Int . Arch. Arbeitsmed. 30, 313--328 (1972) �9 by Springer-Verlag 1972

[Jbertragung yon horizontalen Sinusschwingungen auf die oberen Extremit/iten bei Halbpronationsstellung

und Reaktion des M. biceps*

H . I w a t a , H . D u p u i s u n d E. H a r t u n g

Max-Planck-Inst i tu t f~r Landarbei t nnd Landtechnik (Direktor: Prof. Dr. G. Preusehen), Bad Kreuznach

Eingegangen am 8. August 1972 / Angenommen am 22. August 1972

T r a n s m i s s i o n o f H o r i z o n t a l S i n u s V i b r a t i o n s to t h e U p p e r E x t r e m i t i e s

i n t h e S e m i p r o n e P o s i t i o n a n d R e a c t i o n o f M. b i c e p s

Summary. The first section of the experiment was designed to determine the mechanical transmissiott of acceleration to the wrist elbow, and shoulder joint regions. While the hand held a handle with 0, 25, 50 and 75% of its maximum grip- force, the joints were subjected to horizontal sinus-vibrations ranging from 6.3 to 100 I-Iz. In the second section of the experiment, the aim was to tes t how the m. bi- ceps reacted to these vibrations and in particular, to what extent the hand-arm- shoulder system responds to resonance with an active resistance-reaction of the muscle most affected in the use ef vibrat ing tools.

l~oth sets of experiments were carried out with 10 male subjects and in each case the experiment was repeated once. The acceleration transmission was determined with accelerometers a t tached to the skin and only 2 g in weight. Skin-surface electrodes were used to measure the electrical activity.

The results showed tha t the acceleration fed in through the hand decreased in intensi ty from the wrist over the elbow to the shoulder jo int throughout the fre- quency range, tIowever, between 10 and 16 1-Iz, there was an increase in vibrat ion in the hand and elbow due to resonance. I t was established t ha t when the frequency was above l0 Hz and the hand force increased, the a t tenuat ion of vibrat ion was less pronounced due to the hardening in the tissue of the palm of the hand gripping the handle.

The muscle act ivi ty declined as the vibrat ion frequency increased when low hand force was applied to the handle, i.e. the displacement decreased. At 25, 50 and 75~ of the maximal hand-force, i t was possible to identify the strong reactive act ivi ty of the musculus biceps at about 10 ttz, as stabilization for the arm posture, while the second maximum activi ty point at 50 t tz could only be hypothetical ly explained.

Apar t from small deviations the results were in keeping with the ISO draft (unpublished), which has hi therto been based mainly on subjective perception.

Zusammen/assung. Die Untersuchung verfolgte in ihrem ersten Abschni t t das Ziel, unter dem Einflug yon horizontalen Sinnssehwingungen im Frequenzbereich yon 6,3--100 tIz und mit Handgreifkrgften von 0, 25, 50 und 75% der maximalen Handgreifkraf t die mechanische t )ber t ragung der Beschleunigungen auf die Be-

* t Ie r rn Professor Dr. Gerhardt Preuschen, Direktor des Max-Planck-Inst i tutes fiir Landarbei t und Landtechnik, zum 65. Geburts tag in Dankbarkei t gewidmet.

314 H. Iwat~ et al. :

reiche des Hand-, Ellenbogen- und Schultergelenkes zu ermitteln. In einer zweiten Versuehsreihe sollte geprfift werden, welehe physiologischen geaktionen der M. biceps gegenfiber solchen Sehwingungen ausffihrt, und insbesondere, inwieweit das l~esonanzverhalten des Hand-Arm-Schulter-Systems sieh in einer aktiven Abwehr- reaktion eines Nuskels i~uSert, der bei der Ffihrung yon vibrierenden Gergten be- sonders stark beteiligt ist.

Beide Versuchsreihen wurden mit 10 mgnnlichen Versuehspersonen mit je einer Wiederholung durehgeffihrt. W/ihrend die Besehleunigungsfibertragung dutch auf die Haut aufgeklebte, nur 2 g schwere Besehleunigungsaufnehmer ermittel~ wurde, wurden ffir die Messung der elektrischen Aktivitiit Oberfl~ehenelektroden verwendet.

Die Ergebnisse zeigen, da[~ fiber die Hand eingeleitete Besehleunigungen im ge- samten Frequenzbereieh vom Handgelenk fiber den Ellenbogen zum Sehultergelenk zunehmend in ihrer Intensit~t abgebaut werden. Zwisehen 10 und 16 Hz kommt es jedoeh an der Hand nnd am Ellenbogen dureh gesonanz zur maximMen Sehwin- gungsvergr68erung. Im Sehwingungsbereieh fiber 40 Hz ist mit steigender Greif- kraft infolge der Verdiehtung des Gewebes der Handinnenflgehe ein geringer wer- dender Schwingungsabbau festzustellen.

Die Muskelaktivit~ fiillt bei geringem KraftsehluB zwisehen Hand und Griff mit zunehmender Sehwingfrequenz, d. h. bei abnehmendem Schwingweg linear. Bei 25, 50 und 75O/o der maximalen Handkraft konnte die besonders starke reaktive Ak- tivit~t des M. biceps nm 10 Hz zur Stabilisation der Armhaltung naehgewiesen wer- den, wghrend ein zweites Aktivit~tsmaximum bei 50 Hz Schwingungserregung nur hypothetiseh gedeutet werden konnte. Die Ergebnisse zeigen - - abgesehen yon ge- ringen Abweiehungert - - gute i~bereinstimmnng mit einem Bewertungsentwurf der IS0, der bislang vorwiegend auf der St~rke subjektiver Wahrnehmung basierte.

I n der Indus t r i e und Land- und Fors twir tsehaf~ finden verschiedene v ibr ie rende Gera te Verwendung. Diese Maschinen ve rmindern zwar in b e s t i m m t e m MaSe den mensch]ichen Energ ieaufwand bei der Arbei t , setzen den Mensehen abe t den E inwi rkungen yon Sehwingbewegungen aus, die sowohl in a rbe i t s teehniseher als aueh in arbei tsphysiologischer I I ins ich t beach te t werden miissen. Bei l/~ngerer Einwirknngszei~ k6nnen dadu rch E r k r a n k u n g e n auf t re ten (Coermann u. Lange, 1967 ; I w a t a et a l . ,

1972). U m solche Sch/~digungen des a.rbeitenden Mensehen zu vermeiden,

mug man zuers t wissen, wo die zumn tba ren Toleranzgrenzen un te r deft- n ie r ten Bedingungen liegen. Vor e twa 10 J ah ren wurde zum ers tenmal in Deutsch land vom Verein Deutseher Ingenieure , V D I (1963), ein Be- wer tungsvorsehlag s tandard is ie r t , bei dem nur die i iber t ragene K r a f t als MaBstab gewahl t wird. Die Arbe i t sg ruppe ISO/TC 108/WG 7 (1971) be- mi ih t sich z. Z., eine in te rna t iona le ~ b e r e i n k u n f t fiir f requenzabh~ngige Schwingungs to le ranzkurven zu finden. E in vorls Bewer tungs- en twur f bas ier t vor a l lem auf Unte r suchungen yon Miwa (1969) und TeL singer u. Louda (1972). Zur Zei t gr i indet sich die F requenzabhang igke i t der Grenzen fiir Sehwingungsexposi t ion nur auf sub jek t iven Beur te i lun- gen durch Versuehspersonen. Diese Grenzen ste]len K u r v e n gleieher Wahrnehmungsst /~rke ffir Sehwingungen dar .

Hand-Arm-Schwingungen und Muskelreaktion 315

Weiterhin sind Untersuehungen bekannC, bei denen das sehwingungs- meehanisehe Verhalten des Hand-Arm-Systems untersucht worden ist. Kuhn (1953) ermittelte die

Sehwingkraft p Impedanz I = S ehwinggesehwindigkeit v

des Mensehen als Funktion der Frequenz beim Arbeiten mit dem Preg- lufthammer. Dieckmann (1958) untersuchte die Impedanz bci einer Ver- suehsperson mit Sinuserregnng dutch einen Sehwingtiseh. Ein Maximum der Impedanz des IIand-Arm-Systems lag augenseheinlich im Gebiet unter 5 Hz. Ein zweites, sehr ausgepr/~gtes Maximum lag im Gebiet um 30--40 IIz, ein wciteres kleineres um 10--12 Hz. Aminoff et al. (1971) studierten die Schwingungsiibertragung auf Hand und Unterarm bei Arbeit mit dem Preglufthammer. Zusgtzlieh registrierten sie die elek- trisehe Aktivitgt verschiedener Muskelgruppen und verglichen sie unter- einander. Sie fanden, dag die St6ge hauptsi~ehlich in den Gelenken ge- d/~mpft werden. Hettinger u. Seheffler (1958) beobaehteten die Ver/~nde- rungen des Ellenbogengelenkspaltes bei Arbeit mit Druekh~tmmern mit I-Iilfe der R6ntgenkymographie. Die iJbertragbarkeit meehaniseher Sehwingungen auf die Hand bei konstanter Anpregkraft yon 20 kp some die Haut temperatur wurden yon Coermann (1970) im Frequenzbereieh yon 15--80 Hz untersucht.

Die bisher bekannten Arbeiten geben wohl einige wiehtige Hinweise fiber das Sehwingverhalten bei Vibrationsbelastung mit bestimmter Er- regung. Es fehlt jedoeh an ausreichenden systematisehen Untersuchun- gen fiber den Einflug der verschiedenen Schwingungsparameter (Be- schleunigung, Frequenz, Kraftsehlug zwischen Gergt und Hand) auf die Sehwingungsausbreitung auf das Hand-Arm-Schulter-System und die physiologisehen Reaktionen.

I. Aufgabe

Das Zie] dicser Untersuchung war, unter dem EinfluB yon Sinus- schwingungen im Frequenzbereich yon 6,3--100 Hz und mit Handgreif- kr~ften yon 0, 25, 50 und 75% der maximalen Handkraft die mecha- nische l~'bertragung der Beschleunigungen auf die Bereiche des Hand-, Ellenbogen- und Schultergelenkes zu ermitteln.

Darfiber hinaus sollte durch Messung der elektrischen Aktivit~t des M. biceps die physiologische Reaktion auf solehe Schwingungen in Ab- h/~ngigkeit yon Schwingfrequenz und Greifkraft untersucht werden.

Damit sollte geprtift werden, inwieweit das Resonanzverhalten des Hand-Arm-Schulter-Systems sich auch in einer aktiven Abwehrreaktion eines Muskels s der bei der Fiihrung yon vibrierenden Gcr~ten be- sonders stark beteiligt ist.

316 H. Iwata et aI. :

I I . Methode

1. Versuchspersonen

10 M~nner (AngehSrige des Institutes) mit Alter, GrSl~e und Gewicht nach Ta- belle I stellten sich als Versuchspersonen zur Verffigung. Alle Personen waren Rechts- h~nder. Sie hatten keine Beschwerden im Bereich des Skeletes und der Muskulatur and nahmen sowohl an der Versuchsreihe zur Bestimmung der mechanischen Schwingungsfibertragung als auch an der elektromyographischen Versuchsreihe tell.

2. GewShlte Schwingungsbelastungen

Zur Sehwingungse~Tegung wurde ein elektrohydraulischer Schwingungssimula- tor Hydropuls der Firma Carl Schenk verwendet (Dupuis u. Broicher, 1966). Ein Sinusgenerator lieferte das Eingangssignal zur Steuerung eines horizontal angeord- neten hydraulischen Zylinders. Es wurden Frequenzen von 6,3--100 ttz, entspre- chend der Normzahlenreihe R 10 DIN 323, gew~ihlt. Die Beschleunigungsamplitude blieb in allen Einzelversuehen mit 20,0 m/s 2 Spitzenwert konstant. Der gew~hlte Frequenzbereich und die Besehleunigungsintensit~t entspraehen somit Werten, die yon Pantzke (1970) bei Prel31ufth~mmern festgestellt wurden (Grundfrequenzen zwischen 11 und 30 Hz, Besehleunigungsamplituden yon 3--46 m/se).

Tabelle 1. Alter, Gewicht und GrSl3e der Versuchspersonen 2 ~ Mittetwert, s = Standardabweichung

Alter Gewieht GrSi~e (Jahre) (kp) (m)

2 31,4 76,8 1,74

s 10,7 15,1 0,07

Abb. 1. Anordnung des MeBgriffes mit Beschleunigungsaufnehmer am Zylinder des elektrohydraulischen Simulators

Hand-Arm-Schwingungen und Muskelreaktion 317

Abb. 2. Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer am gandgelenk, Ellenbogen und Schultergelenk

3. Handgrei/krii/te

In dem Handgriff, der an der Kolbenstange des Hydraulikzylinders montier t war (Abb. 1), wurde ein induktiver Wegaufnehmer eingebaut, der bei Verformung der Greifschale bei ver~nderter Greifkraft eine ver~nderte Indukt iv i t~ t bewirkt. Der verstS.rkte ~eBwer t konnte auf einem Kathodenstrahloszil lographen sichtbar ge- maeht werden. Jede Versuehsperson ha t te zun~chst ihre maximale Handgreifkraf t bei t ta lbpronat ionsstel lung und einem Ellenbogenbeugewinkel yon ~ 90 ~ auszu- fiben. Im Einzelversuch ha t te die Versuchsperson dann jeweils 0, 25, 50 oder 75% dieser MaximMkraft aufzubringen und am 0szillographen zu kon~rollieren.

4. Mel3au/bau

a) Beschleunigungsmessungen. Besehleunigungen wurden an 4 Ste]len gemessen: am Handgriff, dorsal auf der Hau~ fiber dem Handgelenk, auf der Hau t fiber dem Olecranon in unmit te lbarer N~he des Ellenbogengelenkes und dorsal auf der Hau t fiber dem Schultergelenk (Abb. 1 u. 2). Als Beschleunigungsaufnehmer dienten ein induktiver Aufnehmer am gandgr i f f und drei Aufnehmer nach DMS-Prinzip yon nur je 2 g Gewicht. Zur P~ichtungsstabilisierung wurden die sehr kleinen Aufimhmer auf Plexiglasplatten mont ier t und diese mit Doppelklebefolie und Heftpflaster auf der Hau t aufgekleb~. Ohne chirurgischen Eingriff war diese ~[ethode das einzige prakt ikable Verfahren zur Befestigung der Beschleunigungsaufnehmer.

Nach Verst~rkung der Me6werte wurden diese yon einem vierkanaligen Direkt- schreiber registriert. Eine Versuehsreihe mi t best immter Handkraf t erfolgte jeweils einmal von 6,3 Hz steigend bis zu 100 I tz und daran anschlieBend nach 10 rain Pause Ms Wiederholung fallend von i00 t tz nach 6,3 Hz.

b) Elektromyographische Messungen. Das EMG konnte mi t Oberfl~ehenelektroden auf der Hau t fiber dem M. biceps abgenommen werden. Hierzu wurden im Ins t i tu t angefertigte Silberelektroden mit 10 mm Durehmesser in Kunststoffgeh~use ver- wendet. Zun~chst mu6te die Hautpar t ie oberfl~chlich mi t Hilfe yon Ather grfind-

318 H. Iwata et al. :

Abb. 3. Anordnung der bipolaren Hautelektroden ffir EMG-Messungen am M. biceps

lich yon Fet t gereinigt werden, bis eine starke l~6tung der Haut eintrat. Zum Auf- kleben dienten Ringe aus Doppelklebefolie. Naeh der ]~efestigung wurde der Innen- raum zwisehen Silberplatte und Haut mit Elektrolytpaste mittels einer Injektions- spritze geftillt, die durch eine 0ffnung des Kunststoffgehi*uses cingefiihrt wurde. Die bipolare Ableitung erfolgte dureh zwei in Muskelriehtung an der st~rkstcn Stelle des Muskels angeordnete Elektroden. Eine dritte Masseelektrode konn~ an belie- biger Stelle befestigt werden (Abb. 3).

Der elektrisehe ~dbergangswiderstand zwischen Haut und Elektrode wurde als ausreiehend klein angesehen, wenn e r j e Elektrode < 5 k:Q, d. h. zwischen 2 Elek- troden < 10 k~, betrug. Die Versti*rkung der abgeleiteten Elcktromyogramme er- folgte durch einen hierfiir geeigneten EEG-Verst~trker, die Registrierung auf einem dreikanaligen Direktschreiber, dessen Grenzfrequenz 170 Hz betrug. Diese direkte Aufzeichnung des EMG diente nur zur Kontrolle, um evtl. St6rungen rechtzeitig er- kennen zu k6nnen.

Dureh Integration des Spgnnungsverlaufes des EMG mit Hilfe eines AC-DC- Wandlers, der zwisehen 10 und 1000 Hz mit konstsnter Verst~rkung arbeitet, konnte neben dem Original-EMG das integrierte EMG auf dem Direktschreiber re- gistriert werden.

Zu Beginn jeder Versuehsreihe wurde zuni*chst das EMG bei Ausiibung dcr fiir diese Versuehsreihe vorgesehenen Greifkraft ohne Vibrationsbe]astung als ,,Aus- gangs .EMG" festgestellt. Es handelt sich dabei also um eine Aktivitgtsmessung bei statischer Muskelarbeit (Laurig, 1970).

Daran anschlieBend wurden die einzelnen Vibrationsversuche mit den verschie- denen Frequenzen mit derselben Handstellung (Halbpronation) durchgefiihrt. Bei einer Versuehsdauer yon ca. 10 sec betrug die Dauer der Aufzeichnung etwa 2 sec. Eine bis zu Beginn des ni~ehsten Versuches eingelegte Pause yon 2 rain diente der Erholung. Jede Versuchsreihe wurde an einem Tage zweima] durchgefiihrt, einmal mit steigender, einmal mit fallender Frequenzfolge.

Hand-Arm-Schwingungen und Muskelreaktion 319

Da die meBbare elektrisehe Aktivitgt jeweils vonder Befestigungsstelle und vom 1Jbergangswiderstand abhgngig ist, sind Messungen bei neu angeklebten Elektroden mi~ friiheren Messungen nieht unmittelbar vergleichbar.

Aus diesem Grunde wurde die Muskelreaktion bei versehiedener statischer Greif- kraft ohne Vibrationsexposition mit l-Iilfe yon Elektromyogrammen gesondert er- mittelt. I-Iieraus lieg sieh eine lineare Kennlinie des EMG fiber der statisehen tIand- greifkraft aufstellen. Diese lieg sieh zur Korrektur der Versuchsreihen mit versehie- dener Kraft verwenden, die an untersehiedliehen Tagen durehgeffihrt worden waren.

5. A uswertever/ahren

Da die Beschleunigungsverl~ufe durchweg einen der Sinusform angen~herten oder wenigstens sehr gleichm~gigen Verlauf zeigten, war die Auswertung durch ma- nuelles Ausmessen der Spitzenwerte m6glich.

Der Spannungsverlauf des integrierten EMG-SignMes wurde fiber eine Zeit yon etwa 2 see durch den Direktschreiber aufgezeichnet. Die Auswertung des Schriebes erfo]gte durch Ermittlung yon 10 Amplitudenwerten in einera Zeitabstand yon je 1/10 sec. Durch Bildung des arithmetischen Mittelwertes yon diesen 10 Stiehproben wurde die mittlere Amplitudenh6he errechnet.

III. Ergebnisse

1. Beschleunigungsiibertragung

Die Beschleunigungsf iber t ragung auf die Bereiche des Handge lenkes , des El lenbogens und des Schul tergelenkes s ind in Abb. 4 - - 7 als Mittel- wer te nnd S t anda rdabwe iehungen yon je 20 Messungen (10 Versuehs- personen mi t Wiederholung) dargeste l l t .

Es li igt sieh erkennen, dag bei allen Grei fkr~f ten mi t Ausnahme der Gre i fk ra f t 0 % a m Handge l enk bis zum Frequenzbere ieh ungefs 40 Hz, am E] lenbogengelenk bis ungef~hr 30 t t z Amp]i tudenvergr6Herungen der Beschleunigung auf t re ten . Die max ima le SehwingungsvergrSBerung a m Handge lenk au f ungefi ihr 300% is t im Frequenzbere ich zwischen 10 und 16 Hz zu finden. Das bedeu te t , dab das Handge lenk in d iesem Frequenz- bereich in Resonanz ger~t und somit besonders s t a rk beansp rueh t wird.

I m Gegensatz dazu befinden sieh beJm E] lenbogengelenk u m 10 t Iz Schwingungsvergr6Herungen auf max ima] 150~ . Es finder somit ein deut l ieher Schwingungsabbau yon der H a n d his zum El lenbogen s tar t .

OberhMb yon 40 Hz zeigen sich n u t unwesent l iche Unte rseh iede im Schwingungsverha l ten yon t t a n d g e l e n k und El lenbogen: Alle K u r v e n dieser MeBstellen fal len kont inu ier l ich mi t zunehmender F requenz > 40 Hz ab.

A m Schul terge lenk k o m m t es zu keiner Vergr6Berung gegeniiber der eingelei teten Beschleunigung. Vielmehr fal len die en tsprechenden K u r v e n - - abgesehen von e inem leichten Anst ieg zwischen 6,3 und 10 Hz bei 50 und 75~ der Max ima lk ra f t - - kont inu ier l ich ab.

320 It. Iwata et al . :

5O

, - = , , 0 5 - ~

OJ

O, 0-~ ...... Ei[enbogen -.-SchWterge[enk j J~ I '~..~" I

6,01 ' "' ~ l l l I i

6.3 10,0 16.0 25,0 40,0 63,0 [Hzl,]0q0 Frequenz

Abb . 4-

),0 ~Hondgelenk

6,3 10,0 16,0 250 40,0 63.0 [Hz] 1oo,o Frequenz

Abb. 5 Abb. 4. Beschleunigungsfibertragung vom Griff auf das Hand-Arm-Schulter-System

bei 0~ der maximalen Hundgreifkraft

Abb. 5. Beschleunigungsiibertragung yore Griff auf das Hand-Arm-Schulter-System bei 250/o der maximalen ttandgreifkraft

Die Beschleunigungsfibertragung im Falle yon 0% der MaximalkraR, d. h. mit lockerer Auflage der Hand am Griff, ist durehweg geringer als bei gntem KraRschluB zwischen t tand und Griff (Abb. 4). Bei einem Ver- gleich der Kurven oberhalb 40 Hz in Abb. 4--7 wird deutlieh, dab der zu- nehmende KraftsehluB eine gr6Bere Besehleunigung an den 3 MeBste]len bewirkt.

Der statistisehe Mittelwertvergleich (t-Test) hat ergeben, dab zwisehen 0% der Maximalkraft einerseits und 25--75% der Maximalkraft anderer- seits im Frequenzbereieh fiber 10 I-Iz gesieherte Unterschiede auf dem 5 %- 3Tiveau bestehen. Das bedeutet, dab ein intensiver KraftschluB zwisehen Hand und Griff gegenfiber loser Handauflage am Griff zn einer signifikan~ grS[teren Beschleunigungsiibertragung an allen MeBste]len des Hand- Arm-Systems fiihrt. Beim Ellenbogen- und Schultergelenk l&Bt sich > 40 Hz der Untersehied in der Besehleunigungsfibertragnng aueh zwi- schen 25 und 75% der maximalen Greifkraft nachweisen. Das liegt often- sichtlieh daran, dab der im weichen Gewebe der Handinnenfl&ehe start- findende Schwingungsabbau mit zunehmender Greifkraft dureh Verdieh- tung des Gewebes geringer wh-d. Ffir das }Iandgelenk zeigten die Mittel- werte dieselbe Tendenz, die sieh jedoeh statistiseh nieht absiehern lieB

H&nd-Arm-Schwingungen und Muskelreaktion 321

rn

%

==

6.3 lOO 60 250 400 630 [Hz] OLl,O Frequenz

Abb. 6

01 - i .j . J ~ - - N ' - - Hondgelenk ~

Q05 ........ E[lenbogen | - Schultergetenk 1

63 10,0 1@ 25,0 409 63,0 Nz] 100,0 Frequenz

Abb. 7

Abb. 6. Beschleunigungstibertragung vom Griff auf das H~nd-Arm-Schulter-System bei 50O/o der maxim~len Handgreifkr&ft

Abb. 7. Besehleunigungsiibertragung vom Griff auf das H~nd-Arm~Sehulter-System bei 75~ der maximalen Handgreifkraft

Der Rangkorrelationstes~ nach Spearman (nach Sachs, 1969) hat er- geben, dab die jeweiligen Individualwerte eine gleiehe Rangfolge wie die Mittelwerte der 10 Versuchspersonen haben. Damit wird aufgezeigt, dal3 die Kurven der einzelnen Versuehspersonen in paralleler Ann/~herung ver- laufen.

2. Reaktionen des M. biceps

Originaldiagramme des direkt gemessenen und integrierten Elektro- myogrammes einer Versuchsperson sind fiir Sehwingungserregungen mi~ 63 und 80 Hz bei 75~o Maximalhandgreffkraft in Abb. 8 dargestcllt. Bei 80 Hz ist deutlich die geringere Muskelaktivitgt erkennbar.

Die Ergebnisse der Reaktion des M. biceps bei nut statischer Hand- greifkraft, d. h. ohne Vibr&tionserregung, die ftir den Vergleich der Ver- suchsreihen mit verschiedener Greifkraft wichtig sind, sind aus Abb. 9 ersichtlich.

Die mit zunehmender Kraf t linear ansteigende Aktivi tgt 1s sich durch die Gleichung y = 0,0051x ~- 0,1387 der lZegressionsgeraden an- geben (y = elektrisehe Aktivit~t EA, x = Prozent der maximalen Hand- greifkraft). Die Linearitgt dieses Anstieges ist mit dem Korrel&tionskoef-

322 H. Iwat& et al. :

Schw[ngungserregung: EMG - Integral

Direkt-EMI3

Abb. 8. BeispM der EMG-Anfzeichnung am M. biceps, direkt und integriert bei 63 Hz und 80 g z Schwingungserregung und 75% der Maximal-Greifkraft

0 , 5 - - -

7~

02- !

,~EA o,m - - ~ ' . : - s von ID V P n -

[mvl

02-

0,5- --

71

r

/ /

, , / .. /

y = 00051 x +0,385 r = 0.9678

25 50 7'5 [%] 1~10 Gre]fkraft in % der Maximalkraft

Abb. 9. Muskelaktivit&t des M. biceps bei versehieden starker statiseher ttandgreif- kraft - - ~5 • s yon 10 Versuchspersonen

f izienten r = 0,9678 bei einer Irrtumswahrscheinl ichkeit yon 1% nach- gewiesen. Unter E inbez iehung ss Einze lwerte - - die Standard- abweichungen sind in Abb. 9 ebenfalls ersichtlieh - - ergibt sieh ein

Hand-Arm-Schwingungen und h'[uskelreaktion 323

Korrelationskoeffizient r = 0,8043, der < 1 ~ Irrgumswahrseheinliehkeit entsprieht.

In Abb. 10--13 sind Mittelwerte und Standardabweiehungen, in Abb. 14 nut die Mittelwerte aus allen Messungen mit 10 Versuehsperso- nen ffir die elektrisehe Aktivitgt des M. bleeps bei 0, 25, 50 und 75 ~ der maximalen ttandgreffkraft fiber der Frequenz der Sehwingungserregung dergestellt.

Der Rangkorrelationstest naeh Spearman hat ergeben, dab dig jewei- ligen Individualwerte im Mittel die gMehe Rangfolge wie die Mittelwerte yon den 10 Versuehspersonen haben. Damit wird aufgezeigt, dab dig Kurven der einzelnen Versuehspersonen in paralleler Ann/iherung ver- laufen.

Die in Abb. 10 ermittelte Muskelaktivit~t bei 0~o der I-Iandgreifkraft zeigt einen linearen Abfall mit zunehmender Sehwingungsfrequenz. (Die EA-Werte bei Sehwingungserregung zwisehen 6,3 und 12,5 Hz sind gegentiber der statisehen Greffkraft, d. h. ohne Vibrationsexposition, mit 5% Irrtumswahrseheinliehkeit gesiehert.) Das 1/~gt sieh daraus erkl~ren, dab ohne Greifkraft, d. h. mit losem Auflegen der Hand am Griff, die Ak- tivit~t dieses Muskels allein dureh die Bewegung des Ober- nnd Unter- armes bestimmt wird. Das Ausmag dieser Bewegung ist unter der Vor- aussetzung der konstant gew/ihlten Erregungsbesehleunigung bei niedri- gen Frequenzen hoeh und nimmt mit steigender Frequenz ab.

Bei hoher Greifkraft und damit festem KraftsehluB zwisehen I-Iand und Griff wird die elektrisehe Aktivit/it dagegen primgr yon der Greif- kraft und erst sekundi~r yon der Sehwingungsbelastung bestimmt. So 1/igt dig Kurve der EA bei 75% der maximalen Greifkraft mit zunehmen- der Sehwingungsfrequenz keinen Abfall erkennen (Abb. 13). Die EA bei 50 und 63,0 Hz Sehwingungserregung ist gegenfiber der statisehen Greif- kraft mit 5 ~ Irrtumswahrseheinliehkeit gesiehert.

Die beiden Kurven der elektrisehen Aktivitgt bei 25 und 50 ~ der ma- ximalen Greifkraft (Abb. 11 u. 12) stellen hinsiehtlieh ihres Verlaufes l~berggnge zwisehen den Kurven ffir 0 und 75% der maximMen Greif- kraft (Abb. 10 u. 13) dar. Bei der 25%-Kurve (Abb. 11) sind diese Ma- xima gegenfiber der statisehen Greifkraft mit 5Yo Irrtumswahrsehein- liehkeit, bei der 50~o-Kurve (Abb. t2) infolge der groBen Standardab- weiehung nut mit 10% gesiehert.

DiG drei EA-Kurven mit KraftsehluB zeigen jeweils zwei Maxima, die bei etwa 10 und 50 Itz liegen (Abb. 14). Da die bereits dargestellten Er- gebnisse der meehanisehen Sehwingungsfibertragung (Abb. 5--7) Reso- nanzverhalten des Ellenbogen- und Handgelenkes aufgezeigt haben, kann angenommen werden, dab dig besonders hohe EA des M. biceps im Fre- quenzbereieh um 10 Hz dutch reaktive T/itigkeit dieser Muskelgruppe far die Stabilisierung der Armhaltung verursaeht wird.

324 H. Iwa~a et al . :

76

0 ohne

Vibration 10 211 50 [Hz] 1110

Frequenz Abb. 10

l~- [mV]

<

:~- 0,5

ohne 10 20 50 [Hz] 100 Vibration Frequenz

Abb. 11

Abb. 10. Elektrische Aktivitat des M. biceps under Schwingungsexposition bei 0% der maximalen Handgreifkraft - - 2 • s yon 10 Versuchspersonen

Abb. 11. Elektrische Aktivit~t des M. biceps unter Schwingungsexposition bei 25% der maximalen Handgreifkraft - - 2 -~ s yon 10 Versuchspersonen

ohne 10 20 50 [Hz] 100 ohne 10 20 50 [Rz] 100 Vibration Freqaenz Vibr~tio~ Frequenz

Abb. 12 Abb. 13

Abb. 12. Elektrische Aktivit~t des M. biceps unter Schwingungsexposition bei 50% der m~ximalen Handgreifkraft - - ~ =~ s yon 10 Versuchspersonen

Abb. 13. Elektrische Aktivit~t des M. biceps unter Schwingungsexposition bei 75% der maximalen Handgreifkraft - - 2 • s yon 10 Versuchspersonen

Hand-Arm-Schwingungen und Muskelreaktion 325

S~atische Greifkrafl der Hand IEA ohne[ mi~ o.8, . .Schwingungsexposilion

'o;']Z

~163 50%

" - " I \ -T l . I I / ; i " ' " i " .... { "I 25~

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Vibration Schwingungsfrequenz

Abb. 14. Elektrische Akt ivi t~t des ~ . biceps bei 0, 25, 50 und 75% der maximalen Handgreifkraft

Die groBe EA bei 50 Hz Schwingungserregung l/i$t sieh auf Grund eigener Messungen zun/~ehst schwingungsmechaniseh nicht erkl~ren, da sieh bei 50 Hz kein Resonanzverhalten des Hand-Arm-Schulter-Systems (Abb. 5--7) ergeben hat. Auch Coermalm (1970) hat bei dieser Frequenz keine gesonanzstelle gefunden.

Es ist zwar denkbar, dab eh~zelne Muskelgruppen oder Muske]fasern mit ihrer relativ kleinen Masse (ira Vergleieh zur Gesamtmasse des Hand. Arm-Sehulter-Systems) bei einer Frequenz um 50 Hz zur Eigenseh~n- gung angeregt werden. Ein Beweis ffir diese Annahme konnte bisher nicht erbracht werden.

Eine andere hypothe~ische Erkls fiir die starke EA um 50 Hz is% in folgender Weise denkbar: Nach Buehtal (1958) werden die motorisehen Einheiten in den Muskeln der Extremit/~ten mit einer Frequenz von 20 bis 50 Hz bei maximaler Anstrengung imlerviert. Nach Piper (zit. naeh Miki u. Tokizane, 1964) betr/~gt diese Entladungsfrequenz beim M. bi- ceps bei starker Anspammng 40--50 Hz. Es erscheint daher m6gllch, dab be] 50 I.iz Sehwingungserregung des Kand-Arm-Systems das ebenfalls mit ca. 50 Hz weehselnde elektrisehe Potential zur Verst&rkung angeregt wird, z. B. dadureh, dab alle Muskelfasern elektrische Aktivit~t mit die- ser Frequenz entfalten. Auf diese Weise wiirde bei 50 Hz Sehwingungs- erregung eine besonders groBe EA mel3bar sein.

Diese EA mfiI]te dann theoretisch mit steigender Greifkraft ebenfalls ansteigen. Wie aus den Kurven ffir 50 und 75% der maximalen Greff- kraft ersiehtlieh ist, werden jedoeh in beiden F&llen mit ca. 0,61 mV

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gleiche Werte erreicht. Diese entsprechcn jedoch ann~hernd der EA (0,64 mV) bei maximaler statischer kurzzeitiger Handgreffkraft. Es wircl hiermit offensichtlich ehi absolutes tISchstmaB der EA des M. biceps er- reicht.

Von weRerem Interesse ist schlieBlich die fiir alle 4 Kurven niit ver- sehiedcner Greifkraft geitende Feststellung, dab die EA unter Vibrations- exposition bei 100 t tz Wer~e erreicht, die ziemlich genau der reinen sta- tischen Belastung ohne VJbrationen entsprechen. Das bedeutet, dab die hicrbei sehr geringen Schwingwege keine Muskelreaktionen mehr aus- 15sen kSnncn.

IV. Vergleich der Ergebnisse mit einem ISO.Bewertungsvorsehlag

Von der International Standard Organisation ISO/TC 108/WG 7 liegt ein unverSffentlichter Entwurf vom Juni 1971 zur Bewer~ung yon Hand- Arm-Schwingungen vor, der sich auf Untersuchungen yon Miwa (1969) und Teisinger u. Louda (1972) stfitzt. Der yon der ISO vorgesehlagene Kurvenverlauf cntspricht dabei den von Miwa ermiCtelten Kurven gleich starker subjcktiver Wahrnehmung und wurde fiir diesen Vergleich in ein Frequenz-Besehleunigungsdiagramm umgezeichne~.

In Abb. 15 warden die eJgenen Untersuehungsergebnisse dcr ISO- Kurve gegeniibergestellt. Hierzu wurden die Ergebnisse der Schwingungs- fibertragung auf das tIandgelenk hi dcr Weise umgezeictmet, dab Kurven solcher eingeleiteter Schwingbesehleunigungen entstehen, die zu gleich

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40.

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10 20 50 100 200 [Hz] 500 Frequenz

Abb. 15. Kurven yon erregenden Beschleunigungen am Griff, die zu gleieh starker Beschleunigung am Handgelenk fiihren, im Vergleieh zu Kurven naeh ISO-Vor-

entwurf und anderen Autoren

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starker Beschleunigung am Handgelenk ffihren. Es ist ersiehtlich, dab zwisehen den eigenen Kurven und denen des ISO-Vorsehlages eine ver- h~ltnism~$ig gute Ubereinstimmung besteht. Abweichungen kommen im Hiederfrequenzbereich und oberhalb yon ca. 60 Hz vor. In der ffir die Hormung vereinfachten Form kommt demnach das Schwing~ngsverhal- ten des Hand-Arm-Systems im Bereich < 10 Hz und > 60 Hz nieht ge- nfigend zum Ausdruek. Insgesamt ist jedoeh eine gute (~bereinstimmung mit der yon Miwa (1969) festgestellten frequenzabh~ngigen Stiirke sub- jektiver Wahrnehmung und der bier ermittelten ~bertragungsfunktion festzustcllen. Allerdings muB erwartet werden, dab die eigenen Kurven im Bereieh < 6,3 Hz gegen 0 Hz welter ansteigen und somit in diesem Frequenzbereich eine stKrker werdende Abweichung gegenfiber den Kur- yen yon Miwa besteht.

Die Autoren danken Frau A. Halle und Herrn K. Matzanke Ftir die wertvolle Hilfe bei der Versuchsdurchffihrung.

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Associate Professor H. Iwata, M.D. Department of Public Health Gifu University School of Medicine Gffu, Japan

Privatdozent Dr. H. Dupuis Ing. (grad.) E. Hartung lYlax-Planek-Institut fiir Landarbeit und Landtechuik D-6550 Bad Kreuznaeh, Am Kauzenberg Bundesrepublik Deutschland