STUTTGARTER BEITRÄGE ZUR PRODUKTIONSFORSCHUNG Marco Schalk »Messmethode zur leistungsphysiologischen Quantifizierung schwerer körperlicher Arbeit mittels Impedanzkardiographie am Beispiel von Industrie-Exoskeletten« STUTTGARTER BEITRÄGE ZUR PRODUKTIONSFORSCHUNG BAND 197 Marco Schalk »Messmethode zur leistungsphysiologischen Quantifizierung schwerer körperlicher Arbeit mittels Impedanzkardiographie am Beispiel von Industrie-Exoskeletten« Herausgeber Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl1,2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer1,3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marco Huber1,2 1 Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart 2 Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart 3 Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart 4 Institut für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart Kontaktadresse: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Nobelstr. 12 70569 Stuttgart Telefon 0711 970-1100 info@ipa.fraunhofer.de www.ipa.fraunhofer.de Bibliographische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.de abrufbar. Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2025 D 93 2025 Druck und Weiterverarbeitung: Fraunhofer Verlag Mediendienstleistungen, Stuttgart, Jahr des Drucks Für den Druck des Buches wurde chlor- und säurefreies Papier verwendet. Dieses Werk steht, soweit nicht gesondert gekennzeichnet, unter folgender Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung – Nicht kommerziell – Keine Bearbeitungen International 4.0 (CC BY-NC-ND 4.0). https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Messmethode zur leistungsphysiologischen Quantifizierung schwerer körperlicher Arbeit mittels Impedanzkardiographie am Beispiel von Industrie-Exoskeletten Von der Fakultät für Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Marco Schalk aus Ludwigshafen am Rhein Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Mitberichter: Univ.-Prof. Dr. Syn Schmitt Prof. Dr.-Ing. med. habil. Matthias Heinke Tag der mündlichen Prüfung: 07. Mai 2025 Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart 2025 Vorwort Das Verfassen einer Dissertation stellt meines Erachtens ein Privileg dar – ein Privileg, das nicht nur von unermüdlicher Arbeit, sondern auch von der Chance lebt, einen eigenen Beitrag zur wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Weiterentwicklung zu leisten. Ich habe es als eine Ehre erfahren, mich mit den gewonnenen Kenntnissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten auseinandersetzen zu können, um neue Fragestellungen zu ergründen und Antworten zu finden, die vielleicht von bleibender Bedeutung sind. Der Weg zu dieser Dissertation war zugleich ein tiefer, oft herausfordernder und niemals geradliniger Prozess, der mich nicht nur als Wissenschaftler, sondern auch als Mensch geprägt hat. Wissenschaft hat mich schon immer mit einer faszinierten Neugier erfüllt. Die Hypothesen, die Kreativität und das Streben nach unbegrenzten Ideen und Vorstellungen – all das, was den Kern der Forschung ausmacht – haben mich seit jeher begeistert. Es ist die Fähigkeit, mehr zu erahnen, bestehende Grenzen in Frage zu stellen und das Unbekannte zu sehnen, welche die Wissenschaft für mich so reizvoll macht. „Von allen Geistern, die verneinen, / Ist mir der Schalk am wenigsten zur Last“ (Faust I, V. 1338–1339) – J. W. v. Goethe. Der genannte Namensvetter ist eine beständige Quelle wissenschaftlicher und literarischer Inspiration. Ein symbolischer Begleiter im Zustand rastloser Suche. So wie der Protagonist Faust sich von der Unruhe treiben lässt, so treibt auch mich das Streben nach Wissen und Erkenntnis. Die Wissenschaft bietet keinen Stillstand, sondern ist eine dynamische Entwicklung, die nur durch den notwendigen Widerspruch vorangetrieben werden kann. In diesem Sinne ist es der „Schalk“, der uns vorantreibt – der kreative, auch oft widersprüchliche Impuls, der eine Weiterentwicklung erst möglich macht. Doch nicht nur die Faszination für die Wissenschaft selbst, sondern auch die Verantwortung, die mit der Bearbeitung eines solch umfassenden Projekts einhergeht, waren auf meinem Weg ubiquitär. Eine Dissertation ist nicht nur das Ergebnis eigener Überlegungen und Hypothesen, sondern auch das Produkt einer intensiven Zusammenarbeit, welche die Verantwortung mit sich bringt, den eigenen Beitrag in einen Vorwort größeren Kontext einzuordnen. Es ist eine Herausforderung, dieser Verantwortung gerecht zu werden und den wissenschaftlichen Ansprüchen zu genügen. Doch aus jeder Herausforderung entspringt eine Chance zu wachsen – sowohl fachlich als auch persönlich. Meine beiden Leidenschaften, die Technik und die Medizin, ließen sich in diesem Forschungsprojekt auf besondere Weise miteinander vereinen und voranbringen. Die Frage, wie technisches Wissen und medizinische Erkenntnisse zusammenwirken können, war eine der größten Motivationen für diese Dissertation. Die innere Unruhe, ein nie zu löschender Durst nach mehr, nach Weiterentwicklung und nach Lösungen. Der Antrieb bisherige Grenzen des Möglichen zu überwinden. Stillstand ist Qual; das Streben nach Fortschritt die Erfüllung. Die Abgabe dieser Dissertation ist für mich daher nicht das Ende eines Weges, sondern vielmehr der Beginn einer neuen Etappe. In diesem Zusammenhang möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mich auf diesem Weg begleitet, unterstützt und inspiriert haben. Ohne ihre Hilfe und ihr Engagement wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Zuallererst gilt mein Dank meinem Doktorvater, Prof. Dr. Thomas Bauernhansl, dessen Institut mir nicht nur die wissenschaftlichen Weichen gestellt hat, sondern der mich auch mit seiner unermüdlichen Unterstützung und seinem Wissen in jeder Phase meines Projekts begleitet hat. Besonders wertvoll war für mich seine kritische, aber stets konstruktive Herangehensweise, die mir geholfen hat, auf dem richtigen Kurs zu bleiben. Ein besonderer Dank geht auch an Dr. Urs Schneider, der mich mit seinem kritischen Blick und seiner konstruktiven Führung stets herausgefordert und mir damit wertvolle Impulse gegeben hat. Er war nicht nur ein Mentor im klassischen Sinne, sondern ein Wegbegleiter, der immer ein offenes Ohr für meine Fragen und Gedanken hatte. Prof. Dr. Matthias Heinke möchte ich für seine fachliche Unterstützung danken, die für mich eine wichtige Stütze war. Seine Kompetenz und Expertise haben das Fundament dieser Arbeit entscheidend mitgestaltet und mich immer wieder inspiriert, neue Ansätze zu verfolgen und zu überdenken. Für die analytische Kritik danke ich Prof. Dr. Syn Schmitt. Vorwort Ein herzliches Dankeschön gilt den Kolleginnen und Kollegen des Instituts, die mit ihrer Kooperation und ihrem Engagement maßgeblich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen haben. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit hat mir nicht nur fachlich neue Perspektiven eröffnet, sondern auch gezeigt, wie wichtig Teamarbeit in der Wissenschaft ist. An dieser Stelle möchte ich auch meiner Familie meinen tiefsten Dank aussprechen. Meine Ehefrau Ines Schalk, die mir stets als Fels in der Brandung zur Seite stand. Sie war nicht nur meine größte Unterstützung, sondern auch eine Quelle der Kraft in den schwierigen Momenten dieser Arbeit. Ihre Geduld, ihr Verständnis und ihre unerschütterliche Zuversicht haben mir geholfen, durchzuhalten und an mich selbst zu glauben. Meinen Eltern, Thomas und Evi Schalk, danke ich von Herzen für ihre bedingungslose Unterstützung und für den Glauben an mich, selbst in den Momenten, als andere an meinen Fähigkeiten zweifelten. Sie schenkten mir nicht nur behutsame Freiheit, sondern gaben mir auch Werte mit auf den Weg – ein Fundament, das mir die nötige Zuversicht verlieh, diese Arbeit zu vollenden. Besonderer Dank gilt der Firma medis Medizinische Messtechnik GmbH in Ilmenau, insbesondere Herrn Dr. Olaf Solbrig, Dr. Ralf Ester und Jürgen Querengässer, die mir sowohl fachlich als auch mit hardwaretechnischen Ressourcen maßgeblich geholfen haben, die notwendigen Experimente und Analysen durchzuführen. Ein weiterer Dank geht an die Firma WeldPlus GmbH, insbesondere an Frau Anke Richter und Herrn Lukas Krämer, die mir mit ihrem fachlichen Wissen und ihrer Unterstützung zur Seite standen. Nicht zuletzt möchte ich mich bei der SLV Nord Hamburg bedanken, die durch ihre Kooperation, Planung und Organisation einen wertvollen Beitrag zum Erfolg dieser Dissertation geleistet haben. Besonders danken möchte ich Frau Christiane Pohlmann und Herrn Andre Quedzuweit für ihre hervorragende Zusammenarbeit sowie allen teilnehmenden Firmen und Probanden, die zu den Ergebnissen dieser Arbeit beigetragen haben. Vorwort Die Fertigstellung dieser Dissertation markiert einen Meilenstein, der jedoch nur ein weiterer Schritt einer langen, hoffentlich ebenso erfüllenden und inspirierenden Reise ist. Ein herzliches Dankeschön an alle, die mich bis hierher unterstützt haben. Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................v Einheiten ....................................................................................................................... ix Abbildungsverzeichnis ................................................................................................... xi Tabellenverzeichnis ..................................................................................................... xvii Gender-Hinweis ......................................................................................................... xxv Kurzfassung .............................................................................................................. xxvii Abstract .....................................................................................................................xxix 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen ........................................... 1 1.1 Einleitung ......................................................................................................... 1 1.2 Problemstellung ................................................................................................ 8 1.3 Forschungsfragen ........................................................................................... 10 2 Forschungsdesign ........................................................................................... 13 3 Theoretische Grundlagen ................................................................................ 17 3.1 Muskel-Skelett-Belastung ............................................................................... 17 3.1.1 Muskel-Skelett-Erkrankungen des Rückens ..................................................... 17 3.1.2 Muskel-Skelett-Erkrankungen der Schulter ...................................................... 19 3.1.3 Muskel-Skelett-Belastungen und gesetzliche Grundlagen ............................... 22 3.2 Physische Assistenzsysteme – Exoskelette ........................................................ 26 3.2.1 Grundlagen und Stand der Technik ................................................................ 26 3.2.2 Exoskelette zur Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen am Arbeitsplatz .................................................................................................... 27 3.2.3 Studienlage zu Evaluationsversuchen von Exoskeletten ................................... 38 ii Inhaltsverzeichnis 3.3 Grundlagen der menschlichen Physiologie bezogen auf körperliche Arbeit ............................................................................................................. 61 3.3.1 Kardiologische Grundlagen ............................................................................. 61 3.3.2 Leistungsphysiologie und Zusammenhänge zwischen hämodynamischen und spiroergometrischen Größen .................................................................... 64 3.4 Methoden zur leistungsphysiologischen Diagnostik ......................................... 71 3.4.1 Spiroergometrie .............................................................................................. 71 3.4.2 Laktatmessung ................................................................................................ 75 3.4.3 Herzfrequenz .................................................................................................. 76 3.4.4 Limitation der Methoden und Eignung zur Diagnostik am Arbeitsplatz ............ 76 3.5 Impedanzkardiographie .................................................................................. 78 3.5.1 Grundlagen (Funktionsprinzip und Parameter) ................................................. 78 3.5.2 Stand der Technik ........................................................................................... 85 3.5.3 Fazit – Eignung und Vorteile zur Evaluation der physiologischen Auswirkung von Exoskeletten ......................................................................... 86 4 Validierungsstudie zur Erfassung der Zusammenhänge konventionell gemessener physiologischer Parameter und mittels IKG bestimmter Hämodynamik ................................................................................................ 89 4.1 Einleitung ....................................................................................................... 89 4.2 Methodik und Material ................................................................................... 90 4.2.1 Population und Ethik ....................................................................................... 90 4.2.2 Versuchsaufbau der Leistungsdiagnostischen Untersuchung ............................ 91 4.2.3 Materialien ..................................................................................................... 99 4.2.4 Zielgrößen .................................................................................................... 100 4.2.5 Auswertungsdesign ...................................................................................... 102 Inhaltsverzeichnis iii 4.3 Ergebnisse .................................................................................................... 106 4.3.1 Sportmedizinische Leistungsdiagnostik ......................................................... 106 4.3.2 Erfassbarer Messbereich mit der Impedanzkardiographie .............................. 107 4.3.3 Deskriptive Statistik im konstanten Funktionsbereich (Stufe 1) ...................... 108 4.3.4 Korrelation der spiroergometrischen und impedanzkardiographischen Zielgrößen .................................................................................................... 109 4.3.5 Statistische Auswertung im homogen steigenden Funktionsbereich .............. 113 4.3.6 Trennschärfenbestimmung im Arbeitsbereich ............................................... 117 4.4 Limitationen ................................................................................................. 118 4.5 Pathologien .................................................................................................. 119 4.6 Diskussion .................................................................................................... 120 4.7 Fazit ............................................................................................................. 127 5 Entwurf eines standardisierten, abstrahierten Arbeitsplatzes zum konsistenten Vergleich von präventiven Maßnahmen.................................... 129 5.1 Einleitung ..................................................................................................... 129 5.2 Grundlagen des Arbeitsplatzes ..................................................................... 130 5.2.1 Referenzierung des Arbeitsplatzes ................................................................ 130 5.2.2 Theoretischer Arbeitsablauf .......................................................................... 131 5.3 Konzept des Schleifprüfstands ...................................................................... 131 5.4 Simulation der Schweißtätigkeit .................................................................... 134 5.5 Ergebnisse .................................................................................................... 136 6 Evaluationsstudie zur Bestimmung der durch präventive Maßnahmen induzierten Effekte ....................................................................................... 137 6.1 Einleitung ..................................................................................................... 137 6.2 Methodik und Material ................................................................................. 138 iv Inhaltsverzeichnis 6.2.1 Population und Ethik ..................................................................................... 138 6.2.2 Versuchsaufbau ............................................................................................ 139 6.2.3 Materialien ................................................................................................... 143 6.2.4 Zielgrößen .................................................................................................... 145 6.2.5 Auswertungsdesign ...................................................................................... 146 6.3 Limitationen .................................................................................................. 149 6.4 Ergebnisse .................................................................................................... 150 6.5 Diskussion ..................................................................................................... 157 7 Fazit .............................................................................................................. 161 7.1 Validierte Messung physiologischer Auswirkungen, verursacht durch physische Belastung mittels Impedanzkardiographie ...................................... 161 7.2 Evaluation der entlastenden Wirkweise von Exoskelett-Systemen auf die Physiologie des Menschen ............................................................................. 162 7.3 Ausblicke ...................................................................................................... 163 Literaturverzeichnis .................................................................................................... 167 Anhang ..................................................................................................................... 185 A 1 Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz ................................ 186 A 2 Ergänzende Materialien zu Evaluationsstudien von Exoskeletten .......................... 194 A 3 Vota zur Studienfreigabe ..................................................................................... 211 A 4 Ergänzende Materialien zur Validierungsstudie .................................................... 214 A 5 Ergänzende Materialien zur Evaluationsstudie ...................................................... 445 A 6 Experiment reales Schweißen .............................................................................. 457 Abkürzungsverzeichnis ACM Arterial Compliance Module 𝐴𝐶𝐼 Acceleration Index ADP Adenosindiphosphat 𝐴𝐹 Atemfrequenz AR Augmented Reality ATP Adenosintriphosphat AU Arbeitsunfähigkeit Az Aktenzeichen BAuA Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin BMI Body Mass Index BSA Body Surface Area CAD Computer-aided Design 𝐶𝐼 Cardiac Index 𝐶𝑂 Cardiac Output 𝐶𝑂2 Kohlenstoffdioxid CrP Kreatinphosphat 𝐶𝑉𝑃 Zentralvenöser Druck DGK Deutsche Gesellschaft für Kardiologie – Herz und Kreislaufforschung DGUV Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (𝑑𝑧 𝑑𝑡 )𝑚𝑎𝑥 Maximalwert der Impedanzänderung nach Öffnung der Aortenklappe 𝐸𝐹 Ejektionsfraktion EKG Elektrokardiogramm 𝐸𝑅 Ejektionsverhältnis et al. et alii = und Kollegen 𝐸𝑇𝐼 Ejektion Time Index 𝐸𝑈 𝑘𝑔⁄ Energieumsatz pro Kilogramm Körpergewicht 𝐹𝐸𝐶𝑂2 Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Exspirationsluft 𝐹𝐸𝑂2 Sauerstoffkonzentration in der Exspirationsluft vi Abkürzungsverzeichnis 𝐹𝐼𝐶𝑂2 Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Inspirationsluft 𝐹𝐼𝑂2 Sauerstoffkonzentration in der Inspirationsluft 𝐻𝐹 Herzfrequenz 𝐻𝑃𝐷 Herzperiodendauer IMP Impedanzkurve IKG Impedanzkardiographie KH Kohlenhydrate 𝑙 Abstand der inneren Elektroden des IKG L4/L5 Segment zwischen dem 4. und 5. Lendenwirbel L5/S1 Segment zwischen dem 5. Lendenwirbel und 1. Sakralwirbel 𝐿𝑎 Laktatkonzentration LASS Lactate steady state 𝐿𝐶𝑊𝐼 Left Cardiac Work Index LED Light emitting diode LT1 erste Laktatschwelle LT2 zweite Laktatschwelle 𝐿𝑉𝐸𝑇 Linksventrikuläre Austreibungszeit M. musculus = Muskel MAG Metall-Aktivgasschweißen 𝑀𝐴𝑃 mittlerer arterieller Druck MAPE Mean Absolute Percentage Error MDD Medical Device Directive MDR Medical Device Regulation MPG Medizinproduktegesetz MSE Muskel-Skelett-Erkrankungen 𝑂2 Sauerstoff 𝑝 spezifischer Blutwiderstand PE Schweißposition überkopf 𝑃𝐸𝑃 Pre-Ejektionsperiode 𝑃𝑒𝑡𝐶𝑂2 Endexspiratorischer Kohlenstoffdioxid Partialdruck 𝑃𝑒𝑡𝑂2 Endexspiratorischer Sauerstoff Partialdruck PF Schweißposition vor dem Körper PLAD Personal lift assist device Abkürzungsverzeichnis vii 𝑃𝑂𝐴𝑃 Pulmonalarterien Verschlussdruck 𝑅𝐸𝑅 Respiratorisches Austauschverhältnis RoM Range of Motion RR Riva Rocci = Blutdruck RSB Rechtsschenkelblock RSD Relative standard deviation 𝑆𝐼 Schlagvolumenindex 𝑆𝑇𝑅 Systolisches Zeitverhältnis SUS System Usability Scale 𝑆𝑉 Schlagvolumen 𝑆𝑉𝑅𝐼 Systemischer Gefäßwiderstand TEE Transösophageale Echokardiographie TPTD Transpulmonale Thermodilution USA United States of America USD US-Dollar 𝑉𝐶𝑂2 Kohlenstoffdioxidabgabe 𝑉𝐸 Atemminutenvolumen 𝑉𝐸𝑃𝑇 Volumen des elektrisch partizipierenden Gewebes VES Ventrikuläre Extrasystolen 𝑉𝐸 𝑉𝐶𝑂2⁄ Atemäquivalent für Kohlenstoffdioxid 𝑉𝐸 𝑉𝑂2⁄ Atemäquivalent für Sauerstoff 𝑉𝐼 Velocity Index 𝑉𝑂2 Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 𝐻𝐹⁄ Sauerstoffaufnahme pro Herzfrequenz 𝑉𝑂2 𝑘𝑔⁄ Sauerstoffaufnahme pro Kilogramm Körpergewicht 𝑉𝑇 Atemzugvolumen VT1 erste Ventilatorische Schwelle VT2 zweite Ventilatorische Schwelle z.B. zum Beispiel 𝑍0 Grundimpedanz Einheiten mA Milliampere kg Kilogramm kHz Kilohertz kcal Kilokalorie l Liter ml Milliliter µl Mikroliter m Meter cm Zentimeter mm Millimeter m2 Quadratmeter min Minute mol Mol mmol Millimol N Newton Nm Newtonmeter % Prozent mmHg Millimeter-Quecksilbersäule s Sekunde ms Millisekunde s2 Quadratsekunde h Stunde U Umdrehung W Watt Ω Widerstand (Ohm) Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: AU-Tage nach Diagnosegruppe (Brenscheidt et al. 2018) 2 Abbildung 2: AU-Tage nach Diagnose und Altersgruppe (Brenscheidt et al. 2018) 3 Abbildung 3: Anatomie der Wirbelsäule, 1 = Wirbelkörper, 2 = Wirbelloch, 3 = Zwischendornfortsatzband, 4 = Vorderes Längsband, 5 = Bandscheibenfaserring, 6 = Bandscheibenkern, 7 = Hinteres Längsband, 8 = Dornfortsatz, 9 = Nervenwurzel, 10 = Nervenfaserbündel des Rückenmarks, 11 = Nervenknoten (Ganglion), 12 = Bandscheibenkern, 13= Bandscheibenfaserring (Weitz 1998) 18 Abbildung 4: Anatomie der Schulter, 1 = Fortsatz der Schulterblattgräte, 2 = Band zwischen Rabenschnabelfortsatz und 1, 3 = Sehne des Obergrätenmuskels, 4 = Oberarmknochen, 5 = Sehne des Unterschulterblattmuskels, 6 = Bizepssehne, 7 = Schlüsselbein, 8 = Schleimbeutel, 9 = Schulterblatt, 10 = Schleimbeutel, 11 = Gelenkkapsel (Weitz 1998) 20 Abbildung 5: Modell zur mehrstufigen Gefährdungsbeurteilung physischer Belastungen am Arbeitsplatz (DGUV 2022) 23 Abbildung 6: Klassifizierung von Exoskeletten anhand der kinematischen Struktur (oben) und der Antriebsformen (unten) beispielhaft für Schulter-Exoskelette (übersetzt nach Crea et al. 2021) 28 Abbildung 7: Beispiele für unterschiedliche Ansätze zur Rückenunterstützung. Von links: Ansatz Trage-Exoskelett Exomys Atlas (www.exomys.com) 1, Ansatz Wirbelsäulen-Dekompression Japet (www.japet.eu) 2, Ansatz Hüftextension German Bionic CrayX (www.germanbionic.com) 3 31 Abbildung 8: Beispielhafte Darstellung der unterschiedlichen Ansätze zur Schulterunterstützung. Von links: Anbindung am Oberarm Ekso Evo (www.eksobionics.com) 1, Anbindung am Ellenbogen Hapo MS (www.ergosante.fr) 2, Anbindung am Handgelenk Exhauss Stronger (www.exhauss.com) 3 und Anbindung direkt an das Werkzeug Exorise X-Arm (www.exorise.com) 4 32 xii Abbildungsverzeichnis Abbildung 9: Beispiele für Nacken- und Bein-Exoskelette. Von links: HMT Moon (www.hmt-france.com) 1, Noonee Chairless Chair (www.noonee.com) 2 33 Abbildung 10: Motorische Einheit und ihre Bestandteile (Konrad 2011) 40 Abbildung 11: Überlagerung der motorischen Einheiten ergibt das an der Oberfläche abgeleitete EMG-Signal (Konrad 2011) 41 Abbildung 12: Anatomische Ebenen zur Beschreibung menschlicher Bewegungen (Rohen et al. 2010) 48 Abbildung 13: BORG-CR10 Skala für subjektives Belastungsempfinden (eigene Abbildung) 54 Abbildung 14: System Usability Scale (Brooke 1996) 57 Abbildung 15: Aufbau und Blutfluss des Herzens (links) und Blutkreislauf mit Gasaustausch (rechts) (Klinke & Silbernagl 2003) 61 Abbildung 16: Erregungsbildung und Erregungsausbreitung im Herz (Klinke & Silbernagl 2003) 63 Abbildung 17: 3-Kompartiment-Modell nach Wassermann (Kroidl et al. 2014) 64 Abbildung 18: Mechanismen der Energiebereitstellung: anaerob alaktazid über Kreatinphosphat (a), anaerob laktazid über Glukose (b), aerob alaktazid über Glukose (c) und aerob alaktazid über Fettsäuren (d) (Kroidl et al. 2014) 66 Abbildung 19: Zusammenhang zwischen ATP-Umsatz und maximaler Sauerstoffaufnahme sowie den für die Energiebereitstellung verantwortlichen Substrate (Kroidl et al. 2014) 67 Abbildung 20: Laktatbildung und Schwellenbestimmung (Kroidl et al. 2014) 68 Abbildung 21: Spiroergometrie-Würfel und die Zusammenhänge zwischen herzphysiologischen und spiroergometrischen Messgrößen (Kroidl et al. 2014) 69 Abbildung 22: Messprinzip der Spiroergometrie (Kroidl et al. 2014) 71 Abbildung 23: Angelegte Spiroergometrie mit Maske, Befestigung, Absaugschlauch, Turbine und Volumenstromsensor (eigene Abbildung) 72 Abbildung 24: Elektrodenanordnung der Impedanzkardiographie (medis – Medizinische Messtechnik GmbH) 79 Abbildung 25: Signalverlauf und Trigger in EKG, IMP und IKG (eigene Abbildung) 80 Abbildungsverzeichnis xiii Abbildung 26: Mit vollständigem Messequipment ausgerüsteter Proband. 1 = elastische Bänder zur Fixierung der Thorax-Elektroden; 2 = Tasche incl. Interface des Impedanzkardiographen; 3 = ACM-Clip und Ohrbügel, fixiert durch Kinesio-Tape; 4 = Kinesio-Tape zum zusätzlichen Schutz der Elektrode am Hals; 5 = umkreist die angebrachten Thorax-Elektroden; 6 = umkreist die angebrachten Hals-Elektroden (eigene Abbildung) 92 Abbildung 27: Vollständiges Setup der Atemmaske zur Spiroergometrie. 1 = Atemmaske; 2 = Adapter für die Einwegturbine mit Bohrung für die Absaugstrecke (5); 3 = Volumenstromsensor mit Einwegturbine; 4 = Neoprenbänder zur Maskenfixierung; 5 = Absaugstrecke (eigene Abbildung) 94 Abbildung 28: Laktat-Messung auf dem Fahrradergometer. 1 = Laktat-Messgerät mit Teststreifen; 2 = Handgelenkstützte, montiert am Lenker (eigene Abbildung) 95 Abbildung 29: Musterprotokoll der Untersuchung nach Hollmann-Venrath (eigene Abbildung aus der Metasoft-Software des Spiroergometers) 96 Abbildung 30: Beispielhafte Illustration der VT1-Bestimmung über das Verhältnis VO2 / VCO2 anhand Proband VS016 (eigene Abbildung aus der Metasoft- Software des Spiroergometers) 102 Abbildung 31: Beispielhafte Illustration der VT2-Bestimmung über das Verhältnis VE / VCO2 anhand Proband VS016 (eigene Abbildung aus der Metasoft- Software des Spiroergometers) 102 Abbildung 32: Darstellung der VT1 und VT2 zur LT1 und LT2 über die Gegenüberstellung der gemessenen Laktatwerte zur RER am Beispiel des Probanden VS008 (eigene Abbildung aus der Metasoft-Software des Spiroergometers) 103 Abbildung 33: Pathologische, monomorphe rechtsventrikuläre Extrasystolen in Trigeminus-Muster (amerikanische Definition) des Probanden VS017 (eigene Abbildung) 120 Abbildung 34: CAD-Modell des Schleifprüfstandes mit Koordinaten (eigene Abbildung) 131 xiv Abbildungsverzeichnis Abbildung 35: Links: Ausschnitt aus der Versuchsreihe zur Bestimmung der auftretenden Kräfte beim Schleifen in Z-Richtung; rechts: Vorrichtung zur Anbringung der Kraftmessdose und des zu untersuchenden Werkstücks (eigene Abbildung) 132 Abbildung 36: Überprüfung der Schleifprüfstandeinstellung mittels Kraftmessdose (eigene Abbildung) 133 Abbildung 37: Links: Illustration des vollständigen Arbeitsplatzes mit ausgerichtetem Soldamatic Schweißsimulator und Schleifprüfstand (eigene Abbildung); rechts: Augmented-Reality-Ich-Perspektive des Probanden (eigene Abbildung aus dem Soldamatic-Betriebsystem) 134 Abbildung 38: Aufbau des Prüfstands mit Schweiß- und Schleifsimulator: 1 = Soldamatic Schweißsimulator, 2 = AR-Schweißhelm, 3 = Werkstück und Schweißnaht, 4 = LED-Anzeige zur Kontrolle des Anpressdrucks beim Schleifen, 5 = Schleifprüfstand, 6 = Winkelschleifer mit Dummy- Schruppscheibe, 7 = Halterung für den Schleifprüfstand (eigene Abbildung) 136 Abbildung 39: Mit Impedanzkardiographen und Exoskelett ausgerüsteter Proband, bereit zur Versuchsdurchführung. 1 = Exoskelett; 2 = ACM-Sensor; 3 = IKG- Hals-Elektroden; 4 = Gürteltasche mit IKG-Interface; 5 = Anbringungsstelle der IKG-Thorax-Elektroden (eigene Abbildung) 140 Abbildung 40: Simuliertes Schweißen (oben) und abstrahiertes Schleifen (unten) in der Position PF (eigene Abbildung) 141 Abbildung 41: Simuliertes Schweißen (links) und abstrahiertes Schleifen (rechts) überkopf in der Position PE (eigene Abbildung) 142 Abbildung 42: Verteilung der unterschiedlichen Exoskelett-Modelle auf die Population, n = 42 Probanden zur Beurteilung der Schweißqualität und des subjektiven Belastungsempfindens (eigene Abbildung) 144 Abbildung 43: Schema der statistischen Auswertung der impedanzkardiographischen Parameter über die Arbeitssequenz (eigene Abbildung) 147 Abbildungsverzeichnis xv Abbildung 44: Intervall-Plot des Tests auf gleiche Varianzen der impedanzkardiographischen Größe CO über alle Probanden (eigene Abbildung) 150 Abbildung 45: Intervall-Plot des Tests auf gleiche Varianzen der impedanzkardiographischen Größe CI über alle Probanden (eigene Abbildung) 151 Abbildung 46: Grafische Gegenüberstellung der beiden Messreihen "mit Exoskelett" und "ohne Exoskelett“, des Parameters Schweißgeschwindigkeit über den gesamten Arbeitsprozess, der gesamten Population (eigene Abbildung) 156 Abbildung 47: Grafische Gegenüberstellung der beiden Reihen "mit Exoskelett" und "ohne Exoskelett“, des subjektiven Belastungsempfindens der gesamten Population (eigene Abbildung) 157 Abbildung A 1: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 1/8 (DGUV 2022) 186 Abbildung A 2: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 2/8 (DGUV 2022) 187 Abbildung A 3: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 3/8 (DGUV 2022) 188 Abbildung A 4: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 4/8 (DGUV 2022) 189 Abbildung A 5: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 5/8 (DGUV 2022) 190 Abbildung A 6: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 6/8 (DGUV 2022) 191 Abbildung A 7: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 7/8 (DGUV 2022) 192 Abbildung A 8: Checkliste zur Beurteilung von Belastungen am Arbeitsplatz – Seite 8/8 (DGUV 2022) 193 xvi Abbildungsverzeichnis Abbildung A 9: Ethikvotum zur Validierungsstudie zur Erfassung der Zusammenhänge konventionell gemessener physiologischer Parameter und mittels IKG bestimmter Hämodynamik (Universität Stuttgart) 211 Abbildung A 10: Ethikvotum zur Exoskelett-Evaluationsstudie (Universität Stuttgart) 212 Abbildung A 11: Erweiterung des Ethikvotums zur Exoskelett-Evaluationsstudie (Universität Stuttgart) 213 Abbildung A 12: Reales Schweißen in der Position PF, mit Exoskelett (links), ohne Exoskelette (rechts) (eigene Abbildung) 458 Abbildung A 13: Reales Schweißen in der Position PE, mit Exoskelett (links), ohne Exoskelette (rechts) (eigene Abbildung) 458 Abbildung A 14: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PF mit Exoskelett – Seite 1/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 15: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PF mit Exoskelett – Seite 2/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 16: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PF ohne Exoskelett – Seite 1/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 17: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PF ohne Exoskelett – Seite 2/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 18: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PE mit Exoskelett – Seite 1/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 19: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PE mit Exoskelett – Seite 2/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 20: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PE ohne Exoskelett – Seite 1/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 21: Prüfbericht der GSI SLV Nord Position PE ohne Exoskelett – Seite 2/2 (GSI SLV Nord) 458 Abbildung A 22: Subjektives Belastungsempfinden des Probanden im realen Schweißexperiment mit und ohne Exoskelett (eigene Abbildung) 458 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Marktverfügbare Schulter-Exoskelette nach anthropometrischer Struktur und Antriebsform (Name (Hersteller, Firmensitz)) 36 Tabelle 2: Marktverfügbare Rücken-Exoskelette nach anthropometrischer Struktur und Antriebsform (Name (Hersteller, Firmensitz)) 37 Tabelle 3: Spiroergometrische Kenngrößen und deren Berechnung 74 Tabelle 4: Impedanzkardiographische Kenngrößen und deren Berechnung 82 Tabelle 5: Relative Standardabweichung aller Parameter mit einem Pearson- Korrelationskoeffizient r > |0,79| in % bezogen auf Stufe 1 108 Tabelle 6: Gekürzte Korrelationsmatrix aller Paarungen mit einem Pearson- Korrelationskoeffizient r > |0,79| 109 Tabelle 7: Mittlerer absoluter prozentualer Fehler aller Messgrößen mit einem Pearson-Korrelationskoeffizient r > |0,79| 113 Tabelle 8: Body Mass Index (BMI) und Alter der nicht verwendbaren Probandendatensätze 139 Tabelle 9: Verteilungsanalyse der beiden Reihen „mit Exoskelett“ und „ohne Exoskelett“ der impedanzkardiographischen Parameter über alle Probanden 150 Tabelle 10: Ergebnisse der t-Tests der Parameter CO und CI über alle Probanden zum Mittelwertvergleich der Durchführung „mit Exoskelett“ und „ohne Exoskelett“ 152 Tabelle 11: Geschätzte übertragene Differenz der VO2 mit Hilfe der gemittelten Steigungsverhältnisse der Regressionsgeraden aus Kapitel 4 153 Tabelle 12: Ergebnisse der statistischen Auswertung der Schweißqualitätsparameter über die gesamte Population für die Position PF 154 Tabelle 13: Ergebnisse der statistischen Auswertung der Schweißqualitätsparameter über die gesamte Population für die Position PE 155 Tabelle A 1: Übersichtstabelle Exoskelett-Evaluationsstudien mit Versuchsaufbau und Ergebnissen 195 xviii Tabellenverzeichnis Tabelle A 2: Mittelwerte aller Messgrößen mit einem Pearson- Korrelationskoeffizient r > |0,79| über alle Probanden der Stufe 1 215 Tabelle A 3: Standardabweichung aller Messgrößen mit einem Pearson- Korrelationskoeffizient r > |0,79| über alle Probanden der Stufe 1 217 Tabelle A 4: Relative Standardabweichung aller Messgrößen mit einem Pearson- Korrelationskoeffizient r > |0,79| über alle Probanden der Stufe 1 219 Tabelle A 5: Korrelationsmatrix aller Werte-Paarungen mit gemitteltem Pearson- Korrelationskoeffizient 221 Tabelle A 6: Korrelationstabelle aller VO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 222 Tabelle A 7: Korrelationstabelle aller VCO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 223 Tabelle A 8: Korrelationstabelle aller VE-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 224 Tabelle A 9: Korrelationstabelle aller VT-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 225 Tabelle A 10: Korrelationstabelle aller AF-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 226 Tabelle A 11: Korrelationstabelle aller RER-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 227 Tabelle A 12: Korrelationstabelle aller VO2 /kg-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 228 Tabelle A 13: Korrelationstabelle aller VO2 /HF-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 229 Tabelle A 14: Korrelationstabelle aller VE/VO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 230 Tabelle A 15: Korrelationstabelle aller VE/VCO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 231 Tabelle A 16: Korrelationstabelle aller PetO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 232 Tabellenverzeichnis xix Tabelle A 17: Korrelationstabelle aller PetCO2-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 233 Tabelle A 18: Korrelationstabelle aller EU/kg-Paarungen über alle Probanden mit Pearson-Korrelationskoeffizient 234 Tabelle A 19: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VO2 235 Tabelle A 20: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VCO2 238 Tabelle A 21: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VE 241 Tabelle A 22: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VT 244 Tabelle A 23: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VO2 /kg 247 Tabelle A 24: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und VO2 /HF 250 Tabelle A 25: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und PetCO2 253 Tabelle A 26: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung HPD und EU/kg 256 Tabelle A 27: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VO2 259 Tabelle A 28: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VCO2 262 Tabelle A 29: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VE 265 Tabelle A 30: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VT 268 Tabelle A 31: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VO2 /kg 271 xx Tabellenverzeichnis Tabelle A 32: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und VO2 /HF 274 Tabelle A 33: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und PetCO2 277 Tabelle A 34: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CO und EU/kg 280 Tabelle A 35: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VO2 283 Tabelle A 36: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VCO2 286 Tabelle A 37: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VE 289 Tabelle A 38: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VT 292 Tabelle A 39: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VO2 /kg 295 Tabelle A 40: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und VO2 /HF 298 Tabelle A 41: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und PetCO2 301 Tabelle A 42: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung CI und EU/kg 304 Tabelle A 43: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung VI und VO2 307 Tabelle A 44: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung VI und VCO2 310 Tabelle A 45: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung VI und VO2 /kg 313 Tabelle A 46: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung VI und VO2 /HF 316 Tabellenverzeichnis xxi Tabelle A 47: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung VI und EU/kg 319 Tabelle A 48: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ACI und VO2 322 Tabelle A 49: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ACI und VCO2 325 Tabelle A 50: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ACI und VE 328 Tabelle A 51: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ACI und VO2 /kg 331 Tabelle A 52: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ACI und EU/kg 334 Tabelle A 53: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung PEP und VO2 337 Tabelle A 54: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung PEP und VO2 /kg 340 Tabelle A 55: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung PEP und VO2 /HF 343 Tabelle A 56: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung PEP und EU/kg 346 Tabelle A 57: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und VO2 349 Tabelle A 58: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und VCO2 352 Tabelle A 59: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und VE 355 Tabelle A 60: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und VO2 /kg 358 Tabelle A 61: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und VO2 /HF 361 xxii Tabellenverzeichnis Tabelle A 62: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung LVET und EU/kg 364 Tabelle A 63: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und VO2 367 Tabelle A 64: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und VCO2 370 Tabelle A 65: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und VE 373 Tabelle A 66: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und VO2 /kg 376 Tabelle A 67: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und VO2 /HF 379 Tabelle A 68: Matrixplots aller Probanden der korrelierenden Parameterpaarung ETI und EU/kg 382 Tabelle A 69: Mittlerer absoluter prozentualer Fehler (MAPE) aller Messgrößen mit einem Pearson-Korrelationskoeffizient r > |0,79| über alle Probanden des homogen steigenden Funktionsbereichs, mit der jeweils zugehörigen Regressionsgleichung über die Zeit t 385 Tabelle A 70: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für HPD 391 Tabelle A 71: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für CO 394 Tabelle A 72: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für CI 397 Tabelle A 73: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VI 400 Tabelle A 74: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für ACI 403 Tabelle A 75: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für PEP 406 Tabelle A 76: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für LVET 409 Tabelle A 77: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für ETI 412 Tabelle A 78: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VO2 415 Tabelle A 79: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VCO2 418 Tabelle A 80: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VE 421 Tabelle A 81: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VT 424 Tabelle A 82: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VO2 /kg 427 Tabellenverzeichnis xxiii Tabelle A 83: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für VO2 /HF 430 Tabelle A 84: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für PetCO2 433 Tabelle A 85: Diagramm der Trendanalyse aller Probanden für EU/kg 436 Tabelle A 86: Koeffizienten zur Schätzung der Effektgrößen der relevanten spiroergometrischen Parameter anhand der Steigung der Regressionsgleichungen der am stärksten korrelierenden impedanzkardiographischen Größen aller Probanden 439 Tabelle A 87: Ermittelte und geschätzte Effektgrößen aller Parameter über alle Probanden zur Bestimmung der Trennschärfe 440 Tabelle A 88: Trennschärfe der jeweiligen impedanzkardiographischen Größe über alle Probanden 441 Tabelle A 89: Trennschärfe der jeweiligen spiroergometrischen Größe über alle Probanden 442 Tabelle A 90: Leistungsphysiologische Auswertung aller Probanden 443 Tabelle A 91: Leistungsabhängiges Aufzeichnungsspektrum des Impedanzkardiographen 444 Tabelle A 92: Fehlerbilder und deren Ursache bei Schweißnähten sowie deren Einfluss auf die Qualität, bezogen auf die Qualitätsparameter des Soldamatic nach DIN EN ISO 5817 446 Tabelle A 93: Ergebnisse der statistischen Auswertung der Schweißqualitätsparameter über alle Probanden für die Position PF 448 Tabelle A 94: Ergebnisse der statistischen Auswertung der Schweißqualitätsparameter über alle Probanden für die Position PE 451 Tabelle A 95: Koeffizienten zur Schätzung der Effekte der impedanzkardiographischen Parameter anhand der Steigung der Regressionsgleichungen, der am stärksten korrelierenden spiroergometrischen Größen aller Probanden 454 Tabelle A 96: Ergebnisse der statistischen Auswertung des CO über alle Probanden 455 Tabelle A 97: Ergebnisse der statistischen Auswertung des CI über alle Probanden 456 Gender-Hinweis Zur besseren Lesbarkeit wird in diesem Werk das generische Maskulinum verwendet. Die in dieser Arbeit verwendeten Personenbezeichnungen beziehen sich – sofern nicht anders angegeben – auf alle Geschlechter. Insbesondere ist zu betonen, dass Personenbezeichnungen von Studienteilnehmern keinerlei anthropometrische Informationen preisgeben. Kurzfassung 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 xxviii Kurzfassung Probanden konnte nachgewiesen werden, dass eine zuverlässige Messung mit IKG bis zu einer Belastungshöhe von 79,2 % der maximalen Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2,𝑝𝑒𝑎𝑘 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. Abstract 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 𝑉𝑂2,𝑝𝑒𝑎𝑘. This level of physical stress exceeds the expected load range of occupational activities. Eight hemodynamic parameters showed a Pearson correlation of xxx Abstract 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. 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 1.1 Einleitung Demografischer Wandel in Deutschland und Europa: Wie in vielen Industriestaaten verändert der demografische Wandel auch in Deutschland die Bevölkerungsstruktur. Resultierend aus einem sehr hohen medizinischen Standard steigt die Lebenserwartung, dem gegenüber stehen niedrige Geburtenzahlen (Budliger 2021). Laut dem Institut der Deutschen Wirtschaft Köln soll die Bevölkerung bis 2060 von über 80 Millionen auf 64,7 Millionen schrumpfen (Anger et al. 2014). Die Auswirkungen dieser Transformation auf den Arbeitsmarkt und die Wirtschaft sind eine alternde Belegschaft sowie ein Mangel an Fachkräften, auf Grund fehlenden „Nachwuchses“ (Sauer & Wollmershäuser 2021). Das Wirtschaftsforschungsinstitut Prognos prognostiziert einen Mangel an Fachkräften von circa 2,9 Millionen bis 2025 am deutschen Arbeitsmarkt (vbw 2019). Eine ähnliche Entwicklung (also eine verminderte Anzahl an Menschen im erwerbstätigen Alter) zeigt sich in den meisten europäischen Staaten (Schmidt-Hertha et al. 2018). Für Unternehmen bedeutet diese zum einen, dass die Attraktivität ihrer Arbeitsplätze gesteigert werden muss, zum anderen, dass erfahrene Angestellte möglichst lange gesund und arbeitsfähig bleiben müssen. Steigende Krankheitstage und chronische Muskel-Skelett-Erkrankungen bei physisch belastenden Arbeiten: Arbeitsbedingte Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) definieren sich durch die Beeinträchtigung von Muskeln, Gelenken, Sehnen, Bändern, Nerven, Knochen oder der lokalen Blutversorgung, welche durch die Arbeit oder die Arbeitsumgebung verursacht oder verschlimmert werden (EU-OSHA 2019). Sie sind die führende Ursache für 2 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen Arbeitsunfähigkeit in Deutschland. Ca. 25 % der Arbeitsunfähigkeitstage (AU-Tage) sind auf MSE zurückzuführen (siehe Abbildung 1), welche zu einem Bruttowertschöpfungsausfall von circa 30,4 Milliarden Euro führen (Brenscheidt et al. 2018). In der Europäischen Union ist die Tendenz steigend. Von 2007 bis 2013 stieg die Prävalenz der MSE um fast 6 Prozentpunkte auf 60 % (EU-OSHA 2019). Dies bedeutet, dass 60 % der Erwerbstätigen binnen eines Jahres an einer MSE leiden (Govaerts et al. 2021). Besonders häufig kommen diese Erkrankungen in körperlich belastenden Berufen vor und stehen im Zusammenhang mit Zwangshaltungen, wie vorgebeugtem Arbeiten oder Überkopfarbeit, dem Tragen schwerer Lasten sowie repetitiven Tätigkeiten (Parent- Thirion et al. 2016). Betrachtet man die Verteilung der AU-Tage nach Diagnose und Altersgruppe (siehe Abbildung 2), zeigt sich, dass bereits bei jungen Beschäftigten MSE eine häufige Ursache für Arbeitsunfähigkeit sind, welche mit steigendem Alter stetig zunimmt (Grobe et al. 2015). Daher ist es unabdingbar präventive Maßnahmen frühzeitig zu ergreifen, um bereits der Entstehung von MSE entgegenzuwirken. Abbildung 1: AU-Tage nach Diagnosegruppe (Brenscheidt et al. 2018) 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 3 Gesetzliche Grundlagen: Eine Häufung von Muskel-Skelett-Erkrankungen findet sich in Berufen mit der Exposition von manueller Lastenhandhabung, vor allem schwerer Lasten, repetitiven Tätigkeiten sowie Zwangshaltungen, wie vorgebeugtem Arbeiten oder Überkopfarbeit (Parent- Thirion et al. 2016). Das Arbeitsschutzgesetzt verlangt, dass jeder Arbeitsplatz hinsichtlich seiner Gefährdung beurteilt wird. Hierfür haben die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) und die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) ein mehrstufiges Modell zur Einstufung physischer Belastungen am Arbeitsplatz entwickelt (BAuA 2019). Das Modell unterteilt sich in drei Stufen, die orientierende Gefährdungsbeurteilung mittels Checkliste (Stufe 1), die vertiefende Gefährdungsbeurteilung (Stufe 2) und die weitergehende Analyse der Belastung mit speziellen Verfahren (Stufe 3) (DGUV 2022). Die Stufen bauen aufeinander auf; in Stufe 1 und Stufe 2 kann die Beurteilung abgeschlossen werden, wenn entweder keine Gefährdung festgestellt wurde oder wenn geeignete Maßnahmen abgeleitet werden Abbildung 2: AU-Tage nach Diagnose und Altersgruppe (Brenscheidt et al. 2018) 4 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen können. In Stufe 3 wird unter anderem der Einsatz der Spiroergometrie zur Bestimmung der Belastungshöhe empfohlen. Werden bei der Gefährdungsbeurteilung erhöhte oder hohe physische Belastungen festgestellt, so müssen nach dem Arbeitsschutzgesetz Maßnahmen zur Umgestaltung des Arbeitsplatzes durchgeführt werden. Die Maßnahmen zur Umgestaltung müssen nach DGUV nach dem TOP-Prinzip erfolgen; dieses besagt, dass zunächst technische, danach organisatorische und zuletzt persönliche Maßnahmen zur Optimierung des Arbeitsplatzes ergriffen werden müssen (DGUV 2022). Während technische und organisatorische Maßnahmen die Umgestaltung des Arbeitsplatzes (wie Arbeitshöhen oder Handhabungshilfen) sowie die Optimierung von Arbeitsabläufen einschließen, umfassen persönliche Maßnahmen alle direkt an der gefährdeten Person durchgeführten Maßnahmen (wie körpergetragene Hilfsmittel) (DGUV 2022). Beim Einsatz präventiver Maßnahmen zur Verringerung der Belastung und somit Verringerung des Risikos für Muskel-Skelett-Erkrankungen muss also immer das TOP-Prinzip eingehalten werden. Prävention arbeitsbedingter Muskel-Skelett-Erkrankungen: Auf Grund der vielfältigen negativen Auswirkungen arbeitsbedingter Muskel-Skelett- Erkrankungen, zum einen auf die Lebensqualität der Belegschaft, zum anderen auf die Wertschöpfung der Unternehmen, ist eine Prävention sinnvoll. Prävention wird in primäre, sekundäre und tertiäre Prävention unterteilt, wobei primäre Prävention die Entstehung einer Erkrankung verhindern soll, sekundäre Prävention das Fortschreiten einer Erkrankung verhindern soll und tertiäre Prävention Folgeschäden einer bestehenden Erkrankung minimieren und Rehabilitation ermöglichen soll (Slesina 2007). In dieser Arbeit wird vorrangig die Primärprävention thematisiert. Prävention von Rückenschmerzen: Prävention von Rückenschmerzen kann in die drei Kategorien orthetische Rücken-unterstützung, Trainingsintervention und Intervention durch Schulung eingeteilt werden. Die Auswirkung von Orthesen wurde bereits extensiv untersucht. Dabei konnte, teilweise auf Grund zu kurzer Interventionszeiten und niedriger Compliance, keine präventive Wirkung von Orthesen – im Sinn der Primärprävention – nachgewiesen werden (van Tulder et al. 2000). Als sekundäre präventive Maßnahme für Menschen, die bereits unter Rückenschmerzen leiden, können Orthesen jedoch effektiv sein. Intervention durch Schulungen können, sofern sie über einen längeren Zeitraum 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 5 durchgeführt werden, positive Effekte haben (van Poppel et al. 2004). Durch zu kurze Interventionszeiten konnte der Nachweis dieser Effekte bislang nicht erbracht werden. Die positive Auswirkung von Bewegungs- und Trainingsinterventionen auf Rückenschmerzen wurde bereits mehrfach nachgewiesen (van Poppel et al. 2004). Prävention von Schulterschmerzen: Zur Prävention arbeitsbedingter Schulterschädigungen können Handhabungshilfen wie handgeführte Manipulatoren, deren Wirksamkeit bewiesen ist, zum Einsatz kommen. Diese bieten allerdings wenig Flexibilität, sind zeitaufwendig in der Nutzung und unhandlich. Des Weiteren besitzen sie eine geringe Nutzerakzeptanz (Reinhart et al. 2006). Eine alternative Möglichkeit zur Entlastung des Schulterbereiches bieten physische Assistenzsysteme oder Exoskelette. Sie unterstützen das Heben und Halten in Überkopfpositionen. Exoskelette als neuartige Methode zur Prävention: Da bisherige präventive Ansätze die Prävalenz arbeitsbedingter MSE durch körperliche Überlastung nicht signifikant verringern, ist seit einigen Jahren die Erprobung von Exoskeletten ein alternativer Lösungsansatz. Dies zeigen Kennzahlen wie der 2017 auf über einen Wert von 200 Millionen USD geschätzte globale Exoskelett-Markt (Coren 2017). Schätzungen prognostizieren ein Wachstum auf 1,3 Milliarden USD bis Ende 2024 (Global Market Insights 2017). Der Markt ist als jung, dynamisch und aufstrebend einzustufen. Auch die Studienlage zur Effektivität von Exoskeletten hat sich in den vergangenen Jahren stark verdichtet. Ein Exoskelett ist definiert als ein tragbares Gerät, das Bewegung, Körperhaltung oder körperliche Aktivität unterstützt, ermöglicht, fördert oder verbessert (Lowe et al. 2019). Es setzt an der erläuterten Problemstellung an, indem es bei ungünstigen Körperhaltungen und schweren körperlichen Belastungen – bei der Arbeit – unterstützt und entlastet. Exoskelette können nach unterschiedlichen Eigenschaften kategorisiert werden. Eine Kategorisierung erfolgt in die zu unterstützenden Körperregionen, Anwendungsfälle und Arten des Unterstützungsmechanismus (Bär et al. 2021; Bogue 2022). Die unterstützte Körperregion kann jede beliebige Region des Körpers sein, wobei Exoskelette für den Rücken, die Schulter und die unteren Gliedmaßen am häufigsten verwendet werden (van der Windt et al. 2000; Bock et al. 2022; Kopp et al. 2022). Aktuelle Anwendungsfälle für Exoskelette sind Industrie, Militär oder die medizinische 6 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen Rehabilitation (Gore 2018). Der Unterstützungsmechanismus von Exoskeletten kann passiv durch Federn und Hebel, durch elastische Elemente oder durch aktive elektrische Maschinen erfolgen (Bär et al. 2021). Eine weitere Möglichkeit ist eine Mischung aus passiven und aktiven Elementen, welche als semi-aktiv bezeichnet wird. Eine detaillierte Erläuterung der Funktionsmechanismen sowie eine Übersicht der aktuellen Studienlage zu den Evaluationsversuchen der Exoskelette sind in Kapitel 3.2 beschrieben. Zusammenhang zwischen Muskel-Skelett-Belastung und physiologischer Belastung: Erhöhte physische Belastung, wie sie an vielen gewerblichen Arbeitsplätzen vorkommt, kann zu Muskel-Skelett-Erkrankungen führen (Parent-Thirion et al. 2016). Diese erhöhte physische Belastung führt zu einem erhöhten Energiebedarf und somit dem Anstieg physiologischer Parameter (Bachl 2017). Eine erhöhte äußere Last erfordert zwangsläufig eine Erhöhung der inneren muskulären Kräfte. Es entsteht also ein höherer Bedarf an dem Energielieferanten Adenosintriphosphat (ATP), welcher größtenteils über Sauerstoff 𝑂2 synthetisiert wird (Stegemann 1984). Der arbeitende Muskel benötigt also Sauerstoff 𝑂2 um ATP zu produzieren. Dieser wird über das Herzminutenvolumen (HZV / 𝐶𝑂) und dieses wiederum über die Ventilation gespeist (Hollmann et al. 2006). Der über die Lunge aufgenommene Sauerstoff 𝑂2 gelangt direkt in den Blutkreislauf, von wo aus er in den Muskel transportiert wird. Im Muskel wird aus dem Sauerstoff 𝑂2 ATP gewonnen, wobei Kohlenstoffdioxid 𝐶𝑂2 entsteht, welches wieder über das Blut zur Lunge transportiert und schlussendlich über diese abgeatmet wird (Kroidl et al. 2014). Nach dem 3-Kompartiment- Modell nach Wassermann, können Muskel, Herz und Lunge als „Zahnräder“ des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidtransports gesehen werden, welche ineinandergreifen und sich gegenseitig antreiben (Hollmann et al. 2006). So ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Muskelarbeit, dem Herzminutenvolumen (HZV / 𝐶𝑂) und der Ventilation. Nach dem Fick’schen Prinzip ist die Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 das Produkt aus dem Herzminutenvolumen (Cardiac Output 𝐶𝑂) und der arteriovenösen Sauerstoffdifferenz (Kroidl et al. 2014). Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Herzminutenvolumen (HZV / 𝐶𝑂) und Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 und somit den Zusammenhang pulmonaler und kardialer Parameter. Auf Grund des direkten Zusammenhangs zwischen dem Sauerstoffverbrauch in der Muskulatur, der 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 7 Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 über die Lunge und dem Herzminutenvolumen, kann physische Belastung am Arbeitsplatz über jeden dieser Parameter beschrieben werden. Daher sind diese geeignet, körperliche Belastung am Arbeitsplatz zu messen und somit die Effekte von Exoskeletten auf die physische Beanspruchung am Arbeitsplatz zu quantifizieren. Physiologische Diagnostik am Arbeitsplatz: Die physiologische Diagnostik mittels Spiroergometrie am Arbeitsplatz kann einerseits der Bestimmung der absoluten Belastungshöhe oder des Energiebedarfes und andererseits der Überprüfung ergonomischer Maßnahmen am Arbeitsplatz dienen. Auf Grund fehlender und unzureichender Daten zum Energiebedarf bei schwerer körperlicher Arbeit führten Lehmann et al. eine umfangreiche Untersuchung mittels der Spiroergometrie durch (Lehmann et al. 1949). Hier wurden unterschiedlichste Arbeitsplätze vom Steinkohlebergbau über die Eisen- und Metallindustrie bis zum Ledergewerbe mittels Spiroergometrie untersucht und der Kalorienverbrauch pro Arbeitstag berechnet. Fröhlich et al. untersuchten die absolute Belastungshöhe von Putzkräften (Fröhlich et al. 2018). Dabei wurde die Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 während einer 60-minütigen Tätigkeit in Relation zu der leistungsdiagnostisch bestimmten maximalen Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 gesetzt. Mit dieser Methode kann bestimmt werden, ob die Tätigkeit unterhalb der ersten ventilatorischen Schwelle (VT1) liegt und somit dauerhaft aufrechterhalten werden kann. Eine ähnliche Untersuchung führten Heimburg et al. bei Feuerwehrleuten durch, um die Mindestanforderungen körperlicher Leistungsfähigkeit zu bestimmen (Heimburg et al. 2006). Auch hier wurde die Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 während einer Rettungsaktion in Relation zur maximalen Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 gesetzt. Die durchschnittliche Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 während der Tätigkeit lag bei 3,7 l/min, weshalb mindestens eine maximale Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 von 4 l/min für Feuerwehrleute empfohlen wurde. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gewichte auf die mittels Spiroergometrie gemessene physiologische Belastung bei manueller Lastenhandhabung untersuchten Knott et al. (Knott et al. 2015). So konnten signifikante Unterschiede in der Belastung zwischen dem Heben von 0 kg, 6,5 kg und 13 kg Lastgewichten festgestellt werden. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass Belastungsunterschiede mittels dieser Methode verlässlich gemessen 8 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen werden können. Mackey et al. konnten mittels Spiroergometrie nachweisen, dass Überkopfarbeit mit abgestützten Armen eine signifikant reduzierte physiologische Belastung im Vergleich zu Überkopfarbeit mit nichtabgestützten Armen hervorruft (Mackey et al. 1998). Bei der Untersuchung unterschiedlicher Handhabungshilfen für Tragen zum Patiententransport wurde die Spiroergometrie verwendet, um die geeignetste Methode zu bestimmen (Knapik et al. 2000). Insgesamt spricht die aufgezeigte Studienlage dafür, dass die Spiroergometrie als Methode zur Diagnostik am Arbeitsplatz geeignet ist. 1.2 Problemstellung Limitierung bestehender Verfahren zur Messung physiologischer Effekte am Arbeitsplatz: Auch wenn die Spiroergometrie zur Diagnostik am Arbeitsplatz in der Vergangenheit bereits eingesetzt wurde, ist der Einsatz dennoch mit Einschränkungen und Limitationen verbunden. Durch die umfangreiche Sensorik wird die Bewegungsfreiheit und durch die Atemmaske das Sichtfeld eingeschränkt (Schwarz et al. 2017). Zusätzlich stellen das Kalibrieren, Anlegen und Einrichten eine zusätzliche zeitliche Belastung dar. Folglich ist eine Diagnostik am Arbeitsplatz mittels Spiroergometrie zwar möglich, jedoch sehr aufwändig und einschränkend für den Mitarbeiter. Neben der Spiroergometrie lässt sich im Labor auch mittels der Laktatdiagnostik die Belastungshöhe bestimmen. Für den Einsatz am Arbeitsplatz ist diese Methode allerdings ungeeignet, da der Laktatspiegel erst an dem Übergang zwischen aerober und anaerober Energiebereitstellung ansteigt; eine Belastung in dieser Höhe ist an den wenigsten Arbeitsplätzen zu erwarten (Lehmann et al. 1949). Des Weiteren muss für eine Bestimmung des Laktatspiegels eine geringe Menge Blut entnommen werden. Invasive Methoden sind für Erhebungen dieser Art als ungeeignet einzustufen. Eine sehr einfache aber unzureichend genaue Methode zur physiologischen Diagnostik am Arbeitsplatz ist die Herzfrequenzmessung. Auf Grund der hohen intraindividuellen Variationen sowie der nur moderaten Korrelation zwischen Herzfrequenz und 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 9 Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 (Strath et al. 2000) (als Indikator für den physiologischen Belastungszustand) ist diese Methode in ihrer Aussagekraft stark limitiert. Auf Grund des in der Literatur gegebenen Zusammenhangs zwischen Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2und Herzzeitvolumen 𝐶𝑂 (siehe Kapitel 3.3), wäre der Einsatz einer Methode zur Messung des Herzzeitvolumens, wie die Impedanzkardiographie eine darstellt, denkbar. Unzureichende Datenlage zur Beurteilung der physiologischen Effekte von Exoskeletten: Die Limitationen bestehender Verfahren zur Messung physiologischer Effekte am Arbeitsplatz gelten als Hauptursache für die unzureichende Datenlage zu den physiologischen Auswirkungen von Exoskeletten. Auf Grund der aufgeführten Limitationen fand ein Großteil der durchgeführten Studien zur Wirkung von Exoskeletten bisher unter Laborbedingungen statt. Die fehlende Realitätsnähe sowie die fehlende Konsistenz von Messaufbauten und Durchführungszeiten sorgen für eine schlechte Vergleichbarkeit der Ergebnisse (Bär et al. 2021). Die meisten Studien zu Auswirkungen von Exoskeletten untersuchten die Effekte auf die Muskelaktivität mittels Elektromyographie (n = 29). Hier lässt sich zwar die Muskelaktivität mit und ohne Verwendung eines Exoskeletts vergleichen, ein Rückschluss auf die absolute Belastungshöhe ist jedoch nicht möglich. Weitere in der Literatur untersuchte Auswirkungen von Exoskeletten sind funktionelle Auswirkungen (n = 21), Auswirkungen auf Kinematik und Kinetik (n = 18), Auswirkungen auf das subjektive Belastungsempfinden (n = 14) sowie Auswirkungen auf Qualität und Arbeitsleistung (n = 6). Physiologische Auswirkungen wurden bislang in nur neun Studien untersucht; davon untersuchten sechs die Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 mittels Spiroergometrie, zwei die Auswirkungen auf die Herzfrequenz und eine die lokale Sauerstoffsättigung der Muskulatur. Hier sind Ergebnisse auf Grund unterschiedlicher Aufbauten und Versuchsabläufe widersprüchlich. Daher ist eine Ausweitung der Studienlage zu physiologischen Auswirkungen von Exoskeletten notwendig. Eine ausführliche Darstellung der Studienlage ist in Kapitel 3.2.3 zu finden. 10 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 1.3 Forschungsfragen Aus der Problemstellung ergibt sich, dass etablierte Verfahren zur leistungsphysiologischen Diagnostik, wie Spiroergometrie, Laktatdiagnostik und Elektromyographie, für den Einsatz am Arbeitsplatz Probleme und Limitationen aufweisen. Weiterhin fehlt, auf Grund einer unzureichenden und unklaren Studienlage zum physiologischen Nutzen der Systeme sowie fehlender konsistenter Messumgebungen und Realitätsnähe, ein klarer objektiver Nachweis der physiologischen Entlastungswirkung von industriell eingesetzten Exoskeletten. Daraus resultiert der Bedarf an einer Messmethode, um körperliche Be- und Entlastung am Arbeitsplatz zu bestimmen. Da der Ansatz eine impedanzkardiographische Messung heranzuziehen plausibel erscheint, ergeben sich die folgenden Forschungsfragen: 1. Ist es möglich, physiologische Auswirkungen – hervorgerufen durch physische Belastung – objektiv anhand der Hämodynamik mittels Impedanzkardiographie messbar zu bestimmen und dabei alle der folgenden Kriterien zu erfüllen?  Die Messung darf nicht invasiv vorgenommen werden (z.B. Thermodilutionsmethode, Laktatmessung).  Die Messung muss mobil und am Arbeitsplatz durchführbar sein (keine Echokardiographie, stationäre Spiroergometrie).  Das Verfahren soll ganzheitlich bzw. kardiopulmonal aussagekräftig sein (z.B. entgegen der Elektromyographie).  Der Arbeitnehmer sollte so wenig wie möglich beeinträchtigt werden (entgegen der mobilen Spiroergometrie).  Die Methode muss mit den Goldstandardmethoden der physiologischen Diagnostik validiert werden können. 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 11 2. Reduziert ein Exoskelett messbar und somit nachweislich die physiologische Belastung während kommerzieller industrieller Arbeit und ist dies mit der validierten Methode möglich? Dabei sollten folgende Bedingungen erfüllt sein:  Der Versuchsaufbau soll standardisiert und referenziert sein.  Der Versuchsaufbau soll realitätsabbildend sein.  Die Population soll für den Fachbereich repräsentativ sein. 12 1 Einleitung, Problemstellung und Forschungsfragen 2 Forschungsdesign Nach der wissenschaftlich fundierten Herleitung der Thematik sowie Aufstellung der Forschungsfragen gestaltete sich die weitere Wissenschaftsmethodik wie folgt. Da, wie in Kapitel 3.4 beschrieben, die existierenden leistungsdiagnostischen Verfahren starke Limitationen aufweisen, schien die Impedanzkardiographie eine vielversprechende Alternative zur Erfassung der Belastung bzw. Entlastung zu sein. Die Methode ist nichtinvasiv und mobil, ist über die 𝐶𝑂-Bestimmung kardiopulmonal aussagekräftig und die Beeinträchtigung während der Arbeit ist marginal. In Kooperation mit der medis Medizinische Messtechnik GmbH (Ilmenau, Deutschland) konnte dieser Ansatz diskutiert werden und nach einer Messreihe ein geeigneter Impedanzkardiograph mit Zulassung nach dem Medizinproduktegesetzes (MPG) gefunden werden. Nach der Einarbeitung in die menschliche Physiologie (siehe Kapitel 3.3.2) konnten alternative belastungsbeschreibende Parameter diskutiert werden, welche unter Berücksichtigung der in Kapitel 1.3 definierten Bedingungen objektiv messbar sind. Über die Zusammenhänge der maßgebenden Sauerstoffaufnahme 𝑉𝑂2 und dem Herzzeitvolumen (Cardiac Output) HZV (𝐶𝑂) (Kroidl et al. 2014) konnte nach einer Einarbeitung in die Kardiologie (siehe Kapitel 3.3.1) die generelle Funktionsweise der Impedanzkardiographie (siehe Kapitel 3.5) und die Eignung der hämodynamischen Parameter (siehe Kapitel 4) für diese Zwecke untersucht werden. Eine Validierung der Methode bzw. der Parameter erforderte eine Studie mit einer Population gesunder Studienteilnehmer und der Gegenüberstellung der Impedanzkardiographie und der Goldstandardmethode der Leistungsdiagnostik, der Spiroergometrie unterstützt durch Laktaterfassung (siehe Kapitel 4). Dies erfüllte den Punkt der Validierbarkeit der Forschungsfrage. Geeignete Probanden konnten mit Hilfe einer online-Werbekampagne generiert werden. Der Prüfplan der Studie wurde nach den Grundsätzen für Good Clinical Practice (GCP) erstellt und durch die zuständige Ethik-Kommission freigegeben. Das Studiendesign gestaltete sich in der Umsetzung einer nach Hollmann et al. standardisierten sportmedizinischen 14 2 Forschungsdesign Leistungsdiagnostik mittels Fahrradergometer zur Rekonstruierbarkeit der Ergebnisse (Hollmann et al. 2006). Während des Protokolls zeichneten alle Messmittel synchron auf. Um die Eignung des Systems bzw. der Parameter und die weitere Verwendung des Systems zu untersuchen, wurden die Messreihen statistisch ausgewertet (siehe Kapitel 4.2.5) und somit erfolgreich validiert (siehe Kapitel 4.3). Die erste Forschungsfrage konnte mit diesen Erkenntnissen beantwortet werden. Da bei der zweiten Forschungsfrage der Einsatz von Exoskeletten in den Fokus rückt, wurde dieser Hintergrund unter Einbeziehung der Schwerpunkte Erkrankungsbild der Zielgruppen, Ursache und Entstehung der Erkrankung, gesetzliche Grundlagen zur Anwendung von Exoskeletten in der Industrie, Funktionsmechanismen der Systeme, Marktübersicht erhältlicher Systeme und Studienlage über die erforschten Effekte von Exoskeletten ausgearbeitet (siehe Kapitel 3.1 und 3.2). In enger Kooperation mit in der Industrie ansässigen Unternehmen konnten innerhalb des Exoworkathlon®-Projekts drei gefährdete Arbeitsprozesse identifiziert und anschließend im Labor rekonstruierbar abstrahiert werden (Kopp et al. 2022), wovon einer in dieser Arbeit thematisiert wurde (siehe Kapitel 5). Die Anforderung der Realitätsabbildung konnte somit erfüllt werden. Um den genauen Arbeitsablauf und die relevanten Kenngrößen zu definieren, wurden in Abstimmung mit der GSI SLV Nord Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (Hamburg, Deutschland) die Arbeitsabläufe gemäß der DIN EN ISO 9606-1:2017-12 (DIN EN ISO 9606-1) festgelegt. Nach den definierten Kenngrößen wurde der Schweißarbeitsplatz mit Hilfe eines Schweißsimulators umgesetzt. Dies gelang in Zusammenarbeit mit der WeldPlus GmbH (Müschenbach, Deutschland) anhand einiger Pilotversuche. Diese Systeme sind in Lehrstätten weit verbreitet und finden auch in den Einrichtungen der DVS GSI SLV Einsatz. Sie ermöglichten die Gewährleistung der Sicherheit für die Probanden und eine digitale Qualitätsauswertung während des Schweißvorgangs vor dem Körper und über dem Kopf. Ebenfalls Teil des Arbeitsprozesses war die Bearbeitung der Schweißnaht mittels Winkelschleifer. Diese auf den Arbeiter wirkende Belastung wurde in einer Labormessreihe ermittelt und die beim Schleifen wirkenden Kräfte durch ein Schleifprüfstandkonzept nachgestellt (siehe Kapitel 5.3). Die Anforderung standardisiert und referenziert zu sein wurde durch den dokumentierten definierten Aufbau und Ablauf erfüllt. Der Prüfplan zur Evaluationsstudie umfasste alle 2 Forschungsdesign 15 Arbeitssequenzen des Exoworkathlon®-Projekts und wurde mehrfach erweitert. Er wurde nach den GCP-Grundlagen entworfen und durch die zuständige Ethik-Kommission repetitiv freigegeben. Für die Studie wurde die Exoskelett-Auswahl basierend auf dem Kapitel 3.2 möglichst breitgefächert und marktneutral getroffen. Die Population der Studie wurde durch Fachkräfte aus dem Berufsfeld verwirklicht. Diese konnten über Forschungskooperationen mit der Audi AG (Neckarsulm, Deutschland), der Ford-Werke GmbH (Köln, Deutschland), der GSI SLV Nord (Hamburg, Deutschland), der Kliewe GmbH (Hamburg, Deutschland), der Lufthansa Technik AG (Hamburg, Deutschland), der Mayr & Wilhelm GmbH & Co.KG (Buchholz in der Nordheide, Deutschland) und der P&S Apparatebau GmbH (Hamburg, Deutschland) für die Studie gewonnen werden. Unterteilt in drei Blöcke konnte die Studie somit an jeweils unterschiedlichen Lokalitäten durchgeführt werden. Die Anforderung der Repräsentativität konnte hierdurch erfüllt werden. Die definierte und standardisierte Prüfvorschrift wurde mittels des abstrahierten Aufbaus und der validierten Messmethode von jedem Probanden randomisiert mit und ohne Exoskelett durchgeführt (siehe Kapitel 6). Zusätzlich wurde die Qualität der simulierten Schweißarbeit erhoben und konsistent zu den weiteren Arbeitsplätzen des Exoworkathlon®-Projekts das subjektive Belastungsempfinden erfasst (siehe Kapitel 6.2.4). Durch eine statistische Auswertung der unterschiedlichen Größen konnten im Anschluss die durch Exoskelette hervorgerufenen Effekte hinsichtlich der Hämodynamik, der Qualität und des subjektiven Belastungsempfindens untersucht werden (siehe Kapitel 6.2.5 und 6.4). Die zweite Forschungsfrage konnte mit diesem Vorgehen ebenfalls beantwortet werden. 16 2 Forschungsdesign 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Muskel-Skelett-Belastung Arbeitsbedingte Muskel-Skelett-Erkrankungen machen einen erheblichen Anteil der AU- Tage in Deutschland aus und bedürfen effektiver und nachhaltiger Präventionsmaßnahmen (Brenscheidt et al. 2018). In diesem Kapitel werden Hitergründe und Epidemiologie der am häufigsten vorkommenden MSE (Erkrankungen von Rücken und Schulter) erläutert. Dies dient der Herleitung des Bedarfes und der nötigen Unterstützungswirkung von Exoskeletten für diese Zielregionen. 3.1.1 Muskel-Skelett-Erkrankungen des Rückens Hintergrund: Schmerzen des unteren Rückens werden definiert als Schmerz, Muskelverspannung oder Muskelversteifung im Bereich zwischen dem untersten Rippenbogen und dem Gesäß. Sie werden in der Regel in spezifische und unspezifische Schmerzen unterteilt. Im Durchschnitt sind 90 % der Fälle unspezifisch oder auf keinen identifizierbaren Auslöser zurückzuführen (Manek & MacGregor 2005). Risikofaktoren für die Entstehung von Rückenschmerzen sind vielseitig und umfassen persönliche, psychologische sowie physische Risikofaktoren (Andersen et al. 2017). Als persönliche Faktoren zählen Alter, Körpergewicht, körperliche Leistungsfähigkeit oder auch das Rauchverhalten (Hamberg- van Reenen et al. 2007). Psychosozial gibt es Zusammenhänge zwischen Rückenschmerzen und Stress, Zufriedenheit am Arbeitsplatz sowie sozialem Rückhalt. Physische Risikofaktoren für Rückenschmerzen sind schweres Heben und Tragen, vorgebeugte Haltung sowie Rumpfrotation (da Costa & Vieira 2010). Der kausale Zusammenhang zwischen Risikofaktoren und Rückenschmerzen kann jedoch in den meisten Fällen nicht nachgewiesen werden. Dennoch gibt es einen deutlichen 18 3 Theoretische Grundlagen Zusammenhang zwischen manueller Lastenhandhabung und Rückenschmerzen, der zumindest theoretisch nach biomechanischen Prinzipien erklärt werden kann (Adams 2004). Um die biomechanische Entstehung von Rückenschmerzen präzise zu erläutern, muss die funktionelle Anatomie der Wirbelsäule genauer betrachtet werden. Am häufigsten von Schmerzen betroffen ist die Lendenwirbelsäule. Die Wirbelsäule besteht im Wesentlichen aus den kurzen, lasttragenden Wirbelkörpern und den Wirbelbögen (siehe Abbildung 3). Diese bilden den Wirbelkanal, innerhalb dem das Rückenmark verläuft. Benachbarte Wirbelkörper werden durch die Bandscheiben getrennt. Die Bandscheiben bestehen aus dem weichen, formbaren Nucleus pulposus und sind umgeben von den stabilen, faserartigen, ringförmig angeordneten Lamellen des Anulus fibrosus (siehe Abbildung 3). Verbunden sind die Wirbelkörper durch die Facettengelenke, die durch Bänder stabilisiert werden (Adams 2004). Unterschiedliche Belastungen der Wirbelsäule durch Rotation, Kompression und Beugung oder einer Kombination daraus, können zu unterschiedlichen Verletzungen an den Strukturen der Wirbelsäule führen. Kompressive Kräfte, die auf die Wirbelsäule wirken, werden primär durch die Muskulatur des Rückens (v.a. erector spinae) bestimmt. Durch Kompressionskräfte geben die Wirbelkörper vor den Bandscheiben nach. Allerdings führt beispielsweise eine Wirbelfraktur auch zu degenerativen Veränderungen der angrenzenden Bandscheiben. Flexionskräfte, die beim Vorbeugen auftreten, können zu Abbildung 3: Anatomie der Wirbelsäule, 1 = Wirbelkörper, 2 = Wirbelloch, 3 = Zwischendornfortsatzband, 4 = Vorderes Längsband, 5 = Bandscheibenfaserring, 6 = Bandscheibenkern, 7 = Hinteres Längsband, 8 = Dornfortsatz, 9 = Nervenwurzel, 10 = Nervenfaserbündel des Rückenmarks, 11 = Nervenknoten (Ganglion), 12 = Bandscheibenkern, 13= Bandscheibenfaserring (Weitz 1998) 3 Theoretische Grundlagen 19 Schäden an den stabilisierenden Bändern führen, werden aber in der Regel durch die Schutzspannung der Muskulatur verhindert. Überhöhte Extensions- sowie Rotationskräfte führen zu Verletzungen der kleineren Gelenke der Wirbelsäule sowie den stabilisierenden Bändern. Der häufigste Verletzungsmechanismus ist die Kombination von Kompression und Vorbeuge, welcher typischerweise beim Heben von Gewichten auftritt. Diese Belastung kann dazu führen, dass sich der Nucleus pulposus verschiebt und somit ein Bandscheibenvorfall ausgelöst wird. Bei einem solchen Bandscheibenvorfall nach posterior übt der verschobene Nucleus pulposus Druck auf die Spinalnerven aus (Adams 2004). Um eine Überlastung der Wirbelsäule zu verhindern, werden definierte Belastungsgrenzen benötigt. Endgültige Belastungsgrenzen können durch In-vivo-Messungen bis zum Versagen an Kadavern zuverlässig ermittelt werden (Jäger 2018). Die in den "Revidierten Dortmunder Empfehlungen" empfohlenen Grenzwerte für die maximale lumbale Druckbelastung betragen 5,4 kN für 20-jährige Männer, 2,2 kN für 60-jährige Männer, 4,1 kN für 20-jährige Frauen und 1,8 kN für 60-jährige Frauen (Jäger 2018). Diese Grenzwerte können bei der Bewertung der Sicherheit von Arbeitsplätzen im Hinblick auf die Belastung der Wirbelsäule hilfreich sein. Epidemiologie arbeitsbedingter Rückenschädigungen: Rückenschmerzen sind die häufigste Muskel-Skelett-Erkrankung am Arbeitsplatz. Mit einer Lebenszeit-Inzidenz von 75−85 % leiden die meisten Menschen in ihrer Lebenszeit mindestens einmal unter Rückenschmerzen (Andersen et al. 2017). Als Risikofaktoren für Rückenschmerzen sind hier schweres Heben und Tragen zu nennen. 3.1.2 Muskel-Skelett-Erkrankungen der Schulter Die Schulter gilt als eines der komplexesten Gelenke des menschlichen Körpers. Der Schulterkomplex umfasst vier Gelenke, während die Bewegung der Schulter von ca. 20 Muskeln koordiniert wird (Weitz 1998). Durch eine geringe Auflagefläche des Humeruskopfes in dem Glenoid entsteht ein großer Bewegungsumfang, welcher auf Kosten der Stabilität erreicht wird. Daher muss das Gleichgewicht zwischen Mobilität und Stabilität aufrechterhalten werden, um Verletzungen der Schulter zu vermeiden. 20 3 Theoretische Grundlagen Das Glenohumeralgelenk bildet das Hauptgelenk der Schulter, das durch das Sterno- claviculargelenk, das Acromionaviculargelenk und das scapulothorakale Gelenk ergänzt wird (siehe Abbildung 4). Das Glenohumeralgelenk ist ein Kugelgelenk mit sehr geringer Auflagefläche, wodurch eine große Beweglichkeit in allen Richtungen erreicht wird. Die Stabilität der Schulter wird sowohl durch statische (passive) als auch durch dynamische (aktive) Mechanismen erreicht. Die statische Stabilität wird z.B. durch das Labrum erreicht, welches die Gelenkfläche vergrößert, oder ein Vakuum, welches durch einen Unterdruck im Gelenk entsteht. Zusätzlich wird die statische Stabilität der Schulter durch die Muskeln der Rotatorenmanschette, den Deltamuskel sowie die stabilisierenden Bänder unterstützt. Die dynamische Stabilität wird durch die kontrollierte Kontraktion der Muskeln der Rotatorenmanschette erreicht. Diese Kompression ist während glenohumeraler Bewegung notwendig, um Translation des Humeruskopfes und Instabilität, welche zu Verletzungen führen können, zu unterbinden. Die zwei häufigsten Krankheitsbilder des Schulterkomplexes sind das Impingement- Syndrom und die glenohumerale Instabilität. Das Impingement-Syndrom entsteht durch Abbildung 4: Anatomie der Schulter, 1 = Fortsatz der Schulterblattgräte, 2 = Band zwischen Rabenschnabelfortsatz und 1, 3 = Sehne des Obergrätenmuskels, 4 = Oberarmknochen, 5 = Sehne des Unterschulterblattmuskels, 6 = Bizepssehne, 7 = Schlüsselbein, 8 = Schleimbeutel, 9 = Schulterblatt, 10 = Schleimbeutel, 11 = Gelenkkapsel (Weitz 1998) 3 Theoretische Grundlagen 21 anatomische oder dynamische Enge zwischen Humeruskopf und Acromion. Dadurch werden die Muskeln der Rotatorenmanschette und der Schleimbeutel gereizt, wodurch Entzündungen und degenerative Schädigungen entstehen können. Die glenohumerale Instabilität bezeichnet das Unvermögen, den Humeruskopf während der Bewegung der Schulter im Glenoid zu zentrieren. Hieraus können Überlastungsschäden an den stabilisierenden Elementen sowie Luxationen entstehen, die wiederum zu akuten Schädigungen der umliegenden Strukturen führen können. Zu den umliegenden Strukturen, welche primär verletzt werden können, gehören das Labrum und die Gelenkkapsel sowie die beteiligten Bänder und Sehnen. Die Entstehung der beiden Krankheitsbilder wird durch Überkopfarbeiten oder Überkopfsportarten begünstigt (Armfield et al. 2003). Epidemiologie arbeitsbedingter Schulterschädigungen: Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) sind der häufigste Grund für Arbeitsunfähigkeit unter deutschen Beschäftigten. Dabei liegen Erkrankungen der Schultern auf Platz zwei hinter den MSE des Rückens. 58 % der Frauen und 37 % der Männer haben Schmerzen oder Beschwerden im Bereich der Schultern und des Nackens (Hartmann et al. 2013). Die Wahrscheinlichkeit, dass eine MSE im Schulterbereich auftritt, erhöht sich um circa 66 %, wenn lediglich 10 % der gesamten Arbeitszeit überkopf sattfindet (Grieve & Dickerson 2008). Es ist anzunehmen, dass das Risiko weiter ansteigt, wenn ein höherer Anteil an Überkopfarbeiten vorliegt. 22 3 Theoretische Grundlagen 3.1.3 Muskel-Skelett-Belastungen und gesetzliche Grundlagen Wie bereits in Kapitel 1.1 ausgeführt, ist ein großer Teil der Arbeitsunfähigkeitstage in Deutschland und Europa auf MSE zurückzuführen (Brenscheidt et al. 2018; EU-OSHA 2019). Dies führt zu einer verminderten Lebensqualität der Betroffenen, zu Ausfällen in der Produktion sowie zu einer Reduktion der Bruttowertschöpfung. Im weiteren Verlauf können diese Erkrankungen zur Berufsunfähigkeit führen und neben den negativen Auswirkungen für die Betroffenen, weitere Kosten für Unternehmen und Versicherungsträger verursachen (DGUV 2022). Das Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) verpflichtet Arbeitgeber dazu, eine Beurteilung der Gefährdung für jeden Arbeitsplatz durchzuführen und bei erhöhter Belastung geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Dies greift ebenfalls für körperliche Belastung am Arbeitsplatz. Bei Tätigkeiten mit definierter körperlicher Belastung wird die Gefährdung durch Dauer, Höhe und Häufigkeit der Belastung festgelegt. Daher sind diese Faktoren bei der Beurteilung der Gefährdung fester Bestandteil der Erhebung. Im Rahmen des Projektes Megaphys (Mehrstufige Gefährdungsanalyse physischer Belastungen am Arbeitsplatz) (BAuA 2019), haben die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) und die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e. V. (DGUV) ein überarbeitetes Konzept als neues Maß zur Gefährdungsbeurteilung für physische Belastungen veröffentlicht. Auf Basis des Arbeitsschutzgesetzes ist jeder Arbeitsplatz anhand dieses Konzeptes zu beurteilen. Die mehrstufig aufgebaute Methode gliedert sich, wie in Abbildung 5 dargestellt, in drei Stufen. Stufe 1 bildet dabei die Orientierende Gefährdungsbeurteilung anhand der Checkliste Muskel-Skelett-Belastung (DGUV 2022). In dieser Checkliste wird anhand von Orientierungsfragen zu der Art, Dauer, Häufigkeit und Höhe der Belastung oder dem Auftreten tätigkeitsspezifischer Beschwerden bei den Beschäftigten bestimmt, ob eine vertiefende Gefährdungsbeurteilung nach Stufe 2 durchgeführt werden muss. Die vollständige Checkliste Muskel-Skelett-Belastungen befindet sich im Anhang A 1 Abbildung A 1 bis A 8. 3 Theoretische Grundlagen 23 Wenn anhand der Stufe 1 der mehrstufigen Gefährdungsbeurteilung eine erhöhte körperliche Belastung oder tätigkeitsbezogene Beschwerden auftreten, welche nicht direkt behoben werden können, so ist in Stufe 2 eine vertiefende Gefährdungsbeurteilung durchzuführen. Die erste Methode der Wahl für eine erweiterte Gefährdungsbeurteilung sind die Leitmerkmalmethoden, ein vertiefendes Screening-Verfahren, welches eine Beurteilung der Belastung am Arbeitsplatz ergibt. Nach den Leitmerkmalmethoden wird die Belastungshöhe in die Kategorien gering (keine Maßnahmen erforderlich), mäßig Abbildung 5: Modell zur mehrstufigen Gefährdungsbeurteilung physischer Belastungen am Arbeitsplatz (DGUV 2022) 24 3 Theoretische Grundlagen erhöht (Maßnahmen für vermindert belastbare Personen empfohlen), wesentlich erhöht (Maßnahmen zur Prävention und Umgestaltung sind zu prüfen) und hoch (Maßnahmen erforderlich) eingeordnet. Ergibt sich aus der erweiterten Gefährdungsbeurteilung eine wesentlich erhöhte oder hohe Gefährdung, so müssen Maßnahme zur Umgestaltung geprüft bzw. durchgeführt werden. Können Maßnahmen umgesetzt werden, die zu einer wesentlich verringerten Belastung führen, so kann die Gefährdungsbeurteilung abgeschlossen werden. Können keine geeigneten Maßnahmen mit Hilfe der Stufe 2 abgeleitet werden, so ist in Stufe 3 eine Unterstützung durch externe Spezialisten zur weiterführenden Analyse der Belastung mit spezifischen Verfahren nötig. Hier können Messverfahren wie biomechanische Bewegungsanalysen und Untersuchungen zur Bestimmung des Energieumsatzes (wie z.B. mittels Spiroergometrie oder Impedanzkardiographie) zum Einsatz kommen. Wird bei der Gefährdungsbeurteilung festgestellt, dass eine wesentlich erhöhte oder hohe Belastung am Arbeitsplatz vorliegt, so müssen Maßnahmen zur Gestaltung geprüft und gegebenenfalls umgesetzt werden. Wenn Belastungen nicht komplett vermieden werden können, so müssen sie zumindest reduziert werden (DGUV 2022). Bei der Umgestaltung eines Arbeitsplatzes ist das TOP-Prinzip anzuwenden. Dies bedeutet, dass im ersten Schritt technische Maßnahmen, bei Misslingen organisatorische Maßnahmen und zuletzt personenbezogene Maßnahmen ausgeschöpft werden müssen. Technische Maßnahmen sind solche, die durch Umgestaltung eines Arbeitsplatzes oder den Einsatz von Hilfsmitteln (wie z.B. Hebehilfen) realisiert werden. Sind technische Maßnahmen ausgeschöpft und es besteht weiterhin eine erhöhte oder hohe Belastung, so sind organisatorische Maßnahmen durchzuführen. Diese beinhalten eine Verbesserung durch Optimierung der Arbeitsabläufe sowie deren Organisation. Beispiele hierfür sind eine Rotation zwischen belastenden und wenig belastenden Tätigkeiten oder eine Verringerung der zu bewegenden Lastgewichte. Wenn sowohl technische als auch organisatorische Maßnahmen die Belastung am Arbeitsplatz nicht ausreichend reduzieren konnten, kann auf personenbezogene Maßnahmen zurückgegriffen werden. Personenbezogene Maßnahmen sind solche, die sich direkt auf die gefährdete Person beziehen. Dazu gehören Aufklärungen über korrekte Hebetechniken, aber auch persönliche 3 Theoretische Grundlagen 25 Schutzausrüstung oder weitere körpergetragene Hilfsmittel (wie beispielsweise Exoskelette). Fazit zu Kapitel 3.1: Die hohe Prävalenz an MSE mit Fokus auf Rücken- und Schultererkrankungen kann weitestgehend einer physischen Überlastung zu Grunde gelegt werden. Arbeitsbedingte körperliche Belastungen müssen nach den Grundlagen des Arbeitsschutzgesetzes durch den Arbeitgeber ermittelt und bewertet werden. Gefährdete Tätigkeiten bedürfen der Umsetzung von Maßnahmen zur belastungsreduzierenden Umgestaltung. Auch wenn der industrielle Einsatz von Exoskeletten Reglementarien mit sich bringt, bietet das Arbeitsschutzgesetz die rechtlichen Rahmenbedingungen zur Anwendung des neuen Exoskelett-Ansatzes, um erhöhte körperliche Belastung am Arbeitsplatz zu reduzieren. 26 3 Theoretische Grundlagen 3.2 Physische Assistenzsysteme – Exoskelette 3.2.1 Grundlagen und Stand der Technik Ein Exoskelett ist definiert als ein tragbares Gerät, das Bewegung, Körperhaltung oder körperliche Aktivität unterstützt, ermöglicht, fördert oder verbessert (Lowe et al. 2019). Aktuelle Anwendungsgebiete für Exoskelette sind die Industrie, das Militär oder die medizinische Rehabilitation (Gore 2018). Exoskelette für militärische Anwendungen haben in erster Linie das Ziel den Anwender in seinen Bewegungen zu unterstützen und so für eine gesteigerte Leistungsfähigkeit zu sorgen. Das System unterstützt und fördert. Exoskelette zur industriellen Anwendung wiederum werden dafür eingesetzt, körperliche Belastung während der kommerziell verrichteten Arbeit zu reduzieren und so für eine Entlastung des Anwenders zu sorgen. In der medizinischen Rehabilitation dienen Exoskelette dazu Bewegungen, teilweise gesteuert, zu ermöglichen um somit Genesungsprozesse zu fördern. Überblicken wir alle Anwendungsgebiete der Exoskelette, so lassen sie sich nach ihrer Funktionalität in zwei Hauptkategorien kategorisieren. Die Nutzergruppe (beeinträchtigt oder unbeeinträchtigt) und die Unterstützungsart (gewichtstragend oder Unterstützung einzelner Gelenke) (Siviy et al. 2023). So entsteht eine Matrix mit den vier übergeordneten Exoskelett-Typen „Gewichtstragend-beeinträchtigt“, „Gewichtstragend- unbeeinträchtigt“, „Gelenkunterstützend-beeinträchtigt“ und „Gelenkunterstützend- unbeeinträchtigt“. Exoskelette zur industriellen Anwendung gehören der Kategorie „unbeeinträchtigt“ an, wobei zu bemerken ist, dass die meisten der aktuell marktverfügbaren industriellen Systeme der Kategorie „Gelenkunterstützend- unbeeinträchtigt“ zuzuordnen sind. Die genauere Kategorisierung dieser Systeme ist Gegenstand dieser Arbeit und befindet sich in Kapitel 3.2.2. 3 Theoretische Grundlagen 27 3.2.2 Exoskelette zur Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen am Arbeitsplatz „Exoskelette sind am Körper getragene Assistenzsysteme, die mechanisch auf den Körper einwirken. Im beruflichen Kontext zielen sie darauf ab, Funktionen des Skelett- und Bewegungssystems bei körperlicher Arbeit zu unterstützen.“ (Steinhilber et al. 2020). Sie können also als Hilfsmittel zur Prävention arbeitsbedingter Muskel-Skelett- Erkrankungen eingesetzt werden. Betrachtet man Exoskelette im Kontext der Maßnahmen zur Umgestaltung hoch belasteter Arbeitsplätze nach dem TOP-Prinzip, so sind diese eindeutig den personenbezogenen Maßnahmen zuzuordnen. Daher müssen sie nachrangig zu technischen und organisatorischen Umgestaltungsmaßnahmen behandelt werden und dürfen nur an Arbeitsplätzen eingesetzt werden, an welchen diese Maßnahmen schon ausgeschöpft sind (Steinhilber & Jäger 2020). Dieses Kapitel befasst sich mit Funktions- und Unterstützungsmechanismen von Exoskeletten für den Einsatz am Arbeitsplatz (kommerziell-industrieller Einsatz), verschafft einen aktuellen Marktüberblick der verfügbaren Vielfalt und zeigt den aktuellen Stand der Forschung zur Evaluation von Exoskeletten. 3.2.2.1 Klassifizierung und Funktionsmechanismen der unterschiedlichen Systeme Um einen Überblick über industriell eingesetzte Exoskelette zu erhalten, ist die Klassifizierung in die vorherrschenden Kategorien notwendig. Die Systeme können in drei übergreifende Kategorien eingeordnet werden: nach der kinematischen Struktur, nac