Sitzmonitoring für Bewegung bei Büroarbeit

Seat Monitoring for Movement During Office Work

Auswirkungen von Bewegungs­mangel im Sitzen

Für die Gesunderhaltung des Menschen ist Bewegung essenziell. Mangelnde Bewegung kann Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebserkrankungen und Diabetes Typ 2 verursachen sowie das allgemeine Sterberisiko erhöhen (Patterson et al. 2018). Im Gegensatz dazu senkt physische Aktivität das Risiko für frühzeitige Sterblichkeit um 20–30 %, von Herz-Kreislauf-Erkrankungen um 7–8 % und von Diabetes-Typ-2-Erkrankungen um ca. 5 % und kann vor Brust-und Darmkrebs präventiv schützen (Lee et al. 2012; McTiernan et al. 2019; WHO 2020). Gleichzeitig kann das Einsetzen von Demenz verzögert, die mentale Gesundheit gestärkt und das allgemeine Wohlbefinden verbessert werden (Livingston et al. 2017; Das u. Horton 2012). Hauptursache für den Bewegungsmangel der Deutschen ist das Sitzen. Deutsche verbringen die meiste Zeit der täglichen Wachzeit mit durchschnittlich 8,5 Stunden in sitzender Körperhaltung. Bei der täglichen Arbeit wird dabei im Schnitt drei Stunden gesessen (Froböse u. Wallmann-Sperlich 2021). Büroangestellte hingegen verbringen 60 % des Arbeitstages sitzend (Kuster 2021). Aus häufigen und langen Sitzzeiten können Rückenschmerzen und chronische Muskel-Skelett-Erkrankungen resultieren. Insbesondere für die Gesunderhaltung der Bandscheiben ist Bewegung essenziell. Durch fehlende Be-und Entlastung können die Bandscheiben spröde und porös werden. Auch die Wirbelgelenke benötigen für die Gesunderhaltung Bewegung, damit schrumpfende Gelenkkapseln und damit verbundene Schmerzen ausbleiben (Windel 2013, s. „Weitere Infos“). Die Wirbelsäule und deren zugehörige Bandscheiben werden im Sitzen jedoch häufig nicht bewegt, unabhängig von der Sitzhaltung und des Bürostuhls. Besagte Muskel-Skelett-Erkrankungen waren im Jahr 2021 ursächlich für etwa jeden sechsten Arbeitsunfähigkeitsfall (AU-Fall) mit 18,2 % und außerdem mit 25,5 % für jeden vierten AU-Tag verantwortlich (Knieps u. Pfaff 2022). Für Arbeitgeber entstehen hierdurch hohe Aufwände und oft Kosten durch Ersatzpersonal. Beschäftigte haben Schmerzen, sind unproduktiver und können durch die Erkrankung nicht vollumfänglich am gesellschaftlichen Leben teilhaben.

Empfehlungen für Bewegung

Aus den oben genannten Gründen empfiehlt die WHO ein Mindestmaß an Bewegung von 150–300 Minuten pro Woche bei einem drei- bis sechsfachen metabolischen Äquivalent, kurz MET (WHO 2020, s. „Weitere Infos“). Der Grundumsatz des Körpers zur Aufrechthaltung der lebenswichtigen Funktionen beträgt 1 MET. Jede zusätzliche Aktivität und Bewegung bewirken einen erweiterten Energiebedarf. Dementsprechend steigt das MET je nach Art und Intensität der Bewegung an. Zudem sollte laut BAuA ein Körperhaltungswechsel (von Sitzen zu Stehen oder vice versa) alle zwei bis vier Mal pro Stunde durchgeführt werden (Windel 2013).

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Übertragung der gehenden Bewegung auf das Sitzen

Eine zügige, gehende Bewegung kann beispielsweise die Vorgaben der WHO von über 3 MET erfüllen und bewirkt gleichzeitig einen intensiven Nährstoffaustausch zur Gesunderhaltung der Bandscheiben. Zudem wird die Muskulatur durch die dynamische Bewegungsarbeit gefordert. Für gleichzeitige Büroarbeit ist das Gehen allerdings ungeeignet, da sich durch den großen Bewegungsumfang beim Gehen Oberkörper und Kopf stark mitbewegen und sich so nicht ausreichend auf die Arbeitsaufgabe fokussiert werden kann. Dauerhaftes Stehen hingegen führt zu einer Ermüdung der Muskulatur und könnte damit ebenfalls in Rückenschmerzen resultieren.

Daher sollte nach Möglichkeit die Bewegung für Becken und Wirbelsäule beim Gehen auf das Sitzen übertragen werden, so dass dem Rumpf eine dem Gehen ähnliche Bewegung ermöglicht wird und gleichzeitig Oberkörper und Kopf dabei ruhig gehalten werden können. Im Gegensatz zum Gehen und Stehen ist beim Sitzen ein höheres Maß an Bewegung ohne Ermüdung möglich, da das Körpergewicht größtenteils über das Gesäß auf der Sitzfläche aufliegt und damit die benötigte muskuläre Kraft zur Aufrechterhaltung abnimmt. Dies kann sich positiv auf die Bandscheiben auswirken. Bedingung hierfür ist, dass sich das Drehzentrum der Bürostuhlsitzfläche, um das sich das Becken bewegt, oberhalb der Sitzfläche, in etwa auf Höhe des 11. Brustwirbels befindet (Kuster et al. 2016). Des Weiteren sollte der Bürostuhl dreidimensional beweglich sein, da das Becken bei einer gehenden Bewegung ebenfalls mehrdimensionale Bewegungsanteile aufweist. Eigene Versuche mit drei verschiedenen dreidimensional beweglichen Untersuchungsbürostühlen bestätigen eine physiologisch günstige, beinahe synchrone Bewegungsrichtung des Beckens zur Sitzfläche für eine Bewegung (von hinten gesehen) von links nach rechts bei obenliegendem Drehzentrum im Sitzen (➥ Abb. 1).

Ein weiterer Vorteil hiervon ist, dass der Kopf trotz umfänglicher Bewegung des Rumpfes in Ruhe bleiben und dadurch weiterhin Bildschirmarbeit durchgeführt werden kann. Des Weiteren wurde identifiziert, dass eine Bewegungsfrequenz im Sitzen von 1 Hz beziehungsweise 1,02 Hz der durchschnittlichen Kadenz am nächsten kommt im Vergleich zur durchschnittlichen gehenden Bewegung bei gleichzeitiger hoher subjektiver Akzeptanz.

Zielsetzung

Grundvoraussetzung für das Ermöglichen von weitreichenden Bewegungen im Sitzen ist ein geeigneter Bürostuhl. Dabei sollte der Bürostuhl und dessen Neigung der Sitzfläche mit obenliegendem Drehzentrum beschaffen sein, damit Bewegungen physiologisch günstig, ähnlich der gehenden Bewegung durchgeführt werden können. Wie häufig sich im Sitzen auf dynamischen Bürostühlen bewegt wird, ist laut den Ergebnissen von Ellegast et al. (2012) unabhängig von der Dynamik des Bürostuhls. Demnach ist keine Mehraktivität im Sitzen auf hochdynamischen Bürostühlen im Gegensatz zu konventionellen Bürostühlen zu verzeichnen, sofern dies nicht vorgegeben wird. Aus diesem Grund müssen extrinsische Anreize für die Sitzenden von außerhalb geschaffen werden, die gleichzeitig eine ungestörte Büroarbeit ermöglichen. Nachfolgend werden etwaige Anforderungen für die Entwicklungsarbeit an eine digitale Lösung für die Zielgruppen der Beschäftigten und Arbeitgeber aufgelistet.

Für Beschäftigte:

Für Führungskräfte:

Vorbereitung: Versuch zur Erfassung des Energieverbrauchs für das bewegte Sitzen

MET-Referenzwerte für verschiedene Tätigkeiten liegen bereits vor. Für das bewegte Sitzen hingegen sind bisher keine Orientierungswerte bekannt. Gemeinsam mit der Abteilung Sportmedizin am Universitätsklinikum Carl Gustav Carus in Dresden wurde eine Studie mit dem Messverfahren der
Spiro­ergometrie in Kombination mit Iner­tialsensoren am Bürostuhl durchgeführt (➥ Abb. 2). Auf dem Untersuchungsbürostuhl mit Drehzentrum oberhalb der Sitzfläche wurde der Energieverbrauch für das statische Sitzen für die Frequenzen 0,5 Hz, 1 Hz und 1,5 Hz untersucht und in Abhängigkeit des Neigungswinkels der Sitzfläche ausgewertet.

Der MET-Wert wurde berechnet als durchschnittliches Verhältnis des Energieverbrauchs während der jeweiligen Exposition in Relation zum statischen Sitzen. Nachfolgend werden die ermittelten Ergebnisse für den Energieverbrauch über das metabolische Äquivalent für das bewegte Sitzen in ➥ Tabelle 1 dargestellt. Die ermittelten Werte zeigen auf, dass die Bewegung im Sitzen selbst bei hoher Frequenz von 1,5 Hz nicht die Anforderungen von Bewegung der WHO von mindestens 3 MET erfüllen. Dennoch kann die daraus resultierende muskuläre Aktivität als gesundheitsfördernd angesehen werden (Botter et al. 2014, s. „Weitere Infos“). Außerdem werden die Bandscheiben der Wirbelsäule be- und entlastet, wodurch auf einen Nährstoffaustausch rückgeschlossen werden kann.

Zusätzlich konnte eine statistische Signifikanz als Relation des Energieverbrauchs für das bewegte Sitzen in Abhängigkeit der Neigung der Sitzfläche gefunden werden. Dieses Verhältnis kann über entsprechende Formeln abgeschätzt werden.

Komponenten und Entwicklungder Messeinheit

Als Basis für die Messung des Bewegungsverhaltens der Benutzerin oder des Benutzers dient ein Arduino Nano 33 BLE (➥ Abb. 3). Dieser Microcontroller verfügt über eine dreiachsige inertiale Messeinheit, bestehend aus einem Gyroskop, einem Beschleunigungssensor und einem Magnetometer. Mittels Bluetooth-Low-Energy-Technologie werden die Messdaten drahtlos an den Computer übertragen und mithilfe eines Computerprogramms weiterverarbeitet und dargestellt (➥ Abb. 4). Das Computerprogramm identifiziert einen Bewegungswechsel aufgrund einer definierten Bewegungsfrequenz sowie eines definierten Neigungswinkels der Sitzfläche. Als Grundlage hierfür wird die gehende Bewegung erneut herangezogen. Insofern eine laterale Flexion als Gesamtbewegung des Beckens (Ausschlag nach links und rechts) von mehr als 4° (gehende Bewegung: 6,5° ± 2,5° nach Crosbie et al. 1997) bei einer Frequenz von mindestens 0,75 Hz (durchschnittliche gehende Bewegung bei
5 km/h bei durchschnittlicher Schrittlänge von 1,4 m für zwei Schritte nach Götz-Neumann 2016) detektiert wird, wird dieser Abschnitt einer virtuellen Liste als Bewegungswechsel hinzugefügt. Über die zuvor genannte durchschnittliche Schrittlänge wird die Anzahl der erkannten Schritte multipliziert, um somit eine virtuell zurückgelegte Wegstrecke in Meter beziehungsweise Kilometer für das Becken abzuschätzen. Das Bewegungsziel können die Nutzenden beliebig definieren. Bei Bewegung der Sitzfläche wird die Rotation um die y-Achse des Sensors grafisch dargestellt und etwaige Bewegungswechsel durch eine graue Linie hinterlegt. Eine stündliche Anzahl zur Darstellung der Bewegungswechsel und deren Ziel sowie ein Tagesziel können ausgewählt werden. Zudem erscheinen alle 30 Minuten Benachrichtigungen über das Windows-
Dialogfenster, wenn in diesem Zeitraum keine stehende Zeit erkannt wurde.

Für die Erkennung der Stehzeit wird zuvor eine Referenzposition der z-Achse des Sensors im unbenutzten Zustand erfasst. Durch das körpereigene Gewicht federt der Bürostuhl über die Gasdruckfeder ein und verändert die Grundposition der z-Achse. Dadurch wird erkannt, ob der Bürostuhl in Benutzung ist. Steht die Person auf, wird durch die Gasdruckfeder die Grundposition erneut erreicht und vom Sensor erkannt. Diese Erkennung funktioniert lediglich bei konventionellen Bürostühlen und Bürostühlen mit Drehzentrum oberhalb der Sitzfläche, da diese stets im unbenutzten Zustand in die Referenzposition zurückgehen. Ein Bürostuhl mit einem Drehzentrum unterhalb der Sitzfläche verharrt meist in der zuletzt zurückgelassenen Position, sofern er nicht über eine Federkraft zurückgestellt wird. Als statische Sitzzeit ist derjenige Zeitraum definiert, in dem kein Bewegungswechsel erkannt wird. Die dynamische Sitzzeit ist abhängig von den erkannten Bewegungswechseln. Beide Zeiten addiert ergeben die Gesamtsitzzeit.

Ein zusätzliche sich ergebende Möglichkeit ist die Risikoabschätzung für verschiedene Krankheiten und deren zugehöriges Mortalitätsrisiko (Sterblichkeitsrate). Grundlage hierfür sind die Erkenntnisse einer großangelegten Meta-Studie von Patterson et al. (2018) zum sedentären Verhalten. Die darin gefundenen Zusammenhänge wurden ebenfalls über Formeln beispielhaft ausgedrückt. Das jeweilige Risiko hängt für die Berechnung des Sensors von der statischen Sitzzeit ab.

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Sitzmonitoring – Entwicklungsstand

Das Sitzmonitoring-Tool für Bewegung bei Büroarbeit befindet sich noch in einem Prototypenzustand und ist derzeit nicht am Markt erhältlich. Die von den Benutzerinnen und Benutzern veränderten Einstellungen werden nach Beendigung des Programms automatisch gespeichert. Zudem werden die während der Programmlaufzeit erhobenen Daten in einer Excel-Datei vermerkt. Dies bildet eine wichtige Funktion für Führungskräfte zum Monitoring und zur Erfüllung des Gesundheitsschutzes ihrer Beschäftigten.

Limitierung und Ausblick

Sämtliche Formeln und Funktionen des Sen­sors wurden im Rahmen einer Patent­anmeldung berücksichtigt. Die gefundenen Zusammenhänge und Referenzwerte gelten lediglich für das ausgewählte Kollektiv an Versuchspersonen und lassen Rückschlüsse auf andere Gruppen nur vermuten. Der beschriebene Sensor betrachtet für die Übertragung der gehenden Bewegung auf das Sitzen lediglich die Links-rechts-Bewegung des Beckens (laterale Flexion). Weitere Komponenten der gehenden Bewegung für den Bereich des Beckens wie die Flexion/Extension sowie die axiale Rotation wurden zunächst nicht betrachtet und könnten für weitere Entwicklungen aufschlussreich sein. Für die Sterblichkeitsrisikoermittlung wurde zunächst lediglich die statische Sitzzeit berücksichtigt. Da das sedentäre Verhalten als jegliche Wachaktivität mit geringerem Energieverbrauch als ≤ 1,5 MET definiert ist, wäre selbst ein dynamisch bewegtes Sitzen meist als sedentär einzuordnen, da lediglich bei 1,5 Hz ein höherer Energieverbrauch durchschnittlich erreicht wurde. Angegebene Risikowerte für Mortalitätsrisiken dienen lediglich als Orientierung für die Nutzerinnen und Nutzer und sollen als mögliche Motivation für mehr Bewegung sorgen.

Auch etwaige Normen und Richtlinien nach der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) sind für weitere Entwicklungsschritte mit zu berücksichtigen. Das Projekt „Own Personal Care“ wird von der Karl-Schlecht-Stiftung gefördert.▪

Interessenkonflikt: Der Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt vorliegt.

Literatur

Australian Wound Management Association [AWMA]: Clinical practice guidelines for the prediction and prevention of pressure ulcers. Cambridge Publishing, 2001. https://www.sociedadeferidas.pt/Australian_Wound_Management.pdf

Botter J et al.: Untersuchung von dynamischen Büroarbeitsplätzen (IFA Report 4/2014). Berlin: Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, 2014. https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/2915

Crosbie J, Vachalathiti R, Smith R: Patterns of spinal motion during walking. Gait & Posture 1997; 5: 6–12.

Das P, Horton R: Rethinking our approach to physical activity. Lancet 2012; 380: 189–190.

Ellegast RP et al.: Comparison of four specific dynamic office chairs with a conventional office chair: impact upon muscle activation, physical activity and posture. Appl Ergon 2012; 43: 296–307.

Froböse I, Wallmann-Sperlich B: Der DKV-Report 2021 Wie gesund lebt Deutschland? Köln: Deutsche Krankenversicherung, 2021.

Götz-Neumann K: Gehen verstehen – Ganganalyse in der Physiotherapie. Stuttgart: Thieme, 2016.

Knieps F, Pfaff H: BKK Gesundheitsreport 2022 – Pflegefall Pflege? Berlin: MWV Medizinisch Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2022. https://www.bkk-dachverband.de/publikationen/bkk-gesundheitsreport/bkk-…

Kuster R: Advancing the measurement of sedentary behaviour – classifying posture and physical (in-)activity. Stockholm: Karolinska Institutet, 2021.

Kuster, R et al.: Physiological Motion Axis for the Seat of a Dynamic Office Chair. Human Factors 2016; 58: 886–898 (Open Access: https://doi.org/10.1177/0018720816646508).

Lee IM et al.: Effect of physical inactivity on major non-communicable diseases worldwide: an analysis of burden of disease and life expectancy. Lancet 2012; 380: 219–229 (Open Access: doi:10.1016/S0140-6736(12)61031-9).

Livingston G et al.: Dementia prevention, intervention, and care. Lancet 2017; 390: 2673–2734.

McTiernan A et al.: Physical activity in cancer prevention and survival: a systematic review. Med Sci Sports Exerc 2019; 51: 1252–1261 (Open Access: doi:10.1249/MSS.0000000000001937).

Patterson R et al.: Sedentary behaviour and risk of all-cause, cardiovascular and cancer mortality, and incident type 2 diabetes: a systematic review and dose response meta-analysis. Eur J Epidemiol 2018; 33: 811–829 (Open Access: doi:10.1007/s10654-018-0380-1).

Windel A: Auf und nieder – immer wieder Mehr Gesundheit im Büro durch Sitz-Steh-Dynamik. Dortmund-Dorstfeld: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA). https://www.baua.de/DE/Angebote/Publikationen/Praxis/A52.html

World Health Organization (WHO): Guidelines on physical activity and sedentary behaviour. Genf: World Health Organization, 2020. https://www.who.int/publications/i/item/9789240015128

doi:10.17147/asu-1-309292

Weitere Infos

Projekt Own Personal Care, TU Dresden
https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/itla/aiw/forschung/own-persona…

Australian Wound Management Association [AWMA]: Clinical practice guidelines for the prediction and prevention of pressure ulcers. 2001
https://www.sociedadeferidas.pt/Australian_Wound_Management.pdf

Botter J et al.: Untersuchung von dynamischen Büroarbeitsplätzen (IFA Report 4/2014). DGUV, 2014
https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/2915

Knieps F, Pfaff H: BKK Gesundheitsreport 2022 – Pflegefall Pflege?
https://www.bkk-dachverband.de/publikationen/bkk-gesundheitsreport/bkk-…

Windel A: Auf und nieder – immer wieder. Mehr Gesundheit im Büro durch Sitz-Steh-Dynamik. BAuA, 2013
https://www.baua.de/DE/Angebote/Publikationen/Praxis/A52.html

World Health Organization (WHO): Guidelines on physical activity and sedentary behaviour, 2020
https://www.who.int/publications/i/item/9789240015128

© TU Dresden

Kernaussagen

Kontakt

M. Eng. Mark Bührer

Professur für Arbeitswissenschaft; Institut für Technische Logistik und Arbeitssysteme der Technischen Universität Dresden; Dürerstraße 26; 01062 Dresden

buehrer.mark@gmail.com

Bild: privat