Exoskelette

Exoskelette – Fluch oder Segen?

Der Hype um Exoskelette nimmt nicht ab – und das, obwohl deren komplexer Einfluss auf den menschlichen Körper noch immer nicht ganz erforscht ist. Weder ist ihre langfristige Auswirkung auf die Gesundheit geklärt, noch ist die ihnen zugeschriebene präventive Wirkung in Bezug auf Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) erwiesen.
N. Lechner

Mit dem Einsatz der Exoskelette sind jedenfalls neue Herausforderungen im Bereich der Arbeitssicherheit, der Gefährdungsbeurteilung sowie der Arbeitsplanung verbunden. In vielen Berufen können Hebetätigkeiten, repetitive Bewegungen oder Arbeiten in Zwangshaltungen zu Fehlbelastungen oder Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) führen. MSE sind dabei meist nicht auf eine einzelne, sondern auf verschiedene Ursachen zurückzuführen. Verantwortlich ist ein Zusammenspiel mehrerer Faktoren wie schnell getaktete Arbeitsabläufe, unzureichende Arbeitsumgebungen sowie die Kombination von schwerer körperlicher Arbeit mit physischer Fehlbelastung. Hervorzuheben sind etwa das Drehen und Beugen des Körpers während der Lasthandhabung, monotone und kraftvolle Bewegungen sowie anhaltende und ungünstige (Zwangs-)Haltungen oder Haltearbeit. Dass Exoskelette hier die allumfassende Lösung bieten sollen, ist jedenfalls zu kurz gedacht!

Exoskelette und Orthesen

Exoskelette sind am Körper getragene Assistenzsysteme, die die genannten physischen Gefährdungen reduzieren sollen. Ursprünglich für das Militär entwickelt und in weiterer Folge in der medizinischen Rehabilitation eingesetzt, werden sie auch für Industrieunternehmen zunehmend interessant. 

Der Unterschied zu Unterstützungssystemen wie Orthesen ist, dass diese zu den medizinischen Hilfsmitteln in der Orthopädie zählen und therapeutischen und prophylaktischen Zwecken dienen. Verletzungen oder Erkrankungen machen es für viele Menschen unabdingbar, auf derartige Unterstützungsmittel zurückzugreifen. Orthesen werden dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst und sichern oder erhalten die Funktion eines nicht mehr voll funktionsfähigen Körperteils. Passive Systeme stützen oder entlasten dabei durch Sperren oder Bewegungseinschränkung bzw. durch Einschränkung der Flexion oder Extension einzelne Wirbelsäulenabschnitte, aktive Systeme mit motorischer Unterstützung korrigieren eine Fehlhaltung der Wirbelsäule.

Systeme, die mechatronische Unterstützung bieten, werden als aktive Exoskelette bezeichnet. Sie weisen hohe Komplexität auf, da sie motorbetrieben sind, über eine Stromversorgung verfügen und meist modular aufgebaut und erweiterbar sind. Die weniger komplexen passiven Exoskelette unterstützen durch mechanisch wirkende muskelkraftbetriebene Federunterstützung ohne Stromversorgung. Einsatzbereiche sind untere oder obere Extremitäten sowie einzelne Gelenke, wobei Exoskelette kraftunterstützend sowie haltungs- oder halteunterstützend sein können. Ein Beispiel für halteunterstützenden Einsatz ist die Armarbeit über Schulterniveau, eines für haltungsunterstützenden Einsatz der sogenannte Chairless Chair, der als mobiles Sitzmittel dient. Das Körpergewicht wird dabei über das Exoskelett in den Boden umgeleitet, wodurch die Belastung der gesamten unteren Extremität reduziert werden kann.

Chancen und Risiken

Oberkörperexoskelette bestehen meist aus festen mechanischen Strukturen, die die einwirkenden Kräfte in andere Körpersegmente umverteilen. In der Theorie werden Anwendungsgebiete im Produktionsbereich ebenso beschrieben wie solche an nicht-stationären Arbeitsplätzen, die das Heben schwerer Lasten erfordern und gleichzeitig den Einsatz technischer Hilfsmittel ausschließen. Die Praxis zeigt: Je umfangreicher die Arbeitsaufgaben und je komplexer die Tätigkeiten und die daran beteiligten Bewegungen sind, umso schwerer ist es, ein passendes Exoskelett auszuwählen oder dessen Wirksamkeit nachzuweisen. 

Eine oftmals schon vorweg prophezeite positive Wirkung und Entlastung kann jedenfalls nicht pauschal behauptet werden. Die Frage ist zunächst, wie es zum ordnungsgemäßen Einsatz kommen kann. Denn auch wenn Exoskelette zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und Chancen bieten, lässt sich das Schutzziel, die physische Belastung des Individuums zu reduzieren, in vielen Fällen schon durch eine ergonomische Arbeitsplatzgestaltung realisieren – vor allem an stationären Arbeitsplätzen. 

Video- und Bewegungsanalyse bei Wien Kanal während Schaufelarbeiten. Der Mitarbeiter trägt das Exoskelett unter der Kleidung. N. Lechner

Dabei legt bei der Arbeitsplanung das STOP-Prinzip die Hierarchie der Schutzmaßnahmen fest. An erster Stelle (S wie Substitution) wird geprüft, ob Anlagen oder Arbeitsmittel ersetzt werden können. Danach (T wie Technik) wird geprüft, ob Gefährdungen und Belastungen durch technische Maßnahmen entschärft oder verringert werden können. Dazu zählen beispielsweise Lastenmanipulatoren, Gabelhubwagen oder höhenverstellbare Arbeitstische. Ergänzend zu diesen technischen können organisatorische (O wie Organisation) Maßnahmen ergriffen werden, zum Beispiel eine Beschränkung der Tätigkeitsdauer bei Arbeiten mit hoher körperlicher Belastung. Erst an letzter Stelle des STOP (P wie Personal) sollten personenbezogene Maßnahmen ergriffen werden. Exoskelette zählen zu dieser Gruppe, stellen allerdings keine persönliche Schutzausrüstung dar, da kein Wirksamkeitsnachweis aus der wissenschaftlichen Literatur vorliegt.

Die AUVA empfiehlt folgenden Relevanz- und Nutzungsprozess:

  1. Gefährdungsbeurteilung physischer Belastungen am Arbeitsplatz
  2. Maßnahmen nach dem STOP-Prinzip setzen
    Wenn technische und organisatorische Maßnahmen ausgeschöpft sind:
  3. Tätigkeitsanalyse, in weiterer Folge Bewegungsanalyse der Tätigkeiten
  4. Nutzungsanalyse und Auswahl eines Exoskeletts
  5. Planung von Praxistests und Projekten zur Erfassung der Beanspruchung und Wirksamkeit
  6. Gefährdungsbeurteilung nach ArbeitnehmerInnenschutzgesetz

Zur Gefährdungsbeurteilung physischer Belastungen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei den Grobscreening-Verfahren gibt es diverse Checklisten, bei den speziellen Screenings die Leitmerkmalmethoden und auf nächster Ebene Expertenscreenings wie das EAWS (Ergonomic Assessment Worksheet) bis hin zu betrieblichen Messungen mit Motion-Capture-Systemen wie zum Beispiel mit dem in der Fachgruppe Ergonomie eingesetzten CAPTIV Motion

Da es in Österreich keine Lasthandhabungsverordnung gibt, wird die Leitmerkmalmethode zur Gefährdungsbeurteilung und Risikoeinschätzung von Belastungen herangezogen. Bei Lastenhandhabung wie Heben und Tragen wird das Arbeitsblatt für Heben, Halten, Tragen verwendet und die Tätigkeit nach Dauer, Häufigkeit, Gewicht, Ausführungsbedingungen und Körperhaltung bewertet.

Passives Exoskelett unter der Kleidung getragen beim Heben des Kanaldeckels bei Wien Kanal. N. Lechner

Erfassung von Beanspruchung und Wirksamkeit

Beim Einsatz von Exoskeletten ist eine Bewertung mit der Leitmerkmalmethode oder EAWS nicht zulässig. Der Grund ist einfach: Werden an einem Arbeitsplatz zum Beispiel 10 kg gehoben, bleibt dieses Lastgewicht auch bei Einsatz eines Exoskeletts gleich, nur die Wirkung und einwirkende Kräfte auf Körperbereiche ändern sich. Dasselbe gilt für die Körperhaltung. Eine Rumpfvorneigung von 30 Grad bleibt auch bei Tragen eines Exoskeletts zumeist gleich, lediglich die Wirkung kann sich ändern. 

Nur in einzelnen Fällen sind andere Bewegungsmuster oder Haltungen erfassbar. Auch Ideen, die Bewertung des Einsatzes von Exoskeletten in einer Screening-Methode wie dem Ergonomic Assessment Worksheet zu implementieren, führen sich aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsweisen der verschiedenen Assistenzsysteme ad absurdum. Zwei rückenunterstützende Exoskelette unterschiedlicher Hersteller können zu unterschiedlichen physiologischen Veränderungen führen. 

Wie kann man die Beanspruchung oder Wirksamkeit aber nun tatsächlich erfassen? Im betrieblichen Umfeld kann dies über ein Motion-Capture-System bzw. messtechnische Video- und Bewegungsanalyse geschehen, wie sie von der AUVA angeboten werden. Das System, das die AUVA verwendet, erfasst mittels direkt am Körper getragener kleiner Sensoreinheiten bestehend aus 3D-Beschleunigungssensoren, 3D-Gyroskopen und 3D-Magnetometern die Bewegungen im dreidimensionalen Raum. Zugleich erfassen Elektromyografie(EMG)-Sensoren die elektrische Muskelaktivität und in weiterer Folge die Beanspruchung einzelner Muskeln.

Bei schwerer dynamischer Muskelarbeit kann es auch sinnvoll sein, Vitalparameter wie die Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme (VO2) zu erfassen. Die VO2 sagt aus, wie viel Milliliter Sauerstoff der Körper pro Minute verwertet; als Grad der Ausdauerleistungsfähigkeit wird die VO2max herangezogen. Über den Prozentanteil des maximalen Sauerstoffverbrauchs kann der Grad der physischen Beanspruchung gemessen und auch der Energieumsatz geschätzt werden. Die Fachgruppe Ergonomie der AUVA setzt in Zukunft auch auf ein mobiles Spiroergometriesystem zur Atemgasanalyse und Leistungsdiagnostik am Arbeitsplatz.

Keine biomechanischen Wunder

In den meisten Studien wird das EMG herangezogen, um eine durch den Einsatz des Exoskeletts angestrebte veränderte Beanspruchung in Form einer geringeren Muskelaktivität zu festzustellen. Hier ist jedoch vor einem Trugschluss zu warnen: Der EMG-Sensor erfasst immer nur lokal einen Muskel an der Hautoberfläche – die vor allem im Bereich der Rückenmuskulatur so wichtigen tieferliegenden Muskeln werden nicht erfasst. Der Einsatz des Exoskeletts kann zudem zu veränderten Bewegungsabläufen führen, die Aktivität in anderen Bereichen kann zunehmen.

Exoskelette bewirken jedenfalls keine biomechanischen Wunder. Sofern die Belastung nicht in den Boden abgeleitet werden kann, wird sie in andere Körperregionen umgeleitet und führt dort zu einer höheren Beanspruchung. Aufgrund eines Exoskeletts verschiebt sich auch der Körperschwerpunkt (KSP), daraus resultieren andere Bewegungsmuster, die zu einer erhöhten oder veränderten Muskelaktivität führen. Nicht zuletzt ist darauf hinzuweisen, dass viele der in der Literatur vorliegenden Studien unter Laborbedingungen und mit kleinen Probanden-Stichproben durchgeführt wurden. Mögliche Kraftumleitungen und anders wirkende Kräfte sind meist nicht einmal unter Laborbedingungen erfassbar, wären aber essenziell, um eine gute Aussage zu treffen. Die vor allem für Hebetätigkeiten so bedeutende Bandscheibendruckkraft kann gar nicht gemessen, sondern lediglich durch Simulationen geschätzt werden.

Zwei beispielhafte Untersuchungen

Bei der Firma Morandell wurde gemeinsam mit der AUVA ein entsprechendes Projekt durchgeführt. Nach vorangegangener Video- und Bewegungsanalyse wurden Belastungsspitzen herausgefiltert und ein Exoskelett ausgesucht, das in weiterer Folge im Rahmen einer kleinen Studie untersucht wurde. Zehn Probanden hatten eine Teststraße mit Hebetätigkeiten zu absolvieren, untersucht wurden ausgewählte Muskelaktivitäten und Bewegungstrajektorien mit und ohne Einsatz des Exoskeletts.  

Die Beanspruchung konnte in den untersuchten Bereichen bei Teilbewegungen der Tätigkeiten zwar reduziert werden, solange nicht aus den Armen gehoben wurde. Sie zeigte teilweise aber höheren Kraftaufwand, da sich viele Mitarbeiter der Bewegung, die das Exoskelett vorgab, widersetzten und „unsauber“ hoben. Nur die Bewegung der Lasten von Boden bis Hüfthöhe wurde nachweislich unterstützt und ergab 14 Prozent Reduktion.

Passives Exoskelett im Logistikbereich bei Hermes N. Lechner

Eine weitere Untersuchung wurde bei Wien Kanal durchgeführt, wo bei Schaufelarbeiten im Kanal und beim Heben von Kanaldeckeln der Einsatz zweier unterschiedlicher Exoskelette mit Video- und Bewegungsanalyse inklusive EMG untersucht wurde. In beiden Fällen hat der Einsatz positive Wirkungen in den untersuchten Muskelgruppen gezeigt. Das Heben des Deckels mit Exoskelett veränderte die Körperhaltung zum Zeitpunkt der am größten wirkenden Kraft zum Positiven, die Reduktion des Kraftaufwandes ließ und lässt sich messtechnisch jedoch nicht erfassen. 

Zu berücksichtigen sind auch möglicherweise entstehende Druckpunkte, Schweißbildung oder Reibungen, die durch ein zu eng sitzendes Exoskelett auftreten können. Zudem sind Gefährdungen aus den Bereichen der Gesundheits- und Arbeitspsychologie ebenfalls auszuschließen. Unabhängig von der Evaluierung der physischen Belastung am Arbeitsplatz ist eine Gefährdungsbeurteilung für das neu eingesetzte Arbeitsmittel durchzuführen.

Erstellung eines Leitfadens

Die AUVA wird in Kürze einen Leitfaden herausgeben, der voraussichtlich folgende Punkte berücksichtigen wird:

  • Mechanische Gefährdungen: Sind ungeschützte bewegte Teile vorhanden? Ist die Bewegung eingeschränkt? Ist der Körperbereich verbreitert?
  • Elektrische Gefährdungen: Sind Gefährdungen durch elektrischen Strom am Exoskelett gegeben?
  • Gefahrstoffe: Sind Gefahrstoffe enthalten? Können durch den Arbeitsprozess freigesetzte Gefahrstoffe in Kombination mit dem Exoskelett eine Gefährdung auslösen?
  • Biologische Arbeitsstoffe: Können sich am Exoskelett Bakterien/Pilze ansiedeln?
  • Brand- und Explosionsgefahr: Enthält das Exoskelett brennbare Stoffe?
  • Physikalische Einwirkungen: Entstehen Schwingungen, stoßhaltige Belastungen oder verdrehte Körperhaltungen?
  • Arbeitsumgebungsbedingungen: Treten erschwerte Bedingungen durch das Tragen auf?
  • Psychische Gefährdungen: Kommt es zum Zwang, das Exoskelett zu tragen?

Tatsache ist, dass eine präventive Wirkung von Exoskeletten in Bezug auf Muskel-Skelett-Beschwerden auf Basis des derzeitigen wissenschaftlichen Kenntnisstands und der Erfahrungen aus der beruflichen Praxis nicht begründet werden kann. Es ist weder eine primär- noch eine sekundär- oder tertiärpräventive Wirkung gegeben. Es gibt zwar tätigkeitsspezifische bzw. individuelle arbeitsplatzspezifische punktuelle Studien, aber eine allgemeine Aussage kann man nicht treffen! Die Bedeutung der Methoden und Möglichkeiten zur Evaluation werden größer. Das Angebot von Technologien wird größer, aber Nutzen und Langzeitfolgen sind aktuell noch nicht belegt.

 

Wenn tatsächlich der dringende Wunsch besteht, Exoskelette im Betrieb einzusetzen, sollten zur Erforschung der entsprechenden Wirkungen nicht zuletzt Fachleute aus den Bereichen der Biomechanik oder Ergonomie hinzugezogen werden.

Aktives, mit Elektromotor angetriebenes Exoskelett. N. Lechner

Zusammenfassung

Der Autor analysiert mit kritischem Blick, ob und wenn in welcher Form Exoskelette zur Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen eingesetzt werden können.