Bericht Oktober 2011

Empirische Studie: Bestimmung der muskulären Beanspruchung mittels Elektromyographie (EMG) –Teil 2 Hauptstudie

Im Rahmen der Hauptstudie wurde die Muskelaktivierung für die in der Vorstudie selektierten Muskeln bei der Ausführung einer Zeigeaufgabe an einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm mittels Oberflächen-Elektromyographie (OEMG) abgeleitet (Kremer 2011).

Stichprobe

An der Hauptstudie nahmen zehn Probanden (5 Männer und 5 Frauen) in einem Alter zwischen 21 und 35 Jahren (M= 26,8) teil, welche aus den Mitarbeitern und studentischen Hilfskräften des Instituts und Lehrstuhl für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen (IAW) rekrutiert wurden. Der BMI der Probanden lag zwischen 17,15 und 28,05 mit einem durchschnittlichen BMI von 21,9. Die untersuchten Probanden waren zwischen 1,60 m und 1,92 m mit einer durchschnittlichen Körpergröße von 1,74 m (M_weiblich =1,65 m, M_männlich= 1,83m). Der durchschnittliche Körpergrößenunterschied von 18 cm zwischen weiblichen und männlichen Probanden muss in der Auswertung unter Umständen berücksichtigt werden, da die Armreichweite mit der Körpergröße zunimmt und der Größenunterschied einen entsprechenden Einfluss auf die Ausführung der Experimentalaufgabe haben kann.

Alle Probanden haben bereits im Vorfeld der Hauptstudie Erfahrung mit dem verwendeten Touchscreen gesammelt. Keiner der Probanden hat gesundheitliche Probleme oder körperliche Erkrankungen, die Einfluss auf die Ergebnisse haben könnten. Der Fitnesszustand der Probanden ist unterschiedlich, jedoch üben acht von zehn Probanden eine Sportart aus, welche die oberer Rücken-, Arm-, und Schultermuskulatur trainiert. Sieben von zehn Probanden haben Erfahrung mit Fitnessgeräten. Die Belastung im Alltag und Beruf wird als gering bis mittel eingestuft.

Apparatur

Die empirische Studie wurde an dem des Forschungsprojektes zu Grunde liegenden Arbeitsplatz – dem DiamondTouch^TM DT107 der Firma CircleTwelve Inc – durchgeführt (siehe Blogbeitrag März: „Exemplarisches Anwendungsbeispiel großflächiger berührungssensitiver Bildschirm“)

Zur Bestimmung der MVC-Werte wurde die Trainingsbank „Vario“ von Kettler durch entsprechende Befestigungen stabilisiert und um Seile und Griffe erweitert (siehe Abbildung 1)

Abbildung 1: Apparatur zur MVC-Bestimmung auf Basis der Trainingsbank „Vario“ von Kettler (Kremer 2011)

Die Erfassung des Signals findet zunächst durch Oberflächenelektroden statt. Als Elektrode wurde die Blue Sensor N Elektrode von Ambu® eingesetzt. Die Größe der Elektroden beträgt 44,3 x 22 x 1,6 mm (Länge (L) x Breite (B) x Höhe (H), der Klebefläche 556 mm², der Sensorfläche 5 mm² und der Gel- bzw. Messfläche 95 mm². Zwei Sensoren wurden in einem Abstand von 22 mm angebracht.

Die Übertragung der Signale wurde kabellos über Funk durchgeführt. Zur Übertragung der Funksignale an den Computer wurde ein TeleMyo DTS Gürtelreceiver von Noraxon® eingesetzt welcher über eine USB-Schnittstelle an den Computer angeschlossen wurde.

Um die so aufgenommenen Messsignale den von den Probanden ausgeführten Bewegungen zuordnen, kam die hochauflösende Webcam LifeCam Studio von Microsoft® zum Einsatz. Die aufgenommenen Bilder können so mit den Signalen der EMG-Messungen synchronisiert werden.

Für die Verarbeitung der EMG-Signale wurde die Software „MyoResearch XP – Clinical Applications“ Version 1.08.06 von Velamed® eingesetzt. Die Software ermöglicht die Echtzeitverarbeitung und eine nachträgliche Analyse der gemessenen Daten.

Experimentalaufgabe

Die Probanden mussten sowohl in der Vorstudie sowie auch in der Hauptstudie eine Zeigeaufgabe (siehe auch Blogbeitrag August: „Empirische Studie: Altersdifferenzierte Analyse von dynamischen Bewegungen“) durchführen. Ausgehend von einem Startkreis (Durchmesser 3,1 cm) in der Mitte des Bildschirms mussten verschiedene Zielkreise (Durchmesser 6,2cm) von den Probanden „gepointet werden“ (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Grafische Darstellung der Experimentalaufgabe (Kremer 2011)

Die Zielkreise 1 bis 7 befinden sich auf dem äußeren Rand des Touchscreens, wobei die Zielkreise 1, 3, 5 und 7 die Eckkreise und 2, 4 und 6 die jeweiligen Zwischenräume zwischen den Eckkreisen des Messbereiches repräsentieren. Die Zielkreise 8 bis 14 wurden jeweils auf der Hälfte der Strecke vom Startkreis bis zu den Randkreisen platziert, um die Datenlücke zwischen Startkreis und den Randkreisen zu verkleinern.

Versuchsdesign

Zur Beginn der Untersuchung wurde dem Probanden zunächst der Versuchsablauf erläutert. Anschließend wurde ein Fragebogen zur Fitnessdiagnostik in Anlehnung an Tourpouzidis (2011) eingesetzt. Dieser diente zur Ursachenanalyse von stark abweichenden Untersuchungswerten.

Im Anschluss wurden die Elektroden angebracht. Dazu wurde zunächst der zu untersuchende Muskel durch fest definierte Bewegungen des Probanden lokalisiert. Wurde der Muskel und die Position für die Elektroden durch den Versuchsleiter ertastet, wurden existierende Haare entfernt, die Hautstelle mit 70 %igem Isopropanol gereinigt und die Elektroden angebracht. In einem nächsten Schritt wurden die Sensoren angebracht und die Funktionalität dieser überprüft.

Ist die Funktion aller Elektroden, Sensoren und Muskeln sichergestellt, wurde die MVC-Normalisierung durchgeführt. Nach der Ermittlung der Referenzwerte erhielt der Proband Instruktionen zur Experimentalaufgabe und führte diese durch.

Versuchsauswertung

Zur weiteren Analyse und Auswertung der aufgenommenen Messergebnisse wurde das Roh-EMG-Signal gleichgerichtet, geglättet und der probandenspezifische prozentuale Anteil der ermittelten MVC-Referenzwerte (%MVC) ermittelt. Durch diese Umwandlung ist nun erkennbar, mit wie viel Prozent der maximalen Muskelaktivierung der jeweilige Muskeln zu den gemessenen Zeitpunkten aktiviert wurde.

Darüberhinaus wurden durch synchronisierte Videoaufnahmen die jeweiligen EMG-Signale den Bewegungen der Probanden zugeordnet und die Teilaufgabe so in zwei Intervalle unterteilt. Das erste Intervall wurde definiert zwischen dem „pointen“ des Startkreises und Zielkreises. Das zweite zwischen Ziel- und Startkreis.

Um die Ergebnisse kumuliert visualisieren zu können, wurden des Weiteren für beide Geschlechter zu jedem Muskel und Intervall die Mittelwerte gebildet. Zur Visualisierung wurden die Daten durch ein Oberflächendiagramm abgebildet. Dazu wurden die Werte zwischen den gemessenen Punkten anhand bekannter Werte der umliegenden Zielkreise berechnet.

Ergebnisse

Im Folgenden werden einige wesentliche Erkenntnisse der Studie beschrieben.

Für alle untersuchten Muskeln und Pointingaufgaben konnte deskriptiv ein Unterschied zwischen den männlichen und weiblichen Probanden hinsichtlich der ermittelten  %-MVC aufgezeigt werden. Auch wenn dieser Unterschied nicht immer signifikant ist, zeigte sich, dass die %-MVC Wert der weiblichen Probanden höher sind als die der männlichen. Bei der Analyse der verschiedenen Pointingaufgaben konnte kein signifikanter Einfluss der Wiederholung auf die Muskelaktivierung ermittelt werden.

Für die ergonomische Beurteilung anhand der muskulären Beanspruchung haben sich die UEx und UFlex Muskeln als nicht maßgeblich erwiesen. Bei den UFlex wurde der geringe Informationsgehalt in Kauf genommen, um eine genaue Zuordnung der Muskelaktivitäten zu den einzelnen Bewegungsintervallen zu ermöglichen. Anhand der OEMG-Ableitung der UEx –Muskeln kann festgestellt werden, dass diese Muskeln ständig aktiviert sind und die Haltearbeit für die Hand einer statischen Beanspruchung ähnlich ist. Demnach verursachen diese eine statische Beanspruchung von durchschnittlich 8,45 %-MVC bei Frauen und 4,31 %-MVC bei Männern.

Erwartungsgemäß ist eine Orientierung der steigenden Muskelbeanspruchung zur linken und rechten oberen Ecke, wo auch das Maximum zu finden ist, zu beobachten. Der Bereich mit der höchsten Belastung liegt bei den weiblichen sowie männlichen Probanden oben links bei der Bewegung zu Zielkreis 5 (siehe Abbildung 2). Bei den weiblichen Probanden wurde dort ein Durchschnittswert von 17,28 %-MVC und bei den männlichen von 9,68 %-MVC gemessen.

Die mit Abstand eindeutigsten Ergebnisse sind beim DeltaV erkennbar. Zum einen ist der Geschlechterunterschied innerhalb der Probanden signifikant. Zum anderen wurden bei allen Probanden die höchsten %-MVC Werte gemessen. Auch die Abgrenzung der einzelnen Belastungsbereiche ist klar erkennbar sowie die Streuung bei beiden Probandengruppen gering. Da der DeltaV bei Vorwärtsbewegungen aktiviert wird, den gestreckten Arm stabilisiert und oben hält, ist bei dieser auch eine signifikant deutlich größere Aktivierung gemessen worden, als bei der Rückbewegung.

Um die Interpretation der weiteren Ergebnisse zu visualisieren, wurde in Abbildung 3 der Informationsgehalt aller Resultate in einer Abbildung zusammengefasst. Das heißt, dass die Werte der Vor- und Rückbewegung, der männlichen und weiblichen Probanden, sowie aller Muskeln gemittelt und visualisiert wurden.

Diese Abbildung ist aus wissenschaftlicher Sicht nicht korrekt, da viele Daten gemittelt und zusammengefasst werden, deren differenzierte Betrachtung unerlässlich ist. Dazu gehört auch, dass die Ergebnisse mehrerer Muskeln nicht gemittelt werden sollten, um den Informationsgehalt nicht zu verfälschen. Da die Abbildung jedoch das gesamte Ergebnis der Untersuchung sehr gut wiedergibt und im Rahmen dieses Beitrags nicht alle Ergebnisse detailiert beschrieben werden können wurde diese dennoch zur besseren Veranschaulichung verwendet.

Abbildung 3: Gemitteltes Ergebnis über alle Muskeln, Probanden und Richtungen (Kremer 2011)

Die für den Benutzer des großflächigen Touchscreens günstigste Position ist bei Zielkreis 8. Dies wird durch die Ergebnisse des Brachio, DeltaV, TrapDesc und des Infra bestätigt. Dieses Ergebnis kann durch die Anatomie des Menschen beschrieben werden. In der Grundstellung hängen die Arme neben dem Körper herunter. Wenn der Benutzer vor dem Touchscreen sitzt und den Zielkreis 8 erreichen, muss er lediglich den Unterarm flektieren und pronieren. Weitere Streckungen, Beugungen oder Rotationen sind nicht erforderlich. Jeder Zielkreis, der von dem Zielkreis 8 auf dem Touchscreen weiter entfernt liegt, erfordert eine höhere Aktivierung der beteiligten Muskeln. Bereiche mit steigender Beanspruchung bewegen sich konzentrisch von diesem Zielkreis weg. Bewegungen über die Sagittalebene hinaus steigern ebenfalls die Beanspruchung bei Rechtshändern. Weiterhin liegen die Kreise 1, 9 und der Startkreis ebenfalls in einem Bereich, der für den Benutzer leicht und ohne große Beanspruchung erreicht werden kann.

Im Gegensatz zu dem eben genannten Bereich liegt Zielkreis 5 am weitesten entfernt von Zielkreis 8. Daher stellt er für den Benutzer den ungünstigsten Bereich dar. Dieses Ergebnis wird eindeutig von den Ergebnissen der Muskeln Infra, TrapDesc und DeltaV bestätigt. Unabhängig von der Körpergröße muss hier der Benutzer die weiteste Strecke zum Erreichen des Zielpunktes zurücklegen. Es werden viele Muskeln aktiviert, da der Oberkörper ebenfalls eine Bewegung zum Zielkreis hin ausführt und der Arm völlig gestreckt wird. Die Folge ist eine starke Aktivierung der Schultermuskulatur, die den Arm oben hält. Auch die weiteren Zielkreise im Randbereich des Touchscreens, insbesondere die Zielkreise 3, 4 und 6 weisen ähnliche ungünstige Ergebnisse für den Benutzer auf.

Der Bereich zwischen dem benannten Randbereich und dem körpernahen günstigen Bereich bildet den Übergang zwischen den ergonomisch günstigen und ungünstigen Bereichen.

Aufnahme der muskulären Beanspruchung mit dem AnyBody Menschmodell

Durch die Ergebnisse der Studie konnte bestätigt werden, dass der Benutzer bei der Arbeit an einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm, insbesondere in körperfernen Bereichen (hier Zielkreis 5 und 3) stark muskulär beansprucht wird. Bei der Analyse mittels des AnyBody Menschmodells können über die hier beschriebenen Ergebnisse auch detaillierte Werte für innen liegende Muskeln abgeleitet werden. Die Analyse mit dem Menschmodell soll insbesondere für den Zielkreis 5 vorgenommen werden und mit denen durch EMG abgeleiteten Werten validiert werden.

Literatur

[Kremer. 2011] Kremer (2011). Unveröffentlichte Diplomarbeit an der RWTH Aachen.

[Tourpouzidis 2011] Tourpouzidis, A. (2011): Anmeldung und Fragebogen zur Fitnessdiagnostik. http://www.fitnessdiagnostik.de/resources/Anmeldung+und+Fragebogen+zur+Fitnessdiagnostik.doc – Abruf am 2011-07-07.