FMP1404 Schulter

Modul-Icon FMP 1404
Veranstaltung PS Forschungsmethoden 2
Autor Timo Krekeler, Daniel Kurz, Sebastian Trittenbach, Franziska Hiemenz
Leitung Prof. Dr. phil. Andre Seyfarth
Betreuung Dario Tokur
Zuletzt geändert
Bearbeitungsdauer


Einleitung

Ziel der Untersuchungen ist es, eine genauere Verbindung der ein- und zweigelenkigen Beinmuskulatur zur Erhaltung des Gleichgewichtes festzustellen. Durch die Vielzahl der Versuche wurden diese aufgeteilt, so dass jede Gruppe nur vier verschiedene Einzelversuche ausgewertet hat. Im Folgenden wird der Schwerpunkt der Auswertung und Untersuchung auf die Auswirkung des Oberschenkels bei den Versuchen mit Krafteinfluss auf Schulterhöhe gelegt.

Stand der Forschung

Balance bezeichnet die Körperhaltung, in der wir nicht fallen. Dadurch dass 2/3 des Körpergewichtes über dem Körperschwerpunkt liegen, besteht eine koordinativ anspruchsvolle Aufgabe darin, das Gleichgewicht zu halten. Da eine Verminderung der Muskulatur zu einer erhöhten Instabilität führt, müssen die Probanden sorgfältig ausgewählt werden (ältere Menschen weisen zudem häufig degenerative Muskeln auf). Außerdem können vor allem traumatische und chronische Verletzungen die Standhaftigkeit beeinflussen. Optische als auch akustische Reize wirken sich auf den Gleichgewichtssinn aus, so kann dieser durch verschiedene Sinnesrezeptoren wie zum Beispiel das Sehen vorausschauend korrigiert werden. Bei einer Untersuchung ist es den Probanden gelungen das Gleichgewicht ohne Problem zu halten, auch wenn der Boden unerwartet verändert wurde. Die Augen und die Sensomotorik (Bewegungsgefühl) sind somit primär hauptverantwortlich für die Balance (vgl. Winter, David A. 1995, S. 193-214).

Die Aktivität der Muskeln ist aufgaben-abhängig und sehr vielfältig, so dass durch die geringe Anzahl von Tests in diesem Gebiet noch kein genaues Urteil über das Balance Control System gefällt wurde. (vgl. Winter, David A., Aftab E. Patla, and James S. Frank. 1990, S. 31-51).

Bei einer Untersuchung, in der Stöße in unvorhersehbaren Abstanden auf Hüfte und Schulter von medialer und lateraler Seite durchgeführt wurden, entstanden drei Strategien, bei denen das Gewicht in die Richtung verlagert wird aus der der Kraftstoß wirkt: Ankle Strategy (Knöchel Strategie): Invertor Moment am einen und evertor Moment am anderen Knöchel den Körperschwerpunkt verlagern. Hierbei ist eine Verlagerung um die Hälfte der Fußbreite möglich (~ 2cm) Hip: Load/Unload Strategie: Abduktor und Adduktor Moment in der Hufte wirken dem Stoß entgegen und kann damit den Schwerpunkt auf das andere Bein verlagern. L3/L4: Load/Unload Strategy: Lateraler Flexion Moment an L3/L4 Stelle bewirkt eine Verlagerung des Oberkörpers wie bei den vorherigen Strategien auch. Der Schwerpunkt kann hierbei um die Hälfte der Körperbreite (stance width) nach außen verlagert werden. Die Load/Unload Strategien besitzen somit eine höhere Priorität als die Knöchel Strategie, welche wichtiger für das ausbalancieren von unerwarteten Veränderungen des Untergrundes besitzen. (Rietdyk, S., Patla, A. E., Winter, D. A., Ishac, M. G., & Little, C. E. 1999, S. 1149-1158).

Es entstehen kleine verspätete Reaktionen im neuronalen Bereich, welche durch Rezeptoren in der Nähe des Kraftstoßes ausgelöst werden. Somit kommt es zu einer verspäteten Reaktion in Knie, Hüfte und Knöchel.

verfasst von F.Hiemenz

Forschungsfrage

Welche Muskelreaktionen der ein- und zweigelenkigen Oberschenkelmuskulatur des Menschen wirken zur Erhaltung der Balance bei unerwarteten Krafteinflüssen Richtung anterior und posterior auf Schulterhöhe?

Hypothesen

1. Die zweigelenkigen Muskeln sind hauptverantwortlich für die Stabilisation des Körpers und der Wiedergewinnung der Balance nach dem unerwarteten Krafteinfluss auf Schulterhöhe.

2. Die eingelenkigen Muskeln sind hauptverantwortlich für die Stabilisation des Körpers und der Wiedergewinnung der Balance nach dem unerwarteten Krafteinfluss auf Schulterhöhe.

3. Es ist ein Zusammenspiel der eingelenkigen und zweigelenkigen Muskeln welches das Gleichgewicht nach einem unerwarteten Krafteinfluss auf Schulterhöhe der Person wiederherstellt.

verfasst von T.Krekeler, D.Kurz, S.Trittenbach, F.Hiemenz

Methoden

Um unserer Forschungsfrage nach zu gehen und sie dabei auf unsere Hypothesen zu überprüfen mussten die Kraft und Muskelaktivität gemessen werden. Dafür haben wir in unserem Versuchsaufbau eine Kraftmessplatte und EMG – Elektroden genutzt. Weiterhin wurde ein Motion Tracking System an dem Probanden angebracht, welches aber für unsere Forschungsfrage und Hypothesen irrelevant ist. Zu Beginn wurde mit den Probanden der von uns erstellte Ethikantrag durchgesprochen und die Probandeninformation von ihnen unterschrieben.

Die Probanden wurden an den Klebestellen der Klebeelektroden gesäubert und mit Alkohol desinfiziert. Am rechten Bein des Probanden wurden am Biceps Femoris, Rectus Femoris, Gluteus, Semitendinosus und am Vastus Medialis Elektroden angebracht. Am linken Bein wurden der Biceps Femoris, Rectus Femoris, Gastrocnemius Lateralis, Gastrocnemius Medialis, Gluteus, Soleus, Semitendinosus, Tibialis Anterior, Vastus Lateralis und der Vastus Medialis gemessen. Für die zu testenden Hypothesen sind allerdings nur die zweigelenkigen und eingelenkigen Muskeln der Oberschenkelmuskulatur zu betrachten. Also Biceps Femoris, Rectus Femoris, Gluteus, Semitendinosus, Vastus Medialis und Vastus Lateralis.

Während des Versuchs stellte sich der Proband auf eine Kraftmessplatte und in regelmäßigen Abständen wurden verschieden starke Störungen (10/20/30 Newton) auf Höhe der Schultern/Hals ausgelöst. Es wurden jeweils 3 Versuchsreihen mit einer Störung von posterior und anterior durchgeführt, so dass jede Versuchsreihe einen anderen Beinwinkel betrachtet, diese betrugen 145°, 155° und 180°. Jede der insgesamt 6 Versuchsreihen umfasste 6 Störungen und dauerte 100 Sekunden, dabei bestanden die 6 Störungen aus jeweils zwei mal 10/20/30 Newton in randomisierter Reihenfolge, damit Anpassungseffekt ausgeschlossen werden konnten. Eine Störung dauerte hier immer 10 Sekunden und zwischen den Störungen gab es eine Pause von 5 Sekunden. In den ersten 3 Sekunden der Störung wurde die gewollte Kraft kontinuierlich aufgebaut, dann gehalten, und 4 Sekunden vor Ende des Störungsblocks plötzlich gelöst.

verfasst von T.Krekeler


Auswertung der Daten

Da unser Versuch nur den Krafteinfluss auf Schulterhöhe beinhaltet, wurden zunächst die für unseren Versuch relevanten Datensätze herausgesucht und formatiert. Daraufhin wurden die absoluten Werte gebildet, so dass zur Analyse nur positive Werte in den Diagrammen dargestellt werden. Um die Datenmenge übersichtlicher zu gestalten werden jeweils fünf Einzelmessungen mithilfe des Mittelwerts zusammengefasst. So kann die Gegenüberstellung der Diagramme einheitlich und übersichtlich gestaltet werden. Da die Messung mit 2.000HZ über eine Zeitspanne von 100s aufgenommen wurde, ergeben sich 200.000 Einzeldaten. Durch die Veranschaulichung der Werte in den Diagrammen konnte der Zeitpunkt des Aktivierungspotenzials genauer herausgefiltert werden, so dass der für uns relevante Wertebereich zwischen 140.000-160.000 liegt. So erhalten wir zeitlich identische Wertediagramme und können das Aktivierungspotenzial der einzelnen Muskeln miteinander vergleichen.

verfasst von F.Hiemenz

Ergebnisse



SPI Diagramme

Im Folgenden sind die Messungen zweier Probanden dargestellt. Unterhalb der Graphen werden die Muskeln beider Probanden miteinander verglichen und ausgewertet.



Vastus Medialis: Durchgehend mittelmäßig aktiv, was man im späteren Vergleich zu den Eingelenkigen Muskeln sehen kann.

Semitendinosus: Der zweite, untere Proband, zeigt deutlich, dass der eingelenkige Semitendinosus nur Punktuell auf Störungen eingeht. \\Die Messwerte der beiden Graphen haben ein Maximum von 0,0002.
Dies sind klare Ausschläge die als Reaktion auf eine Störung zu verstehen sind.


Rectus Femoris: durchgehend geringe aktivität ohne Ausschläge in beiden Graphen

Biceps femoris: Wie der Rectus Femoris konstant im Bereich von 0,00002.

Auswertung SPI:
Die zweigelenkigen Muskeln Biceps- und Rectus Femoris reagieren nicht auf die Störung. Ihre Werte sind konstant niedrig.
Im Vergleich dazu reagieren die beiden Eingelenkigen. Besonders der Semitendinosus weist hohe Ausschläge vor, die darauf schließen, dass vorallem die Eingelenkigen Muskeln für die Balance gewinnung zuständig sind.



SAI Diagramme



Wie in den Graphen der SPI Messung haben wir auch hier wieder zwei Diagramme für zweigelenkige-, sowie zwei für eingelenkige Muskeln.

Biceps Femoris:
Der Graph weist keine Ausschläge vor und ist konstant unter 0,00002. Kein Aktivierungspotential vorhanden.

Rectus Femoris:
Ein Ausschlag bis etwa 0,00004. Restlicher Graph vergleichbar mit den Biceps Femoris konstant unter 0,00002

Semitendinosus:
Deutliche Ausschläge erkennbar. Gerade im Bereich der Störung gehen die Werte knapp unter 0,0001. Der Semitendinosus ist aktiv em Gleichgewichtsausgleich beteiligt

Vastus Medialis:
Werte des Muskels am linken Bein. Von der Skalierung der y-Achse ablesbar, dass diese Werte kleiner sind als die des Semitendinosus jedoch im Verlauf der Messung relativ hohe Werte im Vergleich zu den zweigelenkigen Muskeln.

Auswertung SAI:
Die Graphen der Messungen für die anteriore Störung ist eine Bestätigung für das Ergebnis der posterioren Störung.
Die Eingelenkigen Muskeln sind diejenigen Muskeln, welche punktuell die höchste Aktivität besitzten.
In diesen Graphen wird jedoch auch deutlich, dass der rectus femoris als zweigelenkiger Muskel auch einen Ausschlag besitzt
und somit auch diese Art von Muskeln für das Gleichgewicht zuständig sind.

verfasst von S.Trittenbach und D.Kurz

Ausblick/Mögliche Fehlerquellen

Nun ein kleiner Ausblick, was man an den Messungen verbessern kann um Fehler zu minimieren. Ebenso folgt ein Ausblick, wie man in diesem Bereich weitere Forschung betrieben werden kann

Da die Störungen von Helfern ausgelöst wurde, ist ein genaues Auslösen der Störung nicht festlegbar. So kann es sein, dass der Helfer die Störung eine halbe Sekunde früher oder später im Verlauf des Versuchs auslöst. Eine Lösung wäre eine Maschine, die so Programmiert ist, dass sie die Störung immer zum selben Moment ausführt. Dies erleichtert dann die Datenauswertung. Diese Maschine würde auch eine weitere Verbesserung mit sich bringen, denn sie kann exakt auf 10|20|30 Newton Spannung aufbauen. Dies kann ein Helfer nicht garantieren.

Für die weitere Forschung der Balance kann man die Unterschenkelmuskulatur auswerten. Bei der Auswertung ist aufgefallen, dass sich die EMG Daten eines Muskels zwischen links und rechts deutlich unterscheiden können.

verfasst von T.Krekeler, D.Kurz, S.Trittenbach, F.Hiemenz

Fazit / Eigener Standpunkt

Mit den vorangegangenen Analysen und Erklärungen wurde versucht, die Forschungsfrage zu beantworten:

„Welche Muskelreaktionen der ein- und zweigelenkigen Oberschenkelmuskulatur des Menschen wirken zur Erhaltung der Balance bei unerwarteten Krafteinflüssen Richtung anterior und posterior auf Schulterhöhe?“ bestmöglich zu beantworten.

Anhand der von uns erhobenen Daten, konnte festgestellt werden, dass hauptsächlich die eingelenkigen Muskeln (semitendonosus, vastus lateralis vastus medialis) der Oberschenkelmuskulatur auf Störungen im Schulterbereich, bei einem Gleichgewichtsverlust, reagieren. Demnach kann man die von uns überlegte zweite Hypothese bestätigen. Nach einigen Überlegungen wäre allerdings die Betrachtung der Unterschenkelmuskulatur des menschlichen Beines besser gewesen, da diese aktiver am Gleichgewichtsausgleich beteiligt ist. Somit wäre dies noch zu untersuchen und kann bei einer weiteren Auswertung der erhobenen Daten in Betracht gezogen werden.

Mögliche Fehlerquellen: Wie im Ausblick bereits kurz beschrieben, kann der Störungsmoment mit einer mechanischen Maschine besser koordiniert werden. Auch die Elektroden am Probanden waren nicht immer konstant an der Haut angeklebt und mussten oft nachgeklebt werden, ein klimatisierter Forschungsraum könnte dem entgegenwirken. Eine größere Anzahl an Probanden hätte dazu beigetragen, dass die Forschungsergebnisse repräsentativer gewesen wären.

verfasst von D.Kurz

Literatur

Rietdyk, S., Patla, A. E., Winter, D. A., Ishac, M. G., & Little, C. E. (1999). Balance recovery from medio-lateral perturbations of the upper body during standing. Journal of biomechanics, 32(11), 1149-1158.

Winter, D. A., Patla, A. E., & Frank, J. S. (1990). Assessment of balance control in humans. Med Prog Technol., 16(1-2), 31-51.

Winter, D. A. (1995). Human balance and posture control during standing and walking. gait & posture, 3(4), 193-214.

Diagramme sind selbständig erstellt worden.

fm/ps_fometh2/ss2014/balance_exp3a.txt · Zuletzt geändert: 18.12.2014 11:06 von Dario Tokur
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