Gruppe 5

Thema Schrittlänge und Schrittlängenvariabilität beim Gehen
Veranstaltung PS - Forschungsmethoden II
Autor Simon Albrecht, Samuel Barth, Leon Fickinger, Viktor Stockum
Bearbeitungsdauer 30-40 min
Präsentationstermin 13.07.2016
Zuletzt geändert 15.08.2016


Einleitung

Das folgende Wiki-Modul behandelt die Frage, wie sich die Schrittlänge und die Schrittlängenvariabilität bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten verhält, beziehungsweise verändert. So setzten sich unsere Forschungshypothesen unter Berücksichtigung dieser Aspekte folgendermaßen zusammen.

1.1 Forschungshypothesen

H1: Die Schrittlänge nimmt bei Geschwindigkeitserhöhung bis zu einer gewissen Länge zu.

H2: Die Schrittlängenvariabilität nimmt bei höherer Geschwindigkeit ab.

Die H0-Hypothese ist jeweils die Verneinung der Hypothesen.

Die Entfernung der Füße bei den gemessenen Geschwindigkeiten 25%, 50%, 75%, 100% und 125% der PTS liefert Daten, die in den nächsten Abschnitten erklärt und mit anderen wissenschaftlichen Arbeiten verglichen werden.

Dabei werden zwei Probanden, welche ähnliche Grundvoraussetzungen haben, bei gleichen Bedingungen getestet. Die gewählte Fortbewegungsart ist Gehen und sollte nicht gewechselt werden. Um die biomechanischen Merkmale des Gehens in Erinnerung zu rufen, kann unter folgendem Link ein Exkurs zum Gehen finden: http://wiki.ifs-tud.de/biomechanik/projekte/ss2013/gangarten .

Nicht zu vergessen ist, dass diese Forschung keine wissenschaftliche Arbeit darstellt, sondern lediglich dazu dient, um den Prozess beim Erstellen einer wissenschaftlichen Arbeit kennenzulernen.



Einführendes Beispiel

Stellen Sie sich vor, Sie gehen zum Bus, weil Sie in die Uni fahren müssen. Zunächst gehen Sie ganz gemütlich, bis Sie merken, dass Sie etwas spät dran sind. Also beschleunigen Sie ihr Gehtempo, Sie laufen auf die Bushaltestelle zu und sehen den Bus kommen und gehen noch mal schneller. Der Bus steht nun schon an der Haltestelle und Sie müssen anfangen zu laufen, um ihn noch zu bekommen. Sie sind also immer schneller geworden, bis Sie anfangen mussten zu laufen. Unbewusst haben Sie dabei die Schrittlänge und die Schrittlängenvariabilität verändert. Aufgrund dieser Tatsache ist dieses Wiki-Projekt aufgebaut.

verfasst von Leon Fickinger



Forschungsmethoden/Experiment

Zu Beginn müssen wir sagen, dass wir uns nicht auf die Datenerhebung konzentriert haben, da ein Datensatz vorgegeben war. Unser Hauptaugenmerk lag fast ausschließlich auf dessen Auswertung und Deutung.

In dem Datensatz sind zwei Personen bei verschiedenen Geschwindigkeiten (25%,50%,75%,100% und 125% der PTS) auf einem Laufband gegangen. Die Personen hatten diverse Positionsmarker an verschiedenen Körperpunkten. Außerdem wurden die Bodenreaktionskräfte während des Gehens gemessen.

Da wir uns auf die Schrittlängen und Schrittlängenvariabilität konzentrieren, haben wir alle anderen unnötigen Variablen entfernt. Aus den Daten der Bodenreaktionskräfte war es uns möglich die Positionen der Fersen bei Touchdown des führenden Beins herauszufinden. Dadurch konnten wir die Schrittlängen für 50 Schritte bei jeder Geschwindigkeit bestimmen. Anschließend haben wir den Mittelwert und die (relative) Standardabweichung bestimmt, um die Schrittlängenvariabilität bei den verschiedenen Geschwindigkeiten deuten zu können.

Zur Veranschaulichung und für besseres Verstehen/Vorstellen der Ergebnisse haben wir zuletzt einen Boxplot erstellt.

Preferred Transition Speed (PTS)

Die “Preferred Transition Speed” (PTS) beschreibt die Geschwindigkeit, bei der ein Organismus von einer Laufart zu einer anderen wechselt. Bei uns Menschen ist dies die Geschwindigkeit bei der wir vom Gehen zum Laufen wechseln. Dieser Wechsel der Gangart geschieht automatisch und liegt bei etwa 2,0 m/s, variiert aber je nach körperlichen Voraussetzungen.

verfasst von Simon Albrecht

Ergebnisse

Zuerst müssen wir darauf hinweisen, dass es sich bei unserem Datensatz nur um zwei Probanden handelt und es sich daher um keine repräsentative Stichprobe handelt. Wir billden keinen Mittelwert aus den Ergebnissen der beiden Versuchspersonen, um auf eine Grundgesamtheit zu schließen. Wir vergleichen die Ergebnisse der unterschiedlichen Geschwindigkeiten intrapersonal.

Boxplot

Der unterhalb dargestellte Boxplot besteht aus einer blauen Box, dem roten Median und zwei schwarzen Antennen. Der rote Median beschreibt, dass 50% der Werte drauf oder unterhalb liegen. Das obere Quartil wird durch den Median und den oberen Bereich der Box abgegrenzt und umfasst 50-75% der Werte. Analog dazu das untere Quartil mit 25-50% der Werte. Die Antennen können maximal das 1,5-fache der Box erreichen und markieren das Minimum bzw. Maximum der Datenreihe. Falls Werte außerhalb dieses Bereiches liegen, werden diese als Ausreißer in Form eines roten Kreuzes dargestellt.

Proband I

Abb.1: Boxplot der mittleren Schrittlänge des P1 bei vers. Geschwindigkeiten

Unser erster Proband (P1) ist 22 Jahre alt, 183 cm groß, sein Gewicht beträgt 772 N und seine PTS beträgt 1,9 m/s. Abbildung 1 zeigt einen Boxplot der Schrittlängen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten von P1. Der Median der Schrittlänge nimmt nahezu linear bei steigender Geschwindigtkeit zu. Bei langsamer Gehgeschwindigkeit sind noch einige Ausreißer vorhanden, die bei höheren Tempi nicht mehr auftreten. Die Antennen werden zunehmend kleiner, außer bei 125% der PTS, welche indirekt mit der rel. Standardabweichung zusammenhängen und eine Aussage zur Strittlängenvariabilität zulassen.
In untenstehenden Tab. 1 sind die Werte der relativen Standardabweichung, welche die Strittlängenvariabilität beschreibt, abzulesen. Die Schritte des ersten Probanden werden mit zunehmder Geschwindigkeit in der Länge regelmäßer. Bei 125% findet ein Bruch mit diesem Muster statt und die rel. Standardabweichung steigt sprunghaft wieder an bzw. die Variabilität nimmt wieder zu.
Die Schritte des linken Beines sind bei P1 zu Beginn einige Zentimenter länger als die des rechten Beines. Bei steigender Geschwindigkeit nimmt diese Asymmetrie ab und die Schrittlänge der Beine gleicht sich zunehmende an (vgl. Tab.1).








Proband II

Abb.2: Boxplot der mittleren Schrittlänge des P2 bei versch. Geschwindigkeiten

Der zweite Proband ist 27 Jahre alt, 172 cm groß, sein Gewicht beträgt 727 N und seine PTS beträgt 1,867 m/s. Wir können an Hand des Boxplotes erkennen, dass die mittlere Schrittlänge in den ersten vier Geschwindigkeiten linear zunimmt. Ausreißer treten bei allen Tempi, außer bei 50% der PTS auf. Mit blosem Auge lässt sich kaum ein Unterschied bei den Antennen feststellen, allenfalls bei höchster Gehgeschwindigkeit werden die Antennen wesentlich länger.
Die Schrittlängenvariabilität nimmter hier auch bei steigender Geschwindigkeit ab, wobei diese wieder bei maximalem Tempo spunghaft ansteigt (vgl. Tab.1).
Wie auch bei P1 liegt eine Asymmetrie der Schrittlänge vor, in diesem Fall sind die Schritte des rechten Beines länger als die des Linken. Die Länge gleicht sich im Verlauf des Experimentes nicht an.













Tabelle der Ergebnisse

Die folgende Tabelle stellt übersichtilich die Werte des Exprimentes der zwei Versuchspersonen dar. Da die Messerte des Datensatzes die vierte Nachkommastelle des Meters enthalten, werden alle Werte auf diese signifikante Stelle gerundet.

Tabelle 1: Übersicht der Ergebnisse
Proband I Proband II
PTS [%] 25 50 75 100 125 25 50 75 100 125
Median Schrittlänge [cm] 37,97 51,34 62,05 67,85 74,75 35,4447,1559,0768,4672,40
Median Schrittlänge des linken Beines [cm] 39,07 53,43 64,35 67,60 72,47 34,5446,4155,6566,6466,42
Median Schrittlänge des rechten Beines [cm] 36,87 51,73 61,70 67,39 72,59 36,9447,2059,1068,4072,68
Standardabweichung der Schrittlänge [cm] 2,93 2,27 1,34 1,28 2,97 2,241,541,491,414,15
rel. Standardabweichung der Schrittlänge [%] 7,71 4,43 2,15 1,88 3,97 6,323,272,522,065,73

verfasst von Viktor Stockum

Diskussion

Bei der Erhöhung der Geschwindigkeiten hat sich jeweils die Schrittlänge und die Schrittfrequenz erhöht. Wir gehen davon aus das dies ökonomische Gründe hat. Zu dieser Schlussfolgerung kam auch eine Forschungsarbeit aus dem Jahre 1953: “Schrittfrequenz und Schrittlänge stellen sich beim natürlichen Gang so aufeinander ein, dass der Energieaufwand ein Minimum wird” (Scholz, 1953, S. 222).

Die Schrittlängenvariabilität nimmt immer mehr ab, desto näher man an die 100% der PTS gelangt. Wir vermuten, dass das mit den mechanischen Gegebenheiten des menschlichen Beines zusammen hängt. Da beim Geheen mit der Geschwindigkeit, 100% der PTS, die Gelenke nah an ihr individuelles Maximum der Beweglichkeit gelangen müssen, ist eine große Schrittlängenvariabilität mechanisch nicht mehr möglich. Bei geringeren Geschwindigkeiten gibt es mehr Spielraum für Variationen, da der Gelenkwinkel nicht ausgereizt wird. Bei höheren Geschwindigkeiten als 100% des PTS ist die Schrittlängenvariabilität wieder gestiegen, da die Person vom Gehen zum Laufen übergehen möchte, aber nicht die Gangart wechselt und im Gehen bleibt. Ein Vorschlag einer wissenschaftlichen Arbeit aus dem Jahr 2003:

“We would like to propose a biomechanical explanation based on the movements of the joints. In order to make larger steps, angular motion at the knee, hip and ankle, has to be increased [27]. As the joints get closer from their full flexion or extension position, antagonist muscles becomes more and more stretched, and there starts to be little room for overshoot. The passive resistance created by the antagonist muscles, and the limited range of the joints can certainly help to erase some of the irregularities of the stride. At this stage, this explanation is just a proposition, and other studies are encouraged to offer alternative explanations” (Danion, Varraine, Bonnard, Pailhous, 2003, S. 76).

Die Autoren stellen klar, dass es sich um eine Behauptung handelt und dass Sie weitere Forschungsarbeiten zu diesem Themengebiet anstoßen möchten, um alternative Erklärungen zu finden.

Eine Forschungsarbeit aus Japan hat ergeben das die Schrittlängenvariabilität am geringsten ist, wenn man mit seiner individuellen Geschwindigkeit, Schrittlänge und Schrittfrequenz läuft. Dieses Ergebnis können wir weder bestätigen noch Differenzen dazu feststellen, da unsere auszuwertenden Daten dies bezüglich keine Informationen enthalten. “The present study found that the variability in step length was minimum at a preferred walking speed and also at free walking with the invariant ratio of step length divided by step rate (walk ratio)” (Sekiya, Nagasaki, Ito, Furuna, 1997, S. 272).

verfasst von Samuel Barth

Zusammenfassung und Ausblick

In unserem Wiki-Modul haben wir euch einen kleinen Einblick zur Schrittlänge und Schrittlängenvariabilität gegeben und wie diese zusammenhängen. Wir haben versucht das Thema mit einem Beispiel aus dem Alltag zu verbinden, da viele Prozesse unbewusst ablaufen und der Gehende sich nicht bewusst mit der Situation auseinandersetzt. Wir können festhalten, dass die Schrittlänge mit steigender Geschwindigkeit zunimmt und die Schrittlängenvariabilität bis zu einem gewissen Punkt sinkt, danach aber wieder ansteigt. Eine Antwort können wir darauf nicht geben, da es unsere Daten nicht zulassen und unsere Expertise auf diesem Themengebiet nicht annähernd ausreicht.

Themenvorschläge für Folge-Wikis

  1. Schrittlängenasymmetrie und Schrittlängenvariabilität des linken bzw. rechten Beines
  2. Schrittlänge und Schrittlängenvariabilität beim Gehen ober-/unterhalb der PTS
  3. Schrittlänge und Schrittlängenvariabilität beim Laufen

verfasst von Viktor Stockum

Eigener Standpunkt

Einen praktischen Nutzen können wir nicht aus unserem Forschungsprojekt ziehen, da wir nur grundsätzliche Zusammenhänge untersuchen bzw. wie sich ein Parameter in Abhängigkeit eines Anderen verhält. Wir können deshalb nicht einen Parameter interpretieren und Rückschlüsse auf die Qualität bzw. Stabilität des Gehens ziehen. Das Versuchsdesign bzw. Probandenwahl lassen dies garnicht zu.

Viele Fragen werden nicht zufriedenstellend beantwortet - „Warum wird die Schrittlängenvariabilität kleiner?“ oder „Lässt die Schrittlängenvariabilität eine Aussage zur Gangstabilität zu?“. Um diese Fragen zu beantworten müssen weitere Forschungsarbeiten mit spezifischem Desing und Fragestellung folgen.

verfasst von Viktor Stockum

Fragen

1. Was beschreibt die PTS?
2. Wie verhält sich die Schrittlänge bei steigender Gehgeschwindigkeit?
3. Was geschieht mit der Schrittlängenvariabilität beim Gehen?

Literatur

Danion, F. Varraine, E. Bonnard, M. Pailhous, J. (2003). Stride variability in human gait: the effect of stride frequency and stride length. Heidelberg: Gait & Posture.

Scholz, G. (1953). Die Beziehung zwischen Schrittlänge und Schrittzahl beim natürlichen Gang. European Journal of Applied Physiology, 15, 211-­222.

Sekiya, N. Nagasaki, H. Ito, H. Furuna, T. (1997). Optimal Walking in Terms of Variability in Step Length. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, 26 (5), 266-­272.



fm/ps_fometh2/ss2016/fmp1604.txt · Zuletzt geändert: 13.10.2016 18:21 von Viktor Stockum
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