280 N (SD 88) rechts und 272 N (SD 89) links erreichen. Im Vorfeld wurden die Testpersonen eingehend über die geplanten Versuche informiert, bevor sie ihre freiwillige Teilnahme an der Studie zusagten. Die datenschutzrechtlichen Belange wurden im Vorfeld mit den Geschäftsführungen unter Beteiligung des jeweiligen Betriebsrats abgeklärt. Da die Versuchspersonen nur ihrer täglichen Arbeit in gewohnter Weise nachgehen sollten und keine gefährlichen oder invasiven Untersuchungsmethoden eingesetzt wurden, war kein gesondertes Ethikvotum darüber hinaus erforderlich. Eine Gratifikation der Versuchspersonen erfolgte nicht.

Die Arbeitsplätze beziehungsweise -bereiche innerhalb der U-Linien umfassten zwischen 1 und 16 Arbeitsstationen mit einer hybriden Fertigungsstruktur von manuell bis automatisiert reichend. Die durchschnittlichen Zyklusdauern – Zeitdauer für einen Umlauf innerhalb des Arbeitsbereichs – betrugen zwischen ca. 40 s und 16 min (➥ Tabelle 1). An jedem Arbeitsplatz wurden am gleichen Tag zwei Beschäftigte nacheinander zwischen etwa 1 und 2 h messtechnisch analysiert, um die Variabilität durch unterschiedlicher Arbeitsweisen zu erfassen und – zumindest ansatzweise – personenspezifische Effekte auf die Ergebnisse zu kompensieren. Die Beschäftigten rotierten entsprechend der betriebsinternen Vorgaben zwischen verschiedenen Arbeitsbereichen, so dass die Analysedauer dadurch vorgegeben beziehungsweise limitiert war. In einigen Fällen wechselten die Versuchspersonen den Arbeitsbereich innerhalb der zu untersuchenden Montagelinie, so dass zwei Arbeitsplätze (unterschiedliche Bereiche in der U-Linie) innerhalb eines Messdurchlaufs erfasst werden konnten.

Die Gelenkwinkel der oberen Extremitäten (Handgelenk, Ellenbogen und Schultergelenk) wurden mit dem CUELA-System – einem am Körper getragenen Bewegungsmesssystem auf Basis einer Kombination aus Inertialsensoren und Goniometern – mit einer Abtastfrequenz von 50 Hz aufgezeichnet (Ellegast et al. 2010). Besonders relevant waren dabei die Flexion und Extension von Hand- und Ellenbogengelenk. Aus den Winkel-Zeit-Verläufen wurden die entsprechenden Winkelgeschwindigkeiten und das Frequenzspektrum (Mittenfrequenz – „mean power frequency“ – MPF) bestimmt. Als kinematische Expositionsmaße für die Repetitionsbelastung dienten das jeweils 50. Perzentil (P50) der Winkelgeschwindigkeitsverläufe und der Mikropausenanteil – der Zeitanteil in dem die Winkelgeschwindigkeit über mindestens 0,5 s kontinuierlich kleiner als 1 °/s ist (Hansson 2009).

Die muskelphysiologische Beanspruchung der Handgelenksflexoren (M. carpi ulnaris) und der Schulterheber (M. trapezius, P. descendens) wurden beidseits mittels der Oberflächenelektromyografie (OEMG) erfasst. Dabei wurden die Aktionspotenziale mit Ag/Ag-Cl-Elektroden bipolar abgeleitet und mit einem Vierkanalsystem (Biomed, Jena) mit 1000-facher Verstärkung und integrierter Bandpassfilterung (25/450 Hz) aufgezeichnet. Vor der Applikation der Klebeelektroden (BlueSensor N, Ambu, Dänemark) wurden die betreffenden Hautpartien abrasiv vorbehandelt und mit Alkohol gereinigt. Die Rohsignale wurden innerhalb der Digitaleinheit des EMG-Systems in Echtzeit zu RMS-Werten (Effektivwert, quadratisches Mittel – „root mean square“) mit einer Fensterbreite von 0,2 s umgerechnet und mit einer Aktualisierungsrate von 50 Hz an das CUELA-Speichermodul übertragen.

Die Bestimmung der maximalen Willküraktivität („maximum voluntary electrical activity“, MVE) erfolgte zum einen für die Handflexoren während der Ausführung maximaler Greifkräfte (Fmax) der Hände im Kraftgriff mit einem elektronischen Kraftmesser (Pablo-Messsystem, Fa. Tyromotion, Graz) und zum anderen für die Trapezmuskeln während der Abduktion der Arme in Seithalte mit nach unten weisenden Handflächen gegen einen unüberwindbaren Widerstand im Bereich der Ellenbogengelenke in aufrecht sitzender Haltung. Aus jeweils drei Versuchen mit isometrisch maximaler Kontraktion über etwa 3 s wurde der höchste gleitende Mittelwert mit einer Fensterbreite von 1,5 s der RMS-Werte für jeden EMG-Kanal ermittelt. Bezüglich dieser MVE-Werte wurden die RMS-Zeit-Verläufe der Arbeitsplatzmessungen normalisiert (DGAUM 2013). Als muskelphysiologische Expositionsmaße dienten das 90. Perzentil des RMS-Signals und der Mikropausenanteil – Zeitanteil, in dem die Aktivität kleiner als 0,5 %MVE ist (Hansson et al. 2009). Weiter wurden als muskelphysiologische Expositionsmaße – jeweils für die abgeleiteten Muskeln – das adjustierte EMG [EMG_adj = Mittelwert (EMG) + Varianz (EMG)/Mittelwert (EMG)] und für die Handflexoren die adjustierte Greifkraft ( F_adj = EMG_adj · F_max) bestimmt (Silverstein et al. 1986).

Zur Bewertung der Hand- und Ellenbogenwinkelstellungen kam das Ampelbewertungsverfahren nach Drury (1987) beziehungsweise das RULA-Verfahren (McAtamney et al. 1993) zum Einsatz. Die Bewertung der Repetitionsbelastung der weiteren Ergebnisparametern erfolgte nach dem IFA-Schema (Glitsch et al. 2012), basierend auf der Studie von Hansson (2009), wo an 686 (w: 523; m: 163) Beschäftigten bei 43 berufsbezogenen Tätigkeiten mit zum Teil sehr hohen Repetitionsbelastungen mittels Goniometrie und OEMG analysiert wurden. Außerdem wurde von der ergonomischen Grundthese ausgegangen, dass ab eines mittleren Expositionslevels mit der weiteren Zunahme der Exposition die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von MSE steigt (Heilskov-Hansen et al. 2016). Die Bewertung der adjustierten Greifkraft der Handflexoren geht auf die Studie von Silverstein et al. (1986) zurück, die eine kritische Schwelle von 60 N (angepasst von der ursprünglichen Angabe der Kraft in kg) für die Entstehung von MSE in diesem Bereich benennt.

Insgesamt soll das hier verwendete Ampelschema dem betrieblichen Praktiker eine Orientierungshilfe für die ergonomische Bewertung des Arbeitsplatzes und die Dringlichkeit von weiteren ergonomischen Maßnahmen zum Schutz der Gesundheit der dort Beschäftigten aufzeigen (DIN EN 614-1 2009-06). Eine dezidierte Kennzeichnung konkreter Risikomaße für die Beeinträchtigung der Gesundheit dieser Beschäftigten ist damit nicht verbunden.

Zur Veranschaulichung der interparametrischen Zusammenhänge wurden jeweils Rangfolgen der gemittelten P50-Werte der Winkelgeschwindigkeiten von Hand- und Ellenbogengelenk über die einzelnen Arbeitsplätze gebildet. Für die Rangfolgen wurden die Korrelationskoeffizienten von Spearman (rho) mit SPSS (Vers. 23) berechnet.

Ergebnisse

Zunächst folgt hier die Darstellung der Ergebnisse beispielhaft an einer Montagelinie aus dem Bereich Metallverarbeitung/Montage (Code: B_01). Die Verteilung der Handgelenkstellung variiert links von –49,1° (P5, Extension) bis +8,9° (P95, Flexion) und rechts von –52,3° (P5) bis +0,3° (P95) (➥ Abb. 1). Die Medianwerte liegen bei –21,6° beziehungsweise –28,2°. Beim Ellenbogengelenk variiert die Stellung (Flexion) links zwischen +32,7° (P5) und +113,7° (P95) und rechts zwischen +33,9° (P5) und +92,8° (P95).

Da die untersuchten Montagelinien fast ausschließlich eine beidhändige Arbeit erforderten und die Repetitionsmaße der rechten und linken Körperseite keine durchgehende Dominanz nur eines Armes aufweisen, wurden Daten beider Körperseiten zusammengeführt und gemittelt. Die kinematischen Repetitionsparameter ergeben eine moderat bis erhöhte Repetitionsbelastung bezüglich der gemittelten Mediane der Winkelgeschwindigkeiten des Ellenbogen- (MW 11,7 °/s [SD 2,5]) und Handgelenks (MW: 16,7 °/s [SD 3,2], ➥ Abb. 2). Noch ausgeprägter zeigen dies die gemittelten Mediane der Bewegungsfrequenzen des Ellenbogen- (MW 0,35 Hz [SD 0,01]) und Handgelenks (MW 0,40 Hz [SD 0,03]). Die mittleren Mikropausen liegen sowohl beim Ellenbogen- mit 2,82 % (SD 1,9) als auch beim Handgelenk mit 4,0 % (SD 1,7) der Arbeitszeit im kritischen – roten – Bereich. Dies wird auch seitens der EMG-Mikropausen des M. trapezius (MW 3,9 % [SD 1,3]) und der Unterarmflexoren (MW 7,7 % [SD 5,3]) bestätigt. Dagegen weisen die Ergebnisse der dynamischen muskelphysiologischen Parameter eine moderatere Repetitionsbelastung aus. Insbesondere der P90-Wert des M. trapezius (MW 13,0 %MVE [SD 2,9]) und die adjustierte Kraft der Unterarmflexoren (MW 38 N [SD 11]) liegen jeweils im grünen Bereich des Bewertungsschemas.

In der Gesamtschau aller 18 untersuchten Montagelinien wurden die Rangfolgen der verschiedenen Repetitionsparameter gebildet (Ausgangspunkt: aufsteigende mediane Winkelgeschwindigkeit des Handgelenks (➥ Abb. 3). Der Median der Winkelgeschwindigkeit variiert an den verschiedenen Arbeitsplätzen über einen Wertebereich von niedrigen 2,4 °/s bis deutlich erhöhten 20,5 °/s. Überwiegend ähnlich dazu reicht der Wertebereich der mittleren Bewegungsfrequenzen des Handgelenks von 0,23 bis 0,43 Hz (rho = 0,998, p < 0,001). Umgekehrt zu dieser Assoziation verkürzen sich die Mikropausenanteile von 13,5 bis 1,6 % der Arbeitszeit erwartungsgemäß mit zunehmender Repetition (rho > 0,999, p < 0,001). An über 50 % der Arbeitsplätze liegen die Werte im ergonomisch roten Bereich.

Bei den Messungen am Arbeitsplatz F_02d waren die EMG-Signale der Unterarmflexoren (M. carpi ulnaris) zeitweilig durch breitbandiges Rauschen gestört, so dass die EMG-Parameter, die von kleineren Amplitudenanteilen des Signals abhängen – wie die Mikropausen und das adjustierte EMG –, nicht bestimmt werden konnten.

Die muskelphysiologischen Repetitionsparameter der Unterarmflexoren folgen der Rangfolge der Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise der Bewegungsfrequenzen praktisch nicht (EMG-P90: rho = 0,044, p = 0,861; EMG-Mikropause: rho = –0,633, p = 0,005; EMG_adj: rho = –0,015, p = 0,995; EMG_adj.Kraft: rho = –0,152, p = 0,560). Jedoch sind auch hier verschiedene Besonderheiten festzustellen. Der dynamische Anteil des EMGs der Unterarmflexoren erreicht mehrheitlich Werte um 20 %MVE (Grün-Gelb-Übergang). Ohne erkennbare Assoziation liegen die Mikropausen etwa zur Hälfte bei 10 % der Arbeitszeit (Gelb-Rot-Übergang) oder darunter. Demgegenüber pendeln die adjustierten EMG-Werte mehrheitlich um 20 %MVE (Gelb-Rot-Übergang), ohne den grünen Bereich von unter 10 %MVE zu erreichen. Die adjustierten Greifkräfte variieren von 29 N (grüner Bereich) bis 74 N (roter Bereich), ohne dabei der Rangfolge der Winkelgeschwindigkeit des Handgelenks zu folgen.

Die Parameter des Ellenbogengelenks und im Bereich der Schulter sind in Abhängigkeit der Rangfolgen der Winkelgeschwindigkeit des Ellenbogengelenks dargestellt, die zwischen 5 °/s (SD 0,1) und 27 °/s (SD 9,9) variieren (➥ Abb. 4). Dieser Rangordnung folgt die Bewegungsfrequenz nur bedingt (rho = 0,319, p = 0,190). An der Mehrzahl der Arbeitsplätze liegt die mittlere Bewegungsfrequenz im gelben Bereich zwischen 10 und 20 Hz. Auffällig ist der Spitzenwert von 0,54 Hz (SD 0,06) am Arbeitsplatz E_02 – Elektrogerätemontage –, der auch schon bei der Handgelenksfrequenz den roten Bereich erreichte. Die Werte des Mikropausenanteils des Ellenbogengelenks liegen ausnahmslos im roten Bereich unterhalb von 7 % der Arbeitszeit (rho = –0,614, p = 0,007).

Hinsichtlich des dynamischen Anteils (P90) liegen die muskelphysiologischen Belastungen des M. trapezius überwiegend im grünen Bereich unterhalb von 20 %MVE (rho = –0,146, p = 0,565), wohingegen der EMG-Mikropausenanteil überwiegend nur Werte unterhalb von 10 % der Arbeitszeit (roter Bereich) erreicht (rho = –0,207, p = 0,409). Das adjustierte EMG des M. trapezius zeigt mehrheitlich Werte zwischen 10 und 20 %MVE (gelber Bereich), ohne erkennbaren Zusammenhang mit der Winkelgeschwindigkeit des Ellenbogengelenks (rho = 0,005, p = 0,984).

Schlussfolgerungen

Der hier vorgestellte Messansatz zur Erfassung der Repetitionsbelastung erwies sich für alle untersuchten Arbeitsplatzplätze unabhängig vom Automatisierungsgrad und Wechselrhythmus der einzelnen Arbeitsstationen als geeignete Methode. Neben der Körperhaltung wurden insbesondere die Geschwindigkeiten der Flexionsbewegungen im Hand- und Ellenbogengelenk sowie die muskelphysiologische Aktivität ausgewählter Muskeln im Schulter-Arm-Bereich kontinuierlich aufgezeichnet und anschließend bewertet. Das mehrdimensionale Bewertungsverfahren analysiert unterschiedlichste Formen der Repetitionsbelastung hinsichtlich der Ausprägung der Bewegungsamplituden, der -frequenz und des Kraftaufwandes. Ein besonderer Aspekt ist die Erfassung der Mikropausenanteile, denen eine spezielle Bedeutung bei der Entstehung von MSE zugeschrieben wird (Arvidsson et al. 2006; Hansson et al. 2009; Stal et al. 2003).

Die gefundenen engen interparametrischen Zusammen­hänge zwischen den kinematischen Größen des Handgelenks deuten auf eine gegenseitige Austauschbarkeit der Parameter hin, wobei jedoch jeweils unterschiedliche Belastungsniveaus erreicht wurden. Demgegenüber stellten sich die EMG-Parameter der Unterarmflexoren als weitgehend eigenständig dar. Auch zwischen den verschiedenen EMG-
Parametern bestehen scheinbar nur schwache Zusammenhänge. Beim Ellenbogengelenk war ein Zusammenhang zwischen den kinematischen Parametern nicht feststellbar. Ebenso unabhängig verhielt sich die Aktivität des M. trapezius. Bei den untersuchten Tätigkeiten lässt sich deutlich die Funktion des M. trapezius als „Haltemuskel“ erkennen, die sich völlig anders darstellt als die der hierbei als „Bewegungsmuskeln“ agierenden Unterarmflexoren. Die EMG-Ergebnisse sprechen dafür, dass die untersuchten Montagearbeitsplätze keine hohen Dynamikeinsätze (EMG P90) des Trapeziusmuskels erfordern. Demgegenüber waren die oft nur sehr geringen Mikropausenanteile (< 10 % Arbeitszeit – roter Bereich) auffällig.

Im Vergleich mit anderen Studien über traditionelle Fließbandarbeit decken sich die Ergebnisse (Hansson et al. 2009, 2010; Locks et al. 2018; Nordander et al. 2016). Noch deutlich höhere Repetitionswerte bzgl. der kinematischen Parameter wurden beispielsweise beim Melken (Handgelenkfrequenz MPF = 0,62 Hz) und der Pelzverarbeitung (mediane Handgelenkgeschwindigkeit = 54 °/s) gefunden (Hansson et al. 1997).

Die EMG-Parameter wiesen im Vergleich zu den kinematischen eine größere interindividuelle Varianz aus. An einzelnen Arbeitsplätzen unterschieden sich die Beanspruchungsprofile der Beschäftigten deutlich wie beispielsweise an Arbeitsbereich E_03 das adjustierte EMG des Trapeziusmuskels (SD 9,6%MVE) anzeigt. Dieses unterschiedliche individuelle Arbeits- bzw. Anspannungsverhalten wurde auch bereits in anderen Studien dargestellt und diskutiert (Mathiassen et al. 2003; Nordander et al. 2004).

Das hier vorgestellte Verfahren zur quantitativen Beschreibung der Repetitionsbelastung unterliegt mehreren Limitationen, die bei der Interpretation der Ergebnisse zu beachten sind. Der Ansatz bewertet die Belastung pauschal über den gesamten Messzeitraum, ohne die Chronologie oder eventuelle Verdichtungsphasen der Arbeit zu berücksichtigen. Mit diesem Ansatz soll nicht unterstellt werden, dass die einzelnen Parameter einen unmittelbaren Zusammenhang im Sinne eines Pathomechanismus bei der Entstehung von MSE haben. Dieser besteht vermutlich eher indirekt über andere Faktoren, die bisher nur unzureichend aufgedeckt worden sind. Insofern sind die verwendeten Belastungsparameter mehr als Surrogat-Parameter zu verstehen (Hansson et al. 2000a). Es fehlt hier im Speziellen das konkrete medizinische Outcome im Verhältnis zur jeweiligen Belastungssituation zur Überprüfung der Bewertungsvorhersage. Aktuell kann nur die allgemeine Gültigkeit der Repetitionsbelastung als Risikofaktor für die Entstehung von Muskel-Skelett-Beschwerden als gegeben angenommen werden, wie sie in zahlreichen Studien angeführt wurde. Ferner wird das Bestehen eines Dosis-Wirkungszusammenhangs von Repetition und Muskel-Skelett-Beschwerden ab einer erhöhten Ausgangsbelastung unterstellt (Nordander et al. 2016).

Das Bewertungsverfahren kann nur dann sinnvoll angewandt werden, wenn eine relevante Repetitionsbelastung gegeben ist, das heißt, die mediane Gelenkwinkelgeschwindigkeit oder die mittlere Bewegungsfrequenz mindestens im oberen Teil des grünen Bereichs liegt. Ansonsten kann nur schlussgefolgert werden, dass keine Repetitionsbelastung vorliegt. Das bedeutet aber nicht, dass der Arbeitsplatz damit unmittelbar als „grün“ zu bewerten ist. Gegebenenfalls müssen noch weitere Belastungsfaktoren wie die Lastenhandhabung oder erhöhte Aktionskräfte in Betracht gezogen werden. Diese beiden Belastungsfaktoren traten bei den hier untersuchten Arbeitsplätzen nicht relevant in Erscheinung, was auch die moderaten Dynamikanteile der EMG-Daten (P90) belegen.

Das Verfahren zielt auf eine dreiphasige Bewertung im Sinne eines Ampelschemas ab, was durch die Analyse von zwei Personen in einem Arbeitsbereich meist ausreichend zuverlässig erreicht werden kann. Die adjustierte Kraft der Unterarmflexoren wies die geringste Diskriminierungsfähigkeit auf, so dass hier manchmal nur eine Unterscheidung des roten vom grünen Bereich erreicht werden kann. Für eine zuverlässige Zuordnung zum gelben Bereich müsste eine deutlich größere Personenzahl im gleichen Arbeitsbereich analysiert werden.

Die kontinuierliche Bewegungsaufzeichnung über mehrere Stunden ermöglicht bzw. verlangt neue Bewertungsansätze, da alle Tätigkeitsphasen chronologisch erfasst werden. Hierzu zählen neben den expliziten wertschöpfenden Tätigkeitsphasen auch Übergangs- oder Zwischenphasen, die die Repetitionsbelastung unterbrechen und damit erholend sein können.

Zu beachten ist, dass das Verfahren eine mehrdimensionale Bewertung abgibt und diese final nicht in einen skalaren Punktwert überführt wird. Dies offenbart einerseits die Möglichkeit, immer das Gesamtgeschehen der Repetitionsbelastung im Blick zu behalten. Andererseits können Präventionsmaßnahmen sehr zielgerichtet auf die besonders kritischen Bewertungsparameter ausgerichtet werden. Erschwert ist demgegenüber der einfache Vergleich im Sinne einer Rangfolgenanordnung von verschiedenen Arbeitsplätzen, wozu das Verfahren allerdings auch nicht konzipiert worden ist.

Die generelle Problematik der Gefährdungsbeurteilung, dass im gleichen Arbeitsbereich tätige Beschäftigte sich durch unterschiedliche Arbeitsweisen und Anspannungsmuster der Muskeln unterscheiden und dies zu unterschiedlichen Beurteilungen des Arbeitsplatzes führt, kann durch das vorliegenden Verfahren zwar aufgedeckt, aber nicht gelöst werden (Nordander et al. 2004). Solche Konstellationen werden durch eine größere Standardabweichung angezeigt und lassen sich bei Bedarf differenziert nachanalysieren.

Längerfristig kann die kontinuierliche Datensammlung zu einem Expositionskataster ausgebaut werden und so auch retrospektiv beim Vorliegen entsprechender medizinischer Outcomes genutzt werden. Ferner wird die Ableitung konkreter Präventionsempfehlungen aus den physischen Belastungsprofilen besser und nachvollziehbarer unterstützt. Mögliche Präventions- bzw. Gestaltungsempfehlungen können unmittelbar auf die als kritisch erkannten Parameter abzielen. Ebenso ist eine Priorisierung der Empfehlungen möglich. So kann etwa bei der Planung einer Jobrotation im Vorfeld der potenzielle Effekt auf die Repetitionsbelastung aus den entsprechenden Daten prognostiziert werden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Jobrotation innerhalb einer Montagelinie eher nur begrenzte Effekte hinsichtlich eines möglichen Erholungseffektes bei der Repetitionsbelastung hat. In der Rangfolge lagen die verschiedenen Arbeitsbereiche einer Linie meist dicht beieinander. Daher wird hier die Empfehlung zum Wechsel mit völlig anderen Tätigkeiten außerhalb der Montagelinie wie der Logistik- oder der Wartungsarbeiten gegeben.

Insgesamt stellt das hier präsentierte Mess- und Bewertungsverfahren die Repetitionsbelastung wesentlich differenzierter und objektiver dar, als dies Befragungs- oder Beobachtungsverfahren möglich ist. Dagegen ist die Erhebung und Analyse mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden, der sich aber vermutlich zukünftig im Verlauf der weiteren technischen Entwicklung deutlich reduzieren wird.

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Interessenkonflikt: Die Autoren erklären, dass keinerlei Interessenkonflikte bestehen.

Danksagung: Diese Studie wurde auf Initiative der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) und der Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (BG ETEM) vom Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) durchgeführt.

Kontakt

Priv.-Doz. Dr. Sportwiss. Ulrich Glitsch
Institut für Arbeitsschutz der DGUV
Alte Heerstr. 111
53757 Sankt Augustin
Ulrich.Glitsch@dguv.de

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