In diesem Beitrag untersuchen wir, wie unterschiedliche axiale Lasten auf den beidbeinigen Stand einwirken und wie sich die Beinmuskulatur auf die veränderten Bedingungen anpasst. Insbesondere sollen dabei die Unterschiede zwischen eingelenkigen und zweigelenkigen Muskeln zur Beibehaltung des Gleichgewichts herausgestellt werden. Das notwendige Hintergrundwissen über Aufbau, Struktur und Funktionsweiße der Muskulatur können unter Muskel-Skelett, Bau und Funktion nachgelesen werden. Wir untersuchen also wie die Beinmuskulatur auf Veränderungen von axialen Lasten reagiert. Hintergrund dieses Beitrags ist es, in Verbindung mit den anderen in diesem Seminar veröffentlichen Beiträgen, die Frage zu klären, welche Bedeutung und Funktion zweigelenkige Muskeln im Vergleich zu eingelenkigen Muskeln bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Körpers haben. In unserem Beitrag geht es speziell darum, wie der aufrechte Stand (Kniewinkel 180°) bei Variation der axialen Last beibehalten werden kann und welche Muskeln (eingelenkig oder zweigelenkig) dies vorrangig bedingen.

verfasst von J. Hankele, S. Burkard, F. Burmeister und C. Sachs

Zum aktuellen Stand der Forschung lässt sich sagen, dass wir bei der Literaturrecherche auf eine Vielzahl von Paper gestoßen sind, welche sich mit den Auswirkungen der Erhöhung der axialen Last auf den beidbeinigen Stand beschäftigen. Dabei bleibt bei allen Paper Quintessenz, dass trotz der unterschiedlichen experimentellen Variablen und Forschungskontexte, dass die Erhöhung der axialen Last unabhängig von Alter und Geschlecht die Körperhaltung negativ beeinflusst (Grimmer, Dansie, Milanese, Pirunsan, Trott, 2002, S. 10). Weiter lässt sich festhalten, dass je höher die axiale Last ist, desto schwerer und anstrengender wird es das Gleichgewicht im beidbeinigen und aufrechten Stand beizubehalten (Chow et al., 2006, S. 173ff). Die Literaturrecherche war Grundlage unserer Hypothesenbildung.

verfasst von J. Hankele

Wie wird die Beinmuskulatur im beidbeinigen Stand, durch eine Erhöhung der axialen Last beeinflusst? Wir stellen uns also die Frage, wie die Beinmuskulatur reagiert, wenn man das Gewicht senkrecht auf den Oberkörper erhöht.

verfasst von J. Hankele

Aufgrund des aktuellen Stands der Forschung haben wir folgende Hypothesen aufgestellt:

• H0-Hypothese: Wir vermuten, dass es durch eine Erhöhung der axialen Last schwerer wird, das Gleichgewicht zu halten. Die Vermutung liegt nahe, dass der zweigelenkige Oberschenkelmuskel, rectus femoris, bei der Erhöhung der axialen Last, verstärkt belastet wird. Schließlich ist der rectus femoris unter anderem dafür zuständig, das Bein zu strecken.

• H1-Hypothese: Andererseits könnte es auch sein, dass lediglich der eingelenkige Oberschenkelmuskel, der Vastus, verstärkt beansprucht wird, da dieser speziell für die Streckung des Bein-Skelettes verantwortlich ist.

verfasst von J. Hankele

Unsere Erwartungen in Bezug auf die Hypothesen, sind nicht eindeutig. Es lässt sich schwer voraussagen, welche bzw. ob eine Hypothese zutreffen wird. Fakt ist, dass wir durch die Messmethode des EMGs, sicherlich einen guten Einblick darin erhalten werden, welche Muskelgruppe verstärkt auf die Gewichtsbelastung reagiert. Aus den Messungen, wollen wir dann die nötigen Schlüsse ziehen, um auf ein eindeutiges Ergebnis zu kommen.

verfasst von S. Burkard

Um die unterschiedlichen Muskelaktivitäten und Kräfte zu messen, die für die Beantwortung unserer Forschungsfrage notwendig sind, haben wir eine Kraftmessplatte, EMG-Elektroden und das Motion Tracking verwendet. Bevor die Probanden vorbereitet wurden, bekamen sie einen von uns ausgearbeiteten Ethikantrag der unterschrieben werden musste. Die Probanden wurden dann vorbereitet und an folgenden Muskeln des rechten Beins Elektroden platziert: Biceps Femoris, Gluteus, Rectus Femoris, Semitendinosus und Vastus Medialis. Am linken Bein wurden folgende Muskeln gemessen Biceps Femoris, Gastrocnemius Lateralis, Gastrocnemius Medialis, Gluteus, Rectus Femoris, Soleus, Semitendinosus, Tibialis Anterior, Vastus Lateralis und Vastus Medialis. Die bei dem Versuch wirkenden Kräfte wurden mit einer Kraftmessplatte aufgezeichnet. Während des Versuchs wurden dann die axialen Störungen von 10kg, 20kg und 30kg eingebracht, indem der Proband die unterschiedlichen Lasten in Tüten an beiden Seiten in der Hand hielt. Der Proband sollte während des Versuchs drei verschiedene Beinwinkel einnehemen, diese waren 145°, 155° und 180°. Insgesamt wurde jede Störung und jeder Kniewinkel zweimal wiederholt. Allerdings in randomisierter Reihenfolge um Anpassungseffekte zu vermeiden. Ein Versuch bestand also aus den insgesamt sechs Störungen. Wobei die Störung immer innerhalb von insgesamt sechs 10 Sekunden Blöcken eingebracht wurde. Um die unterschiedlichen Muskelaktivitäten innerhalb des 10 Sekunden Blocks differenzieren zu können wurde der Block wie folgt aufgeteilt: Die ersten 4 Sekunden musste der Proband keine Last halten. Dann wurde die Störung, in Form der unterschiedlichen Lasten, für 3 Sekunden eingebracht, bevor die letzten 3 Sekunden wieder ohne eine Intervention durch eine Last erfolgten. Alle Blöcke wurden ohne Pause direkt hintereinander ausgeführt. Während der gesamten Versuchsdauer haben wir das EMG-Signal und die Daten der Kraftmessplatte und des Motion Tracking aufgezeichnet.

verfasst von C. Sachs

Im Folgendem Abschnitt stellen wir unsere Messwerte dar. Um eine graphisch qualitativ hochwertige Darstellung zu gewährleisten und das Rauschen des EMG-Signals zu minimieren, haben wir den Absolutbetrag der EMG-Daten ermittelt. Weiter haben wir, durch die Berechnung des Gleitenden Mittelwertes mit jeweils 15 Nachbarn oben und unten, die EMG-Verlaufskurven geglättet, um ein möglichst differenziertes und detailliertes Bild über den Verlauf der Muskelaktivität zu erhalten. In den Diagrammen ist jeweils das EMG-Signal über die Zeit aufgetragen. Für jeden der für unseren Versuch relevanten Muskeln, haben wir für jede Störung ein eigenes Diagramm angelegt. Um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten und um eine Aussage über die Muskelaktivität eines Muskels bei verschieden Lasten treffen zu können, haben wir die Diagramme der drei Störungen für einen Muskel, nebeneinander gelegt.

verfasst von F. Burmeister

Abb. 13 Kräfte, Störungen

Abb. 14 Rectus femoris links

Abb. 15 Rectus femoris rechts

Abb. 16 Vastus lateralis links

Abb. 17 Vastus medialis links

Abb. 18 Vastus medialis rechts

verfasst von F. Burmeister

Um eine valide Antwort auf unsere Forschungsfrage zu erhalten, haben wir den oben beschriebenen Versuch mit drei Probanden durchgeführt. Wie unter dem Punkt Ergebnissen zu erkennen, weißen alle Probanden ähnliche EMG-Muskelaktivitätsverläufe für die unterschiedlichen Störungen auf. Durch diese Gegebenheit kann eine valide und verallgemeinerbare Aussage bezüglich unserer Fragestellung und unseren Hypothesen getroffen werden. Wie bei allen Probanden zu erkennen, unterscheiden sich Rectus Femoris und Vastus Medialis in ihrem Grad der Anspannung und Innervation, bis auf ein Rauschen, bei den verschiedenen axialen Lasten (Störungen) nicht. Also lässt sich darauf schließen, dass Rectus Femoris und Vastus Medialis bei Interventionen durch axiale Lasten nicht innerviert werden. Damit sind sie nicht daran beteiligt, den aufrechten Stand bei Beibehaltung eines bestimmten Kniewinkels zu gewährleisten. Allerdings ist zu konstatieren, dass der Vastus Lateralis je höher die axiale Last ist, einen signifikant höheren Grad der Anspannung aufweist, wie aus den EMG-Muskelaktivitätsverläufen abzuleiten ist. Also wird der Vastus Lateralis durch die Störungen beeinflusst. Damit ist er ausschlaggebend und verantwortlich dafür, dass der aufrechte Stand bei einem bestimmten Kniewinkel trotz der Erhöhung der axialen Last beibehalten werden kann. Im Hinblick auf unseren Forschungsgegenstand, wie die Beinmuskulatur im beidbeinigen Stand durch eine Erhöhung der axialen Last beeinflusst wird, lässt sich also sagen, dass vorwiegend der Vastus Lateralis innerviert wird, also der eingelenkige Kniestrecker dafür verantwortlich ist, dass der aufrechte Stand trotz der Erhöhung der axialen Last bei einem bestimmten Kniewinkel beibehalten werden kann. Damit ist die Antwort auf unserer Forschungsfrage durch unsere zweite Hypothese gegeben, auch Alternativ-Hypothese genannt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass wir die H0-Hypothese ablehnen und die H1-Hypothese annehmen.

verfasst von C. Sachs

Im Großen und Ganzen empfanden wir das Projekt als sehr gelungen und auch interessant. Allerdings fanden wir, dass die Zeitplanung für die Testdurchführung etwas besser organisiert werden sollte und zusätzlich hätten wir uns eine allgemeine Hilfestellung zur Auswertung der Messergebnisse gewünscht (z.B. Tutorials).

Um unsere Ergebnisse zu validieren wären noch weitere Untersuchungen notwendig. Weiter ergeben sich aus unseren Forschungsergebnissen interessante weiterführende Fragestellungen:

• Spezifische ein- oder zweigelenkige Muskeln auswerten, welche für ein Sportart-spezifisches Belastungsphänomen auslösend sein könnten, um die Beanspruchung der Balance weiterführend zu ermitteln.
  

• Oder Muskeln der oberen Extremitäten, Bsp. bei Belastungen in der Schräglage (siehe Biathlon im nächsten Punkt) auszuwerten. Konkrete Untersuchungen könnten sein:

1. Belastungsparameter im einbeinigen Stand ohne Last, mit geringfügigen Störfaktor.
2. Belastungsparameter in der Neigung und Steigung im beidbeinigen Stand (Bspw. Biathlet) – bei bestimmten Kniewinkel um die Beanspruchung des Bergauffahrens zu untersuchen.
3. Arme seitlich abgespreizt oder nach vorne ausgestreckt (Bspw. Volleyballspieler/in): Simulation Kniebeuger in verschiedenen Winkeln bei der Aufschlagannahme.

verfasst von S. Burkard

• Chow, D. H., Kwok, M. L., Cheng, J. C., Lao, M. L., Holmes, A. D., Au-Yang, A., Yao, F. Y. & Wong, M. S. (2006). The effect of backpack weight on the standing posture and balance of schoolgirls with adolescent idiopathic scoliosis and normal controls. Gait & posture, 24(2), 173-181.

• Grimmer, K., Dansie, B., Milanese, S., Pirunsan, U. & Trott, P. (2002). Adolescent standing postural response to backpack loads: a randomised controlled experimental study. BMC Musculoskeletal Disorders, 3(1), 10.

• Loram, I. D., Maganaris, C. N., & Lakie, M. (2004). Paradoxical muscle movement in human standing. The Journal of physiology, 556(3), 683-689.

• Moore, S. P., Rushmer, D. S., Windus, S. L. & Nashner, L. M. (1988). Human automatic postural responses: responses to horizontal perturbations of stance in multiple directions. Experimental brain research, 73(3), 648-658.

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