Ziele und Grundsätze
Die Biomechanik ist eine Disziplin, die sich dem Studium des Körpers so nähert, als wäre er ein rein mechanisches System: Alle Teile des Körpers werden mit mechanischen Strukturen verglichen und als solche untersucht. Folgende Analogien lassen sich beispielsweise ziehen:
- Knochen: Hebel, Bauteile
- Fleisch: Volumen und Massen
- Gelenke: Lagerflächen und Gelenke
- Gelenkbeläge: Schmiermittel
- Muskeln: Motoren, Federn
- Nerven: Feedback-Kontrollmechanismen
- Organe: Netzteile
- Sehnen: Seile
- Gewebe: Federn
- Körperhöhlen: Luftballons.
Das Hauptziel der Biomechanik ist es, die Art und Weise zu untersuchen, wie der Körper Kraft erzeugt und Bewegung erzeugt. Die Disziplin stützt sich hauptsächlich auf Anatomie, Mathematik und Physik; verwandte Disziplinen sind Anthropometrie (Lehre der menschlichen Körpermaße), Arbeitsphysiologie und Kinesiologie (Lehre der Grundlagen der Mechanik und Anatomie in Bezug auf die menschliche Bewegung).
Bei der Berücksichtigung der Arbeitsgesundheit des Arbeitnehmers hilft die Biomechanik zu verstehen, warum einige Aufgaben zu Verletzungen und Erkrankungen führen. Einige relevante Arten von gesundheitsschädlichen Auswirkungen sind Muskelverspannungen, Gelenkprobleme, Rückenprobleme und Müdigkeit.
Rückenzerrungen und Verstauchungen sowie schwerwiegendere Bandscheibenprobleme sind häufige Beispiele für vermeidbare Arbeitsunfälle. Diese treten häufig aufgrund einer plötzlichen besonderen Überlastung auf, können aber auch die Ausübung übermäßiger Kräfte des Körpers über viele Jahre widerspiegeln: Probleme können plötzlich auftreten oder sich erst nach einiger Zeit entwickeln. Ein Beispiel für ein Problem, das sich im Laufe der Zeit entwickelt, ist der „Finger der Näherin“. Eine neuere Beschreibung beschreibt die Hände einer Frau, die nach 28 Jahren Arbeit in einer Bekleidungsfabrik sowie Nähen in ihrer Freizeit eine verhärtete, verdickte Haut und eine Unfähigkeit, ihre Finger zu beugen, entwickelte (Poole 1993). (Insbesondere litt sie an einer Flexionsdeformität des rechten Zeigefingers, hervorstehenden Heberden-Knoten an Zeigefinger und Daumen der rechten Hand und einer hervorstehenden Schwiele am rechten Mittelfinger aufgrund der ständigen Reibung durch die Schere.) Röntgenbild Filme ihrer Hände zeigten schwere degenerative Veränderungen in den äußersten Gelenken ihres rechten Zeige- und Mittelfingers mit Gelenkspaltverlust, Gelenksklerose (Gewebeverhärtung), Osteophyten (Knochenwucherungen am Gelenk) und Knochenzysten.
Die Kontrolle am Arbeitsplatz ergab, dass diese Probleme auf eine wiederholte Überstreckung (Aufwärtsbeugung) des äußersten Fingergelenks zurückzuführen waren. Mechanische Überlastung und Einschränkung des Blutflusses (sichtbar als Weißfärbung des Fingers) wären an diesen Gelenken maximal. Diese Probleme entwickelten sich als Reaktion auf wiederholte Muskelanstrengung an einer anderen Stelle als dem Muskel.
Die Biomechanik hilft, Wege zur Gestaltung von Aufgaben vorzuschlagen, um diese Art von Verletzungen zu vermeiden oder schlecht gestaltete Aufgaben zu verbessern. Abhilfen für diese speziellen Probleme bestehen darin, die Schere neu zu gestalten und die Nähaufgaben zu ändern, um die Notwendigkeit für die durchgeführten Aktionen zu beseitigen.
Zwei wichtige Prinzipien der Biomechanik sind:
- Muskeln treten paarweise auf. Muskeln können sich nur zusammenziehen, also muss es für jedes Gelenk einen Muskel (oder eine Muskelgruppe) geben, um es in eine Richtung zu bewegen, und einen entsprechenden Muskel (oder eine Muskelgruppe), um es in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Abbildung 1 zeigt den Punkt für das Ellbogengelenk.
- Muskeln kontrahieren am effizientesten, wenn sich das Muskelpaar in entspannter Balance befindet. Der Muskel wirkt am effizientesten, wenn er sich in der Mitte des Gelenks befindet, das er beugt. Dies aus zwei Gründen: Erstens, wenn der Muskel versucht, sich zusammenzuziehen, während er verkürzt ist, zieht er gegen den verlängerten Gegenmuskel. Da letzterer gedehnt wird, übt er eine elastische Gegenkraft aus, die der kontrahierende Muskel überwinden muss. Abbildung 2 zeigt, wie sich die Muskelkraft mit der Muskellänge ändert.
Abbildung 1. Skelettmuskeln treten paarweise auf, um eine Bewegung einzuleiten oder umzukehren
Abbildung 2. Die Muskelspannung variiert mit der Muskellänge
Zweitens, wenn der Muskel versucht, sich in einem anderen als dem mittleren Bereich der Bewegung des Gelenks zusammenzuziehen, wird er mit einem mechanischen Nachteil arbeiten. Abbildung 3 veranschaulicht die Änderung des mechanischen Vorteils für den Ellbogen in drei verschiedenen Positionen.
Abbildung 3. Optimale Positionen für die Gelenkbewegung
Aus diesen Grundsätzen folgt ein wichtiges Kriterium für die Arbeitsgestaltung: Die Arbeit sollte so gestaltet werden, dass sie mit den gegenüberliegenden Muskeln jedes Gelenks in entspanntem Gleichgewicht erfolgt. Für die meisten Gelenke bedeutet dies, dass sich das Gelenk etwa im mittleren Bewegungsbereich befinden sollte.
Diese Regel bedeutet auch, dass die Muskelspannung während der Ausführung einer Aufgabe auf ein Minimum reduziert wird. Ein Beispiel für die Verletzung der Regel ist das Überbeanspruchungssyndrom (RSI, Repetitive Strain Injury), das die Muskeln des oberen Teils des Unterarms bei Tastaturbedienern betrifft, die gewöhnlich mit nach oben gebeugtem Handgelenk arbeiten. Oft wird diese Gewohnheit dem Bediener durch das Design der Tastatur und der Arbeitsstation aufgezwungen.
Anwendungen
Im Folgenden sind einige Beispiele aufgeführt, die die Anwendung der Biomechanik veranschaulichen.
Der optimale Durchmesser von Werkzeuggriffen
Der Durchmesser eines Griffs beeinflusst die Kraft, die die Handmuskeln auf ein Werkzeug ausüben können. Untersuchungen haben gezeigt, dass der optimale Griffdurchmesser von der Verwendung des Werkzeugs abhängt. Um einen Schub entlang der Grifflinie auszuüben, ist der beste Durchmesser einer, der es den Fingern und dem Daumen ermöglicht, einen leicht überlappenden Griff anzunehmen. Das sind etwa 40 mm. Um ein Drehmoment auszuüben, ist ein Durchmesser von etwa 50–65 mm optimal. (Leider sind die meisten Handles für beide Zwecke kleiner als diese Werte.)
Die Verwendung einer Zange
Als Spezialfall eines Griffs hängt die Kraftausübung mit einer Zange von der Grifftrennung ab, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Von männlichen und weiblichen Benutzern ausgeübte Greifkraft der Zangenbacken als Funktion der Grifftrennung
Sitzhaltung
Die Elektromyographie ist eine Technik, mit der die Muskelspannung gemessen werden kann. In einer Studie über die Spannung in der Erektor Spinae Muskeln (des Rückens) von sitzenden Probanden wurde festgestellt, dass das Zurücklehnen (mit geneigter Rückenlehne) die Spannung in diesen Muskeln verringerte. Der Effekt lässt sich dadurch erklären, dass die Rückenlehne mehr Gewicht des Oberkörpers aufnimmt.
Röntgenuntersuchungen von Probanden in verschiedenen Haltungen zeigten, dass die Position des entspannten Gleichgewichts der Muskeln, die das Hüftgelenk öffnen und schließen, einem Hüftwinkel von etwa 135º entspricht. Dies kommt der Position (128º) nahe, die dieses Gelenk in der Schwerelosigkeit (im Weltraum) einnimmt. In der sitzenden Haltung, mit einem Winkel von 90º an der Hüfte, neigen die Kniesehnenmuskeln, die sowohl über das Knie- als auch über das Hüftgelenk verlaufen, dazu, das Kreuzbein (den Teil der Wirbelsäule, der mit dem Becken verbunden ist) in eine vertikale Position zu ziehen. Der Effekt besteht darin, die natürliche Lordose (Krümmung) der Lendenwirbelsäule zu beseitigen; Stühle sollten entsprechende Rückenlehnen haben, um diese Anstrengung auszugleichen.
Schrauben
Warum werden Schrauben im Uhrzeigersinn eingesetzt? Die Praxis entstand wahrscheinlich aus der unbewussten Erkenntnis, dass die Muskeln, die den rechten Arm im Uhrzeigersinn drehen (die meisten Menschen sind Rechtshänder), größer (und daher stärker) sind als die Muskeln, die ihn gegen den Uhrzeigersinn drehen.
Beachten Sie, dass Linkshänder beim Schrauben per Hand benachteiligt sind. Etwa 9 % der Bevölkerung sind Linkshänder und benötigen daher in manchen Situationen spezielle Werkzeuge: Scheren und Dosenöffner sind zwei solche Beispiele.
Eine Studie über Menschen, die Schraubendreher bei einer Montagearbeit verwendeten, zeigte eine subtilere Beziehung zwischen einer bestimmten Bewegung und einem bestimmten Gesundheitsproblem. Es wurde festgestellt, dass je größer der Ellbogenwinkel (je gerader der Arm) war, desto mehr Menschen hatten eine Entzündung am Ellbogen. Der Grund für diesen Effekt ist, dass der Muskel, der den Unterarm dreht (Bizeps), auch den Radiusköpfchen (Unterarmknochen) auf das Capitulum (runder Kopf) des Humerus (Oberarmknochen) zieht. Die erhöhte Kraft beim höheren Ellbogenwinkel verursachte eine größere Reibungskraft am Ellbogen mit einer daraus resultierenden Erwärmung des Gelenks, was zu der Entzündung führte. Bei dem höheren Winkel musste der Muskel auch mit größerer Kraft ziehen, um die Schraubbewegung zu bewirken, sodass eine größere Kraft aufgebracht wurde, als es bei einem Ellbogen bei etwa 90° erforderlich gewesen wäre. Die Lösung bestand darin, die Aufgabe näher an die Bediener zu verlagern, um den Ellbogenwinkel auf etwa 90º zu reduzieren.
Die oben genannten Fälle zeigen, dass für die Anwendung der Biomechanik am Arbeitsplatz ein angemessenes Verständnis der Anatomie erforderlich ist. Designer von Aufgaben müssen möglicherweise Experten für funktionelle Anatomie konsultieren, um die besprochenen Problemtypen zu antizipieren. (Der Pocket-Ergonom (Brown und Mitchell 1986), basierend auf elektromyografischer Forschung, schlägt viele Möglichkeiten vor, körperliche Beschwerden bei der Arbeit zu reduzieren.)
Manuelle Materialhandhabung
Die manuelle Handhabung umfasst das Heben, Senken, Schieben, Ziehen, Tragen, Bewegen, Halten und Fesseln und umfasst einen großen Teil der Tätigkeiten des Arbeitslebens.
Die Biomechanik hat offensichtlich eine direkte Relevanz für manuelle Handhabungsarbeiten, da sich Muskeln bewegen müssen, um Aufgaben auszuführen. Die Frage ist: Wie viel körperliche Arbeit ist den Menschen zumutbar? Die Antwort hängt von den Umständen ab; Es gibt wirklich drei Fragen, die gestellt werden müssen. Jeder hat eine Antwort, die auf wissenschaftlich recherchierten Kriterien basiert:
- Wie viel kann ohne Schädigung des Körpers (in Form von z. B. Muskelverspannungen, Bandscheibenschäden oder Gelenkbeschwerden) bewältigt werden? Dies nennt man die biomechanisches Kriterium.
- Wie viel kann bewältigt werden, ohne die Lungen zu überanstrengen (schweres Atmen bis zum Hecheln)? Dies nennt man die physiologisches Kriterium.
- Wie viel fühlen sich die Menschen in der Lage, bequem damit umzugehen? Dies nennt man die psychophysisches Kriterium.
Diese drei unterschiedlichen Kriterien sind notwendig, weil es drei sehr unterschiedliche Reaktionen gibt, die auf Hebeaufgaben auftreten können: Wenn die Arbeit den ganzen Tag dauert, geht es darum, wie die Person arbeitet fühlt sich über die Aufgabe – das psychophysische Kriterium; wenn die aufzuwendende Kraft groß ist, wäre die Sorge, dass Muskeln und Gelenke sind nicht überladen bis zur Schädigung – das biomechanische Kriterium; und wenn die Arbeitsgeschwindigkeit zu groß ist, dann kann es durchaus das physiologische Kriterium oder die aerobe Kapazität der Person überschreiten.
Viele Faktoren bestimmen das Ausmaß der Belastung des Körpers durch eine manuelle Handhabungsaufgabe. Alle schlagen Möglichkeiten der Kontrolle vor.
Haltung und Bewegungen
Wenn die Aufgabe erfordert, dass sich eine Person mit einer Last dreht oder nach vorne greift, ist das Verletzungsrisiko größer. Die Arbeitsstation kann oft umgestaltet werden, um diese Aktionen zu verhindern. Wenn das Heben auf Bodenhöhe beginnt, treten mehr Rückenverletzungen auf als auf der Mitte des Oberschenkels, und dies legt einfache Kontrollmaßnahmen nahe. (Dies gilt auch für das Hochheben.)
Die Ladung.
Die Ladung selbst kann durch ihr Gewicht und ihren Standort das Fahrverhalten beeinflussen. Andere Faktoren wie seine Form, seine Stabilität, seine Größe und seine Gleitfähigkeit können alle die Leichtigkeit einer Handhabungsaufgabe beeinflussen.
Organisation und Umfeld.
Auch die Arbeitsorganisation, sowohl räumlich als auch zeitlich (zeitlich), beeinflusst die Handhabung. Es ist besser, die Last des Entladens eines Lastwagens in einer Lieferbucht für eine Stunde auf mehrere Personen zu verteilen, als einen Arbeiter zu bitten, den ganzen Tag mit dieser Aufgabe zu verbringen. Die Umgebung beeinflusst die Handhabung – schlechtes Licht, unordentliche oder unebene Böden und schlechte Haushaltsführung können alle dazu führen, dass eine Person stolpert.
Persönliche Faktoren.
Persönliche Handhabungsfähigkeiten, das Alter der Person und die getragene Kleidung können ebenfalls die Handhabungsanforderungen beeinflussen. Eine Schulung für Training und Heben ist erforderlich, um sowohl die notwendigen Informationen bereitzustellen als auch Zeit für die Entwicklung der körperlichen Fähigkeiten zur Handhabung zu geben. Jüngere Menschen sind stärker gefährdet; Andererseits haben ältere Menschen weniger Kraft und weniger physiologische Kapazität. Enge Kleidung kann die für eine Aufgabe erforderliche Muskelkraft erhöhen, da sich Menschen gegen das enge Tuch anstrengen. Klassische Beispiele sind die Kitteluniform der Krankenschwester und enge Overalls, wenn Menschen über ihren Köpfen arbeiten.
Empfohlene Gewichtsgrenzen
Die oben genannten Punkte zeigen, dass es unmöglich ist, ein Gewicht anzugeben, das unter allen Umständen „sicher“ ist. (Gewichtsgrenzen sind von Land zu Land tendenziell willkürlich unterschiedlich. So durften indische Hafenarbeiter einst 110 kg heben, während ihre Kollegen in der ehemaligen Volksrepublik Deutschland auf 32 kg “beschränkt” waren .) Gewichtsgrenzen sind auch tendenziell zu hoch. Die in vielen Ländern vorgeschlagenen 55 kg werden aufgrund neuerer wissenschaftlicher Erkenntnisse heute als viel zu hoch angesehen. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) in den Vereinigten Staaten hat 23 1991 kg als Belastungsgrenze festgelegt (Waters et al. 1993).
Jede Hebeaufgabe muss für sich betrachtet werden. Ein nützlicher Ansatz zur Bestimmung einer Gewichtsgrenze für eine Hebeaufgabe ist die von NIOSH entwickelte Gleichung:
RWL = LC x HM x VM x DM x AM x CM x FM
Wo
RWL = empfohlene Gewichtsgrenze für die betreffende Aufgabe
HM = der horizontale Abstand vom Schwerpunkt der Last zum Mittelpunkt zwischen den Knöcheln (mindestens 15 cm, höchstens 80 cm)
VM = der vertikale Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Last und dem Boden am Beginn des Hebevorgangs (maximal 175 cm)
DM = der vertikale Weg des Lifts (mindestens 25 cm, maximal 200 cm)
AM = Asymmetriefaktor – der Winkel, von dem die Aufgabe direkt vor dem Körper abweicht
CM = Kopplungsmultiplikator – die Fähigkeit, das zu hebende Objekt gut zu greifen, was in einer Referenztabelle zu finden ist
FM = Frequenzmultiplikatoren – die Frequenz des Hebens.
Alle Längenvariablen in der Gleichung werden in Zentimetern ausgedrückt. Es sollte beachtet werden, dass 23 kg das maximale Gewicht ist, das NIOSH zum Heben empfiehlt. Dies wurde von 40 kg reduziert, nachdem die Beobachtung vieler Menschen, die viele Hebeaufgaben verrichteten, gezeigt hatte, dass der durchschnittliche Abstand vom Körper zu Beginn des Hebens 25 cm beträgt, nicht die 15 cm, die in einer früheren Version der Gleichung angenommen wurden (NIOSH 1981 ).
Lifting-Index.
Durch den Vergleich des zu hebenden Gewichts in der Aufgabe und der RWL wird ein Hebeindex (LI) kann gemäß der Beziehung erhalten werden:
LI=(zu handhabendes Gewicht)/RWL.
Daher ist eine besonders wertvolle Verwendung der NIOSH-Gleichung die Anordnung von Hebeaufgaben nach Schweregrad, wobei der Hebeindex verwendet wird, um Prioritäten für Maßnahmen festzulegen. (Die Gleichung weist jedoch eine Reihe von Einschränkungen auf, die für eine möglichst effektive Anwendung verstanden werden müssen. Siehe Waters et al. 1993).
Schätzen der durch die Aufgabe auferlegten Kompression der Wirbelsäule
Es ist Computersoftware verfügbar, um die Wirbelsäulenkompression abzuschätzen, die durch eine manuelle Handhabungsaufgabe erzeugt wird. Die statischen 2D- und 3D-Festigkeitsvorhersageprogramme der University of Michigan („Backsoft“) schätzen die Wirbelsäulenkompression. Die für das Programm erforderlichen Eingaben sind:
- die Körperhaltung, in der die Handhabungstätigkeit ausgeführt wird
- die ausgeübte Kraft
- die Richtung der Kraftausübung
- die Anzahl der Hände, die die Kraft ausüben
- das Perzentil der untersuchten Bevölkerung.
Die 2D- und 3D-Programme unterscheiden sich darin, dass die 3D-Software Berechnungen ermöglicht, die sich auf Körperhaltungen in drei Dimensionen beziehen. Die Programmausgabe gibt Wirbelsäulenkompressionsdaten und listet den Prozentsatz der ausgewählten Population auf, der in der Lage wäre, die bestimmte Aufgabe auszuführen, ohne die empfohlenen Grenzen für sechs Gelenke zu überschreiten: Knöchel, Knie, Hüfte, erste Lendenwirbelsäule, Schulter und Ellbogen. Diese Methode hat auch eine Reihe von Einschränkungen, die vollständig verstanden werden müssen, um den maximalen Nutzen aus dem Programm zu ziehen.