Körperliche Arbeit bei Hitzestress: Eine oft unterschätzte Belastung und Gefahr

Die Kombination aus Hitze und körperlicher Arbeit ist eine der größten Belastungen für den menschlichen Organismus, die innerhalb kurzer Zeit zu drastischen Leistungseinbrüchen und gesundheitlichen Gefährdungen bis hin zu einem Hitzschlag führen kann [8, 10, 12, 28]. Allzu häufig wird angenommen, dass Hitzestress und Hitzeerkrankungen nur bei höheren Umgebungstemperaturen auftreten können. Dabei ist es in der Vergangenheit wiederholt – bei anscheinend unkritischen Umgebungstemperaturen – zu lebensbedrohlichen bzw. tödlichen Zwischenfällen gekommen. In diesem Beitrag wird eine Übersicht über die Hauptfaktoren (körperliche Arbeit, Bekleidung, Klima und individuelle Merkmale) gegeben, die einzeln oder in Kombination im Organismus Hitzestress und gesundheitliche Gefährdungen hervorrufen können [3, 7, 11, 23].

Wärmekraftmaschine Muskel

Hitzestress kann sogar bei Frost auftreten. Während mehrstündiger Skipatrouillen bei -8°C wurden beispielsweise Körperkerntemperaturen von über 38°C gemessen [26]. Körperkerntemperaturen von Skilangläufern sollen in Einzelfällen über 40°C liegen [17]. Durch körperliche Arbeit kann die Wärmeproduktion um mehr als das 10fache ansteigen. Bei intensiver sportlicher Belastung können schon nach 5 Minuten Körperkerntemperaturen von 39°C, nach 10 Minuten von 40°C erreicht werden [17].

Der rapide Anstieg der Wärmeproduktion erfolgt durch die arbeitende Muskulatur. Dabei wird der weitaus größte Teil der umgesetzten Energie als Wärme (>70 %) freigesetzt [5, 22, 25, 30]. Beim Laufen beträgt der mechanisch nutzbare Energieanteil höchstens 25 %. Der Wirkungsgrad ist bei militärischen Tätigkeiten wie z. B. Marschieren, Tragen von Lasten oder den Bewegungsarten im Gelände weitaus geringer [28, 31, 33].

Isolierende Wirkung von Bekleidung und Ausrüstung

Aufgrund ihrer isolierenden Wirkung führt Bekleidung zu einer zusätzlichen thermischen Belastung. Dies gilt besonders, wenn Bekleidung ausgeprägte Schutzanforderungen erfüllt [15]. Im Sport sind davon u. a. der Motorsport, das Fechten und der American Football betroffen. Beim American Football kommt es jährlich zu hitzestress-bedingten Todesfällen [18]. Bei Militär, Polizei und Feuerwehr führt zudem das hohe Gewicht und die Bewegungseinschränkungen durch Schutzbekleidung und Ausrüstung zur vermehrten Muskelarbeit und Steigerung der metabolischen Wärmebildung [13].

Der mit ca. 70 - 80 % wichtigste und effektivste physiologische „Entwärmungsmechanismus“ bei körperlicher Arbeit ist die Wärmeabgabe durch Schweißverdunstung, die durch die Schutzbekleidung massiv eingeschränkt wird [16]. Außerdem entfällt hier die Wärmeabgabe durch Konvektion: Diese trägt beim Laufen oder Radfahren (z. B. bei einer Luftbewegung von 4,5 m/s = 16,2 km/h) dazu bei, dass der Wärmetransferkoeffizient gegenüber Windstille um den Faktor 2 erhöht ist. Allein durch den konvektiven Wärmetransport fällt die Hauttemperatur um 5 - 6° C, so dass ein großer Wärmegradient zum Körperinneren aufgebaut bzw. erhalten werden kann [17].

Als Maß für die Isolationswirkung der Bekleidung dient die Maßeinheit „clo“ (abgeleitet von „clothing unit“ 1 clo = 0,155 m2 x K x W–1). Sportkleidung (kurze Hose, T-Shirt) hat einen clo-Wert von ca. 0,3 clo, leichte Arbeitskleidung entspricht 0,8 - 1 clo, Kleidung für nasskaltes Wetter liegt zwischen 1,5 - 2 clo, während Expeditions-/Polarkleidung mehr als 2,5 clo aufweisen [6]. Das Tragen von Splitterschutzweste, Feldjacke, Gefechtshelm und Handschuhen entspricht einer Bekleidungsisolation von etwa 1,8 clo, was im Sommer deutlich zu viel ist. Ist zudem körperliche Arbeit (=hohe metabolische Wärmebildung) zu verrichten, wird die thermoregulatorische Entwärmung massiv eingeschränkt bzw. aufgehoben.

Faktor Klima

Schon geringe klimatische Belastungen können eine durch -Bekleidung und körperliche Arbeit induzierte Thermoregu--lationseinschränkung massiv verstärken [14, 36]. Je nach -Kon-stellation der Hauptfaktoren kann es schnell zu einer erhöhten gesundheitlichen Gefährdung mit einem Anstieg der Körperkerntemperatur bis hin zum Hitzschlag kommen [8, 10, 12, 28, 32].

Wie einleitend angesprochen, ist es problematisch, Hitzebelastungen nur anhand der Umgebungstemperatur zu beurteilen. Wesentlich besser gelingt dies mit sogenannten „Klimasummenmaßen“, die die physikalischen Klimakenngrößen Lufttemperatur, Luftfeuchte, Wärmestrahlung und Windgeschwindigkeit berücksichtigen und zu einem Klimasummenwert zusammenfassen [28, 35]. Bei Kälte ist die Verwendung des „Windchill-Faktors“ (bei Lufttemperaturen unter 10° C) gebräuchlich und die Diskrepanz zwischen gemessenen und gefühlten Temperaturen (Windeinfluss) allgemein bekannt.

Klimasummenmaße sollten im Vorfeld von Ausbildungsmaßnahmen, Sportveranstaltungen u. a. zur Risikoabschätzung genutzt werden, um durch präventive Maßnahmen die Gefahr von Hitzezwischenfällen zu minimieren. In der Vergangenheit sind verschiedene Klimasummenmaße für Hitzebelastungen vorgeschlagen worden. International findet der „Wet-Bulb-Globe--Temperature-Index“ (WBGT) die größte Verbreitung [28]. Das Verfahren wurde für den militärischen Bereich entwickelt und wird in wissenschaftlichen NATO-Dokumenten als Standardverfahren genutzt [24]. Aufgrund dieser Empfehlungen hat das Institut für Präventivmedizin der Bundeswehr gemeinsam mit Experten aus dem Sanitätsdienst und dem Heer praxisnahe Informationen für die Truppe (u. a. „Hot-Ten-Flyer“, „Taschenkarten“) erarbeitet, die alle Soldaten über Einflussfaktoren zur Überhitzung, Symptome sowie Erste Hilfe bei Hitzeerkrankungen informieren und den Ausbildern/Einheitsführern zusätzlich Präventionsmaßnahmen empfehlen.

Individuelle Faktoren und Hitzetoleranz

Alltagsbeobachtungen zeigen, dass Hitzebelastungen unterschiedlich gut toleriert werden. Es gibt beispielsweise große individuelle Unterschiede bei der Schweißabgabe. Heranwachsende (vor Pubertätsende) reagieren bei hohen klimatischen Belastungen deutlich anfälliger als Erwachsene [2]. Trotz geschlechtsbedingter Unterschiede (Frauen mit vermehrtem Unterhautfettgewebe, späterem Einsetzen der Schweißsekretion, menstruationsbedingtem Verschieben der Körperkerntemperatur usw.) scheint hingegen die thermische Belastbarkeit von Männern und Frauen ähnlich zu sein [9, 27, 28, 29].

Das Risiko eine Hitzeerkrankung zu erleiden, kann aber auch bei ein und derselben Person erheblich variieren: Akute Infekte und Erkrankungen, Dehydrierungen, Störungen im Elek-trolythaushalt, hoher Motivationslevel wie auch unzureichende oder gar fehlende Akklimatisation begünstigen Hitzeprobleme [1, 14, 23, 32, 33, 34].

Übergewicht und geringe körperliche Leistungsfähigkeit

Zu den wichtigsten negativen Einflussfaktoren der Hitzetoleranz gehören Übergewicht und geringe körperliche Leistungsfähigkeit [3, 8, 11, 10, 14, 23, 28]. Bedno et al (2014) untersuchten das Auftreten von Hitzeerkrankungen bei über 9 000 US Army Rekruten und stellten fest, dass der Fitness- und Gewichtsstatus unabhängig voneinander mit dem Auftreten einer Hitzeerkrankung assoziiert sind. Im Vergleich zu fitten normalgewichtigen Rekruten verdoppelt sich das Risiko bei unfitten normalgewichtigen Rekruten. Übergewichtige fitte Personen hatten ein fast 4-fach, übergewichtige unfitte Rekruten ein nahezu 8-fach erhöhtes Risiko für eine Hitzeerkrankung [3].

Diese Zusammenhänge weisen auf ein wachsendes Ausbildungsproblem hin: Aufgrund unzureichender Fitness und Belastbarkeit vieler junger Erwachsener sind Rekruten immer häufiger den Anforderungen in der Grundausbildung nicht mehr gewachsen [19, 20]. Es kommt zu vermehrten Überforderungen, gesundheitlichen Gefährdungen und Ausbildungsab-brüchen, da junge Erwachsene oftmals nur unzureichende motorische Erfahrungen besitzen und als übergewichtige Nicht--Sportler zur Bundeswehr kommen. Diese Problematik wurde auf dem präventivmedizinischen Koblenzer Symposium „Gesundheit und Leistung bei Hitzestress“ (17.-18. April 2018) intensiv diskutiert. Das Heer hat in der Folge eine Pilotstudie zur Neukonzeption der Grundausbildung (Beginn am 1. Juni 2018) gestartet, bei dem das Institut für Präventivmedizin der Bundeswehr zur wissenschaftlichen Begleitung miteinbezogen wurde. Angesichts der weiten Verbreitung von inaktiven Alltagsgewohnheiten und Übergewicht ist zu empfehlen, nicht nur auf die Belastbarkeit und Fitness von Rekruten zu achten, sondern die Einsatzfähigkeit aller Soldatinnen und Soldaten genauer zu prüfen und sicherzustellen [21].

Literatur

1. Armstrong L, Maresh CM: The induction and decay of heat acclimatization in trained athletes. Sports Med 1991, 12(5): 302 - 312.
2. Bar-Or O: Children and physical performance in warm and cold environments. In: Boileau RA (ed): Advances in Pediatric Sport Sciences. Vol 1: Biological Issues. Champaign, IL: Human Kinetics Publishers 1984, 117 - 130.
3. Bedno SA, Li Y, Han W, et al.: Exertional heat illness among overweight U.S. Army recruits in basic training. Aviat Space Environ Med 2010; 81(2): 107 - 111.
4. Bedno SA, Urban N, Boivin MR, et al.: Fitness, obesity and risk of heat illness among army trainees. Occup Med 2014; 64(6): 461 - 467.
5. di Prampero PE: Energetics of muscular exercise. Rev Physiol Biochem Pharmacol 1981; 89:143 - 222.
6. DIN EN ISO 9920: Ergonomie des Umgebungsklimas – Abschätzung der thermischen Isolation und des Verdunstungswiderstandes einer Bekleidungskombination (ISO 9920: 2007, Korrigierte Fassung 2008 - 11 - 01). Berlin: Beuth Verlag 2009.
7. Epstein Y, Moran DS, Shapiro Y: Exertional heatstroke in the Israeli Defence Forces. In: Pandolf KB, Burr RE (eds.): Textbooks of Military Medicine Volume1: Medical Aspects of Harsh Environements. Falls Church: Office of the Surgeon General 2001; 281 - 292.
8. Epstein Y, Druyan A, Heled Y: Heat injury prevention – a military perspective. J Strength Condit Res 2012; 26(7 Supplement): S82–S86.
9. Frye AJ, Kamon E: Sweating efficiency in acclimated men and women exercising in humid and dry heat. J Appl Physiol 1983; 54(4): 972 - 977.
10. Gaffin SL, Hubbard RW: Pathophysiology of heatstroke. In: Pandolf KB, Burr RE (eds.): Textbooks of Military Medicine Volume1: Medical Aspects of Harsh Environements. Falls Church: Office of the Surgeon General 2001; 161 - 208.
11. Gardner JW, Kark JA, Karnei K et al.: Risk factors predicting exertional heat illness in male Marine Corps recruits. Med Sci Sports Exerc 1996; 28(8): 939 - 944.
12. Glitz KJ, Leyk D: Der Schlag der Hitze. Präventionsmaßnahmen eines Hitzemanagements. Wehrmedizin und Wehrpharmazie 2016; 16(4): 95 - 97.
13. Glitz KJ, Seibel U, Leyk D: Schutzbekleidung. In: Landau K, Pressel G (eds.): Lexikon Medizinisches Lexikon der beruflichen Belastungen und Gefährdungen. Definitionen – Vorkommen- Arbeitsschutz. Landau, Stuttgart: Gentner Verlag 2009; 890 - 893.
14. Glitz KJ, Seibel U, Gorges W, Piekarski C, Leyk D: Gesundheit und Leistung im Klima. 1. Mitteilung: Hitze. Wehrmed Mschr 2011; 55(12): 290 - 294.
15. Glitz KJ, Seibel U, Leyk D: Schutzbekleidung. In: Landau K (ed.): In Lexikon Arbeitsgestaltung. Best Practice im Arbeitsprozess Stuttgart: Gentner Verlag 2007; 1118 - 1120.
16. Glitz KJ, Seibel U, Gorges W, Witzki A, Piekarski C, Leyk D: Reducing heat stress under thermal insulation in protective clothing: microclimate cooling by a ‘physiological’ method. Ergonomics 2015; 58(8): 1461 - 1469.
17. Israel S: Thermoregulation und Wasserhaushalt. In: Badtke G, Bittmann F, Böhmer D (ed.): Lehrbuch der Sportmedizin. Stuttgart: utb 1999; 268 - 276.
18. Kucera KL, Klossner D, Colgate B, Cantu RC: Annual survey of football injury research. Final Report Nr. 2018 - 01. Waco, Indianapolis, Dallas: NCCSIR 2018.
19. Leyk D, Rüther T, Witzki A, et al.: Physical fitness, weight, smoking, and exercise patterns in young adults. Deutsches Ärzteblatt International 2012; 109(44): 737 - 745.
20. Leyk D, Helmhout PH: Epidemic of sedentary lifestyle: Evolution and implications. In: NATO (ed.): TR-HFM-178: Impact of lifestyle and health status on military fitness. Final Report of Task Group HFM-178. Neuilly-Sur-Seine Cedex 2012; 1.1.-1.12.
21. Leyk D, Rohde U, Harbaum T, Schoeps S: Körperliche Anforderungen in militärischen Verwendungen: Votum für ein „Fitness-Register Ausbildung und Einsatz“. Wehrmedizinische Monatsschrift 2018; 62(1 - 2): 2 - 6. 
22. Margaria R, Cerretelli P, Aghemo P, Sassi G: Energy cost of running. J Appl Physiol 1963; 18(2):367 - 370.
23. Moore AC, Moore AC, Stacey MJ, Bailey KGH, et al: Risk factors for heat illness among British soldiers in the hot Collective Training Environment. J R Army Med Corps 2016; 162(6):434 - 439.
24. NATO: TR-HFM-187: Management of heat and cold stress guidance to NATO medical personnel. Findings of Task Group HFM-187. www.sto.nato.int/publications/Pages/default.aspx (last accessed on 09 August 2018).
25. Noakes TD: A modern classification of the exercise-related heat illnesses. J Sci Med Sport 2008; 11(1): 33 - 39.
26. Rintamäki H, Rissanen S: Heat Strain in Cold. Ind Health 2006; 44(3):
     427 - 432.
27. Plowman SA, Smith DL: Exercise Physiology for Health, Fitness, and Performance. Needham Heigths: Lippincott Williams and Wilkins 1997.
28. Sawka MN, Pandolf KB: Physical Exercise in hot climates: Physiology, Performance, and Biomedical Issues. In: Pandolf KB, Burr RE (eds.): Textbooks of Military Medicine Volume1: Medical Aspects of Harsh Environements. Falls Church: Office of the Surgeon General 2001; 87 - 133.
29. Shapiro Y, Pandolf KB, Avellini BA, Pimental NA, Goldman RF: Heat balance and transfer in men and women exercising in hot-dry and hot-wet conditions. Ergonomics 1981; 24(5): 375 - 386.
30. Smith JE: Cooling methods used in the treatment of exertional heat illness. Br J Sports Med 2005; 39(8): 503 - 507.
31. Spitzer H, Hettinger TH, Kaminski G: Tafeln für den Energieumsatz bei körperlicher Arbeit. Berlin: Beuth Verlag, 1981.
32. Stacey M, Woods D, Ross D, et al: Heat illness in military populations: asking the right questions for research. J R Army Med Corps 2014; 160(2):
     121 - 124.
33. Stegemann J: Leistungsphysiologie. Physiologische Grundlagen der Arbeit und des Sportes. Stuttgart: Thieme 1977.
34. Taylor NA. Human heat adaptation. Compr Physiol 2014; 4(1): 325 - 65
35. Wenzel HG, Piekarski C: Klima und Arbeit. München: Bayerisches Staatsministerium für Arbeit und Sozialordnung 1985.
36. Yaglou CP, Minard D: Control of heat casualties at military training centers. AMA Arch Ind Health 1957; 16(4): 302 - 316

Oberstarzt Prof. Dr. Dr. Dieter Leyk
E-Mail: dieterleyk@bundeswehr.org

Datum: 09.11.2018