Eine Analyse der Wirbelsäulenkrümmung während industrieller Hebetätigkeiten mit und ohne Einsatz eines passiven Exoskeletts

Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.Exoskeletons are increasingly being used to provide ergonomic support for indus- trial workers. However, studies on the effect and influence of exoskeletons on the body are rare. This thesis therefore deals with the effect of the BioniBack back exo- skeleton from the German manufacturer hTRIUS on back curvature during industrial lifting work. Specifically, the back curvature during repalletising from three different lifting heights (91 cm, 59 cm, 15 cm) was investigated using a marker-based 3D motion capture system. In order to make the experimental set-up close to everyday life and realistic, this pilot study was carried out in cooperation with the company Zehnder based in Lahr, which provided both the test subjects and the experimental set-up. Four healthy male test persons with an average age of 39.5 years (SD = 6.5), an average body weight of 72.75 kg (SD = 7.1) and an average height of 175 cm (SD = 2.6) were divided into two shifts. Measurements were taken with the test subjects before and after the shift and on two consecutive days, whereby the BionicBack was worn during work and measurement on one day and was not worn on the other. During one measurement, the subjects picked up a package weighing 21.1 kg three times from each lifting height from one pallet and placed it on another. The recorded marker points were then projected onto a sagittal plane and the angles calculated by determining the angles between the vectors spanning from vertebra point to vertebra point were unified into a ventral spine angle. The curvature of the spine at the lowest point of the lifting motion was then examined, with the total cur- vature at this position represented by the addition of three representative segmental angles. The deviation of these total curvatures in the lowest bending position from the individual neutral spine position of the subjects in standing position gives the values that can be compared between the individual experimental conditions. The results show that the BionicBack reduced deviation from the neutral spinal position up to -11.5° (median: -11.5° (SD = 5.2); mean: -8.4° (SD = 6.4)) corresponding to - 30% before the shift and up to -5.6° (median: -5.6° (SD = 3.5); mean: -4.1° (SD = 5.4)) corresponding to -17% after the shift in comparison to without BionicBack. The examination of the individual segment angles shows that the reduction of the dis- tance from the neutral position mainly takes place in the lumbar region. The com- parison of the spinal curvature before and after the shift without BionicBack shows that the spinal curvature after the shift, with the exception of the lowest lifting height, shows a greater deviation from the neutral position than before the shift. With BionicBack it is shown that, again with the exception of the lowest lifting height, the back curvature after the shift does not deviate or deviates less from the neutral po- sition than before the shift. Based on the results, it is suspected that the BionicBack may reduce the risk of injury by supporting a more neutral back posture. Furthermore, it is suspected that muscle fatigue during a work shift has an impact on back curvature during lifting that can be reduced by the BionicBack. However, the limitations of this pilot study should not be ignored. This may be due to the number of subjects, which does not allow for a statement on general validity and does not allow for an effective statistical analy- sis, or to systematic errors that may occur due to the simplification of the model and the methodology. Further research is needed to validate the results. This work should form the basis for further studies with a more developed methodology and a larger number of subjects