Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

1  Einleitung.  1

2  Stand der Forschung  4

2.1  Bewegungsstruktur des Laufens.  4

2.1.1  Schrittstruktur und Körperwinkel.  6

2.2  Muskelaktivität beim Laufen.  7

2.2.2  Muskelaktivität in den Bewegungsphasen  8

2.2.3  Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus.  10

2.2.4  Die Abrollbewegung  11

2.3  Qualitätsmerkmale der Lauftechnik.  14

2.3.1  Ökonomie der Laufbewegung.  14

2.3.2  Effizienz der Lauftechnik  18

2.3.3  Gesundheitsorientierte Lauftechnik.  19

2.4  Laufverletzungen und Lauftechnik  20

2.5  Ermüdung  22

2.5.1  Sportspezifische Definitionsansätze der Ermüdung  22

2.5.2  Komplexität des Ermüdungsphänomens.  24

2.5.3  Ermüdung und Erschöpfung.  25

2.5.4  Zentrale Ermüdung.  26

2.5.5  Periphere Ermüdung  27

2.5.6  Kompensation von Ermüdung  29

2.5.7  Ermüdung durch Radergometrie  30

2.6  Laufen bei Ermüdung  31

2.6.1  Einfluss der Ermüdung auf die Muskelaktivität  31

2.6.2  Einfluss der Ermüdung auf kinematische Parameter der Laufbewegung  33

I

Inhaltsverzeichnis

2.6.3  Trainierte versus untrainierte Läufer  36

2.6.4  Rad-Lauf-Kopplung.  37

3  Fragestellung.  41

4  Methodik  45

4.1  Versuchsaufbau  45

4.1.1  Bewegungsanalyseverfahren  45

4.1.2  Laufband versus fester Untergrund.  46

4.1.3  Aufnahmetechnik und Rahmenbedingungen.  47

4.2  Versuchsdurchführung  48

4.2.1  Probanden  48

4.2.2  Anbringen der Marker  49

4.2.3  Ablauf des Versuchs  51

4.3  Auswertung  53

4.3.1  Merkmalsstichproben  54

4.3.2  Statistische Auswertung.  56

5  Ergebnisse  57

5.1  Signifikante Unterschiede  59

5.2  Nicht-signifikante Tendenzen  61

5.3  Leichtathleten versus Triathleten.  63

6  Diskussion  65

6.1  Ergebnisdiskussion  65

6.1.1  Belastungs-Beanspruchungs-Problematik  66

6.1.2  Ökonomie der Laufbewegung.  68

6.1.3  Rad-Lauf-Kopplung.  71

II

Inhaltsverzeichnis

6.2  Methodendiskussion.  72

7  Schlussfolgerung  74

8  Zusammenfassung.  75

9  Literatur  76

10  Anhang.  88

III

1 Einleitung

Die biomechanische Analyse von Lokomotionsbewegungen hat eine lange Tradition. Bereits Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) koppelte seine Interessen in Mathematik, Mechanik, Physiologie und Zoologie und verfasste eine Abhandlung zur Bewegung der Tiere. Er entwickelte ein erstes Verständnis des Gangs und beschrieb bereits die Funktion von Muskeln und Knochen für die Bewegung. Erstaunlicherweise erklärte er schon damals die Entstehung von Bodenreaktionskräften („...For just as the pusher pushes, so the pusher is pushed …“ ¹ ). Nach dem wissenschaftlich auf diesem Gebiet wenig fortschrittlichen Mittelalter wurde das Interesse am Verständnis von Natur und Bewegung in der wissenschaftlichen Revolution des 17. Jahrhunderts wieder aufgegriffen. So untersuchte Galileo neben anderen auch biomechanische Themen wie „Der Sprung des Menschen“, „Der Gang von Pferden und Insekten“, aber auch „Die Form, die Struktur und die Festigkeit biologischer Materialien“. Die Anpassung biologischer Strukturen an verschiedene mechanische Belastungen in Form und Struktur werden prinzipiell bereits in dieser Zeit erkannt. ² Diese Erweiterung biomechanischer Fragestellungen ist heute zentraler Problemgegenstand biomechanischer Forschung: Welche Effekte haben Kräfte, die an und in biologischen Strukturen wirken? Effekte können dabei die Bewegung der Körperteile, aber auch die biologische Reaktion in Form von Zerstörung oder Materialanpassung sein. Diese Thematik ist aktuell wissenschaftlich und gesundheitspolitisch hoch relevant. Dabei ist die Analyse der Belastung und letztlich der Beanspruchung biologischer Strukturen sowie der Antwort dieser Strukturen auf die einwirkenden Kräfte eine zentrale Aufgabe der biomechanischen Forschung.

Ein Aspekt dieser Herausforderungen für die biomechanische Forschung, der insbesondere in gesundheitlicher Hinsicht besondere Bedeutung hat, ist die genauere Analyse von Ermüdungsprozessen und deren Einfluss auf die Belastung beziehungsweise (bzw.) Beanspruchung biologischer Strukturen wie dem Sehnen-Muskel-Komplex und den passiven Strukturen des Bewegungsapparates. Immer wieder zeigen Statistiken, dass -insbesondere in Spielsportarten- die Mehrzahl auftretender Verletzungen der unteren Extremitäten ohne gegnerische

¹ CAVANAGH 1990, S. 5

² Vergleiche (Vgl.) BRÜGGEMANN, G.-P. 2003

1

Fremdeinwirkung und vermehrt gegen Ende der Belastung bzw. des Spiels geschehen. ³ Dieses Phänomen lässt vermuten, dass nicht eine externe Krafteinwirkung, sondern vielmehr eine defizitäre Ansteuerung der

gelenkstabilisierenden Muskulatur zu einer Überlastung und letztlich zu einer Verletzung führt. Eine Ursache dafür wird in der muskulären Ermüdung der Sportler vermutet.

Ähnliches gilt auch für Verletzungen bzw. Beschwerden im Laufsport, der sich als Ausdauersport seit den 80er Jahren (Läufer-Boom) zunehmend auch in Mitteleuropa großer Beliebtheit erfreut, wie steigende Teilnehmerzahlen großer Marathonläufe belegen. ⁴ Auf die Volksgesundheit generell gesehen hat dies sicher überwiegend positiven Einfluss. Dennoch geht damit auch eine große Zahl an akuten Verletzungen und chronischen Schäden einher. Je nach Studie verletzen sich zwischen 27 und 70% der Läufer in einem Zeitraum von einem Jahr. ⁵ Ist die Ursache bei akuten Laufverletzungen meist relativ schnell eingrenzbar, so ist die Suche nach den Gründen laufbedingter Sportschäden schon deutlich schwieriger. Hier wird neben Einflussgrößen wie Trainingsvariablen (Umfang, Gelände, u.a.) oder anatomischen Bedingungen, wie Fußdeformitäten, auch der Einfluss

ermüdungsbedingter Veränderungen des Laufbildes diskutiert. Die vorliegende Studie wird diese Veränderungen anhand kinematischer Kenngrößen der Laufbewegung analysieren. Dazu werden Laufbewegungen vor und nach einer ermüdenden Radergometer - Belastung miteinander verglichen. Um einen Aspekt zu beleuchten, der in der bisherigen Forschung noch wenig Berücksichtigung fand, ist das Untersuchungsdesign auf den Vergleich zweier Probandenkollektive mit unterschiedlicher Lauferfahrung ausgerichtet. Die dahinter stehende Frage ist, ob Läufer mit profunder Lauferfahrung eher in der Lage sind, Ermüdungsprozesse hinsichtlich der Bewegungsausführung zu kompensieren als unerfahrene Läufer, bzw. umgekehrt, ob sich die Laufbewegung untrainierter Läufer bei gegebener Ermüdung stärker verändert als bei trainierten Läufern. Ermüdungsbedingte Veränderungen der Laufbewegung sind über die Gesundheitsproblematik hinaus unter dem Aspekt der Laufökonomie für die Laufleistung relevant. So zeigt sich während des Laufens bei Ermüdung ein im

³ Vgl. HAWKINS et al. 2001

⁴ In Deutschland wird die Zahl der Läufer mittlerweile auf über 10 Millionen geschätzt (vgl. ENGELHARDT 2008)

⁵ Vgl. CAVANAGH 1980; CLEMENT 1981; JACOBS 1986; NIGG 1986 b

2

Vergleich zu einem Kontrolllauf erhöhter Energieverbrauch. Dies gilt im Besonderen für die Laufbewegung nach einer Radbelastung, wie sie beispielsweise im Duathlon oder Triathlon vorkommt. Die Analyse ermüdungsbedingter Veränderungen des Laufbildes kann einen Beitrag zur Klärung der Frage leisten, inwieweit kinematische Veränderungen im Bewegungsablauf zu einem erhöhten Energieverbrauch beitragen können.

Um gemessene kinematische Parameter der Laufbewegung als Effekt von an biologischen Strukturen wirkenden Kräften zu verstehen, wird der Bewegungszyklus der Laufbewegung in Kap. 2 zunächst strukturell und funktionell-anatomisch beschrieben. In der Folge wird die Laufbewegung unter bewegungsökonomischen Aspekten betrachtet und hinsichtlich der Entstehung von Laufverletzungen undbeschwerden erörtert. Im Weiteren rückt das Phänomen „Ermüdung“ und dessen Einfluss auf die Laufbewegung stärker in den Mittelpunkt. Ausgehend von Ergebnissen bisheriger Studien werden in Kap. 3 Hypothesen formuliert, die durch den ab Kap. 4 dargestellten Versuch überprüft werden.

3

2 Stand der Forschung

Die Aufarbeitung des Forschungsstandes setzt bei einer funktionellen Beschreibung der Laufbewegung an. Anschließend wird der Bewegungsablauf auf muskulärer Ebene analysiert. Nach diesen ersten Grundlagen werden Qualitätsmerkmale der Lauftechnik herausgestellt und Forschungsergebnisse zur Korrelation zwischen kinematischen Kenngrößen und der Ökonomie der Laufbewegung

zusammengetragen. Anschließend nähern sich die Ausführungen durch die Erläuterung der Ermüdungsthematik der eigentlichen Fragestellung dieser Arbeit. Letztlich wird der aktuelle Erkenntnissstand bezüglich ermüdungsbedingter Veränderungen des Laufbildes dargestellt.

2.1 Bewegungsstruktur des Laufens

Die Lokomotion Laufen zählt zu den zyklischen Fortbewegungsarten. Diese sind durch die mehrmalige Wiederholung des gleichen Bewegungszyklus ohne dazwischen geschaltete Pause gekennzeichnet.

Zum Zweck der Analyse einzelner Bewegungsmerkmale ist es hilfreich, zyklische Bewegungen in einzelne Phasen zu unterteilen. Dazu können rein zeitliche, zeitlichfunktionelle oder rein funktionelle Kriterien angelegt werden. Bezüglich der Laufbewegung haben sich - basierend auf unterschiedlichen Messverfahrenverschiedene Modelle der Phasenstruktur entwickelt. ⁶ Im deutschsprachigen Raum findet das Vier-Phasen-Modell nach BAUERSFELD/SCHRÖTER (1992) die häufigste Anwendung. ⁷ In diesem Modell wird der Bewegungsablauf in eine vordere und hintere Stützphase, sowie in eine hintere und vordere Schwungphase unterteilt:

Die vordere Stützphase (VST)

Die vordere Stützphase (Amortisationsphase) beginnt mit dem Fußaufsatz, der auf dem Rückfuß, Mittelfuß oder Vorfuß erfolgen kann. Daraufhin wird im weiteren Abrollvorgang das Kniegelenk des Stützbeins weiter gebeugt. Da die Knieextensoren

⁶ Vgl. Abb. 10.1

⁷ Vgl. NEUMANN/ HOTTENROTT 2002

4

in dieser Phase unter Einwirkung der Körpergewichtskraft gedehnt werden, spricht man im Zusammenhang mit der VST häufig auch von der exzentrischen Phase. Die VST endet am Übergang von der Kniebeugung zur Kniestreckung bzw. nach dem Erreichen des Vertikalmoments, also dem Moment an dem der Körperschwerpunkt (KSP) senkrecht über dem Stützpunkt des Körpers liegt (= Mittelstütz). Funktionell entscheidend für die Dauer der vorderen Stützphase ist der Beugegrad und die Beugegeschwindigkeit des Kniegelenks.

Die hintere Stützphase (HST)

Als hintere Stützphase bezeichnet man die Phase vom Vertikalmoment bis zum Lösen des Fußes vom Boden. Funktionell charakteristisch ist hier die konzentrische Muskelarbeit der Knieextensoren.

Die hintere Schwungphase (HSW)

Anschließend an die hintere Stützphase beginnt die hintere Schwungphase mit dem Verlassen des Fußes vom Boden und endet am Übergang von der Kniebeugung zur Kniestreckung des Schwungbeins.

Die vordere Schwungphase (VSW)

Die VSW erstreckt sich von der Kniestreckung des Schwungbeins bis zum ersten Bodenkontakt des Fußes. Beim Nachvornschwingen des Beins nimmt die Kniebeugung stetig ab und die Hüftbeugung stetig zu.

In der VST wird der Körper des Läufers über die Stützstelle „gezogen“, in der HST „stößt“ der Läufer den Körper in Laufrichtung ab. Die Funktion der HSW ist in der Minimierung des Trägheitsmoments des Schwungbeins sowie in der muskulären Vorspannung der Hüftbeuger und Kniestrecker zu sehen. In der VSW wird ein Bewegungsimpuls in Laufrichtung erzeugt, durch dessen Abbremsen eine Vorspannung der Hüftstrecker bewirkt wird. Zusätzlich führen die Beinbewegungen in den Schwungphasen infolge des Gegenwirkungsprinzips zu einer Erhöhung der Stützkräfte.

Die Schwungbewegung der Arme wird gegengleich zu den Beinen ausgeführt. Dadurch werden die bei der Beinbewegung entstehenden Drehmomente zur

5

Verdrehung des Oberkörpers kompensiert. Weiterhin bewirkt die Armbewegung eine geringere transversale und sagittale Oszillitation des Körperschwerpunkts (KSP). 8

Für die folgenden Ausführungen soll das Vier-Phasen-Modell die

bewegungsstrukturelle Orientierungsgrundlage darstellen. Bewegungsanalytische Beobachtungsschwerpunkte der vorliegenden Untersuchung sind vor allem der Fußaufsatz zu Beginn der vorderen Stützphase, das Vertikalmoment (Mittelstütz) am Übergang zwischen vorderer und hinterer Stützphase, sowie der Fußabdruck am Ende der hinteren Stützphase. Darüber hinaus werden Schrittlänge und Schrittfrequenz sowie die in Abb. 2.1 dargestellten Parameter „Abdruckweite“ und „Stemmweite“ zur genaueren Differenzierung der Schrittstruktur relevant sein.

2.1.1 Schrittstruktur und Körperwinkel

Die mittlere Laufgeschwindigkeit v wird aus dem Produkt von mittlerer Schrittlänge l und der mittleren Schrittfrequenz f bestimmt:

v = l · f

Die Schrittlänge ergibt sich dabei aus der Summe folgender Teilweiten: 9

Abdruckweite: horizontaler Abstand

zwischen KSP und Fußspitze beim Lösen des Fußes;

Stemmweite: horizontaler Abstand

zwischen KSP und Fußspitze bei Fußaufsatz;

Flugweite: horizontaler Weg des

KSP während der Flugbewegung;

⁸ Vgl. HINRICHS et al. 1987 (in: SIMON 1998, S.14)

⁹ Vgl. HAY 1978

6

Durch die Betrachtung von Körperhaltung und Gelenkwinkeln ist die Laufbewegung

2.2 Muskelaktivität beim Laufen

2.2.1 Funktionell- anatomische Betrachtung

Komplexe Bewegungsabläufe wie das Laufen sind das Resultat des Zusammenwirkens vieler verschiedener Muskeln, die je nach Bezugs- und Zeitpunkt in koordiniertem Rollenwechsel synergistisch bzw. antagonistisch arbeiten. Da die Aktivität jedes einzelnen Muskels synergistische beziehungsweise antagonistische Folgereaktionen auslöst lässt sich die Laufbewegung kaum durch die Nennung aller beteiligten Muskeln funktionell beschreiben. Für das generelle Verständnis der komplexen Muskelarbeiten beim Laufen ist es daher sinnvoll, die einzelnen Muskeln zu übergeordneten Funktionseinheiten, sogenannten Muskelschlingen,

zusammenzufassen. Primär aufschlussreich ist die genauere Betrachtung der Beuge- und Streckschlingen der unteren Extremitäten: Die Beugeschlinge überzieht ventral das obere Sprunggelenk, führt nach dem Kniegelenk dorsal auf der Oberschenkelrückseite entlang und zieht ventral über das Hüftgelenk.

Für die Beugung des oberen Sprunggelenks (Dorsalflexion) ist der vordere Schienbeinmuskel Musculus (M.) tibialis anterior und der lange Zehenstrecker

7

M. extensor digitorum longus verantwortlich. ¹⁰ Das Kniegelenk wird durch die hintere ischiocrurales ¹¹ ), unterstützt vom Oberschenkelmuskulatur (Musculi

Schneidermuskel (M. sartorius), gebeugt. Der M.iliopsoas (Hüftlendenmuskel) beugt gemeinsam mit dem M.rectus femoris das Hüftgelenk. Bei Ganzkörperbewegungen wie dem Laufen setzt sich die Beugeschlinge der unteren Extremitäten über die Bauchmuskulatur und die Muskulatur der oberen Extremitäten fort. Der Beugeschlinge entgegengesetzt zieht die

Streckschlinge dorsal über das obere Sprunggelenk, verläuft ventral über das Kniegelenk und dorsal über das Hüftgelenk. Dabei wird das obere Sprunggelenk durch den M. gastrocnemius (Zwillingswadenmuskel) und den M.soleus (Schollenmuskel) gestreckt (Plantarflexion).

(Vierköpfiger Schenkelmuskel) bewirkt zusammen mit dem M. tensor fasciae latae die Extension im Kniegelenk und das Hüftgelenk wird durch die Gesäßmuskeln

Schenkelanzieher M. adductor magnus und die Mm.

ischiocrurales des hinteren Oberschenkels gestreckt. Nach cranial wird die Streckschlinge durch die Rückenmuskulatur und Muskulatur der oberen Extremitäten fortgeführt.

2.2.2 Muskelaktivität in den Bewegungsphasen

Die beim Laufen verrichtete Muskelarbeit lässt sich in Anlehnung an die beschriebenen Bewegungsphasen in verschiedene Arbeitsformen differenzieren: Bei der Kontraktion eines Muskels können sich Muskelursprung und -ansatz einander annähern. Der Muskel verkürzt sich folglich, wobei ein äußerer Widerstand überwunden wird. Die vordere Oberschenkelmuskulatur verkürzt sich beispielsweise während der Beinstreckung in der HST. In diesem Fall spricht man von einer dynamisch-konzentrischen Kontraktion. Nähern sich Ursprung und Ansatz bei der

¹⁰ Zur Übersicht aller Oberflächenmuskeln vgl. Abb.10.4

¹¹ Die Mm.ischiocrurales bestehen aus den Muskeln M.semimembranosus, M. semitendinosus und dem M. biceps femoris.

8

Kontraktion eines Muskels nicht oder nur minimal an, so arbeitet ein Muskel statischisometrisch. Ein Beispiel hierfür ist die Rumpfmuskulatur, die während der aufrechten Haltung beim Laufen isometrisch beansprucht wird. Bei dynamisch-exzentrischer Muskelarbeit entfernen sich Ursprung und Ansatz des Muskels während der Kontraktion. Die Kontraktion wirkt dem äußeren Widerstand dabei zwar entgegen, überwindet ihn jedoch nicht. Beim Laufen geschieht dies vor allem in der VST, um den Aufprallkräften nach dem Fußaufsatz entgegenzuwirken. ¹² Abb. 2.4 zeigt die hohe Aktivität der Beinmuskulatur während der VST. Vor allem die Knieextensoren (M.

rectus femoris, M. vastus medialis und lateralis) werden in dieser exzentrischen Phase beansprucht. verdeutlicht, sich Anforderungen an die Beinstreckmuskulatur weniger Generierung Bewegungsimpulses, sondern aus der Sicherstellung einer stoßabsorbierenden Landung ergeben. Dafür ist die gleichzeitige Aktivität der Streck- und Beugemuskulatur nötig. Die Größe und Richtung des Bewegungsimpulses wird in der HST durch die Aktivität der Streckschlinge bestimmt, die sich allerdings nicht über die gesamte Phase erstreckt. Zusammen mit der ebenfalls vorzeitigen Aktivitätsabnahme der Fußstreckmuskulatur (M. peronaeus und M. gastrocnemius) in der HST lässt dies darauf schließen, dass der Bewegungsimpuls beim Laufen nicht allein auf einen kräftigen Fußabdruck zurückzuführen ist. Der Gesamtimpuls ist letztlich das Ergebnis meherer Einflussgrößen, wie etwa die Freisetzung der in der exzentrischen Phase gespeicherten Energie und die Erzeugung eines genügend großen Drehmoments durch die Kniestrecker zu Beginn der Streckphase. 13

¹² Vgl. NEUMANN/HOTTENROTT 2002

¹³ Vgl. HANNON et al. 1985

9

In der HSW zeigen besonders die Muskeln M. rectus femoris und M. tibialis anterior eine starke Aktivität. Der M. rectus femoris trägt dabei zu einer Stabilisierung des Beckens während der Hüftstreckung bei und kontrolliert die Knieflexion. Die Aktivität des M. tibialis anterior bewirkt eine Dorsalflexion des gestreckten Fußglenks und setzt sich bis zum erneuten Fußaufsatz fort. Die Streckschlinge wird schon vor dem Fußaufsatz am Ende der VSW wieder aktiviert (=Vorinnervation ¹⁴ ).

2.2.3 Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus

Die beschriebenen Arbeitsformen der Muskulatur treten beim Laufen stets im Zusammenspiel auf. Auf Grund extern einwirkender Kräfte (u.a. Gravitationskraft und

Gewichtskraft) ist die aufrichtende Muskulatur besonderer Beinstreckmuskulatur wird nach dem Fußaufsatz zu Beginn der VST zunächst exzentrisch und dann beim Abdruck, am Ende der hinteren

Stützphase,

beansprucht. Diese Kombination einer exzentrischen mit einer nachfolgenden konzentrischen

Dehnungs- Verkürzungs- Zyklus (DVZ; engl.: Strech Shortening Cycle) bezeichnet.

Der biologische Sinn bzw. Aktionsvorteil des DVZ besteht darin, dass die in der exzentrischen Phase auf Grund einer Dehnung des Muskel-Sehnen-Komplexes gespeicherte elastische Energie in der anschließenden konzentrischen Phase freigesetzt wird. ¹⁵ Dadurch wird die Kraft der Aktion in der konzentrischen Phase über das ohne Vordehnung mögliche Maß hinaus verstärkt. Man spricht von

¹⁴ Vgl. Kap.2.2.3

¹⁵ Ob die elastische Energie dabei primär im Muskel- oder im Bindegewebe gespeichert wird ist noch nicht endgültig geklärt. Bezüglich der Speicherkapazität des Muskels steht aktuell das Muskelfilament Titin (als drittes Filament neben Aktin und Myosin) im Mittelpunkt der Diskussion. (vgl. SIALIS 2004)

10

elastischer Leistungspotenzierung. 16 Hauptursachen dieser Leistungspotenzierung sind neben der Elastizität des Muskel-Sehnen-Systems auch Dehnungsreflexe, die während der exzentrischen Phase ausgelöst werden. ¹⁷ Damit der DVZ effektiv genutzt werden kann muss die Muskulatur vor dem ersten Bodenkontakt bereits angespannt sein. Durch Elektromygraphie (EMG) lässt sich im DVZ bei Laufbewegungen unmittelbar vor dem Fußaufsatz eine Vorinnervation der Arbeitsmuskulatur feststellen. Diese sorgt zum Einen für eine optimale

Muskelstiffness ¹⁸ zu Beginn der exzentrischen Phase und zum Zweiten für eine Sensibilisierung der Muskelspindeln ¹⁹ und stellt den Muskel-Sehnen-Komplex (tendomuskuläres System) damit auf die bevorstehende Belastung ein. Weiterhin ist die exzentrische Phase eines effektiven DVZ kurz und schnell und nach der exzentrischen Phase sollte ein unmittelbarer Übergang zur konzentrischen Phase erfolgen. ²⁰ Auf die Schrittstruktur des Laufens übertragen würde dies bedeuten, dass eine relativ hohe Schrittfrequenz mit hohen

Kniegelenkgeschwindigkeiten und kurzen Stützzeiten (kurze und schnelle exzentrische Phase) als energetisch günstig anzusehen ist. 21

2.2.4 Die Abrollbewegung

Die Abrollbewegung des Fußes stellt den funktionellen Kern der Laufbewegung dar. Die kinematischen Kenngrößen meiner Bewegungsanalyse stehen alle in direktem oder indirektem Zusammenhang zu ihr. Insofern ist eine genauere Beleuchtung für das weitere Verständnis von Nutzen.

Im Zentrum der Abrollbewegung stehen die beiden gelenkigen Verbindungen zwischen Unterschenkel und Fuß - das obere und untere Sprunggelenk. Das obere Sprunggelenk (Articulatio talocruralis) wird aus der Malleolengabel des Schien- und Wadenbeins gebildet und umschließt das Sprungbein (Talus). Als Scharniergelenk mit transversaler Bewegungsachse ermöglicht das obere Sprunggelenk die bereits angesprochene Dorsalflexion und Plantarflexion des Fußes. Dorsalflexion und

¹⁶ Vgl. GOLLHOFER et al. 1987

¹⁷ Vgl. KOMI 1994

¹⁸ Stiffness: Muskelsteifigkeit die sich aus dem Verhältnis von notwendiger Kraft und der Längenzunahme bei Dehnung des Muskels ergibt.

¹⁹ Durch die Koaktivierung von α- und γ- Fasern (vgl. FRICK 1993)

²⁰ Vgl. KOMI 2000 und Abb. 10.2

²¹ Vgl. Kap. 2.3.1

11

Plantarflexion treten während der Abrollbewegung in Kombination mit Rotationsbewegungen um die Fußlängsachse auf, die als Pronation (Heben des Fußaußenrandes) und Supination (Heben des Fußinnenrandes) bezeichnet werden. Die dafür verantwortlichen Muskeln sind in Abb. 2.7 dargestellt. Pronations- und Supinationsbewegungen erlaubt das untere Sprunggelenk (Articulatio talotarsalis), das vom Sprungbeinkopf, dem Kahnbein und dem Fersenbein gebildet wird. 22

Anatomisch ließe sich das untere Sprunggelenk zwar in ein vorderes (zwischen Kahn-, Sprung- und Fersenbein) und ein hinteres unteres Sprunggelenk (zwischen Sprung- und Fersenbein) unterteilen, funktionell ist es jedoch nicht trennbar und wird insofern als ein Gelenk angesehen. ²³ Weiterhin ermöglicht das untere Sprunggelenk Abduktions-und Adduktionsbewegungen sowie Inversions-und

²² Das Sprungbein scheint -als einer der wenigen Knochen im Körper, an dem keine Muskeln ansetzen- während der Dorsal- und Plantarflexion ein funktioneller Teil des Fußes zu sein, wohingegen es bei Pro- und Supinationsbewegungen funktionell dem Bein zuzurechnen ist.(Vgl. EDINGTON et al. 1990)

²³ Vgl. TITTEL 2003

12

Eversionsbewegungen. Diese unterschiedlichen Bewegungen sind durch Bänder miteinander verbunden, so dass bei der Abrollbewegung des Fußes zwangsläufig eine Bewegungskombination erfolgt. Einhergehend mit der Pronation ist eine Eversion, Abduktion und leichte Dorsalflexion des Fußes. Bei der Supination des Fußes findet gleichzeitig eine Inversion, Adduktion und Plantarflexion statt.

Wie sich die beschriebene Kombination der Bewegungsmöglichkeiten Abrollbewegung individuell darstellt ist darüber Fußdeformationen, Beckenstellung, dem Fußaufsatz und vom muskulären Status ²⁵ abhängig. Genauere Aufschlüsse Fußdruckmessungen, die den räumlichzeitlichen Verlauf des Druckschwerpunktes aufzeichnen. In der Regel zeigt sich dabei ein typischer Verlauf: Beim Aufsetzen der Ferse auf den Untergrund befindet sich der

Druckschwerpunkt unter dem Fersenzentrum. Durch die Abrollbewegung ausgelöst wandert er leicht auf die Außenflanke des Mittelfußes. Mit dem Abheben der Ferse zentriert sich dieser zwischen den Mittelfußköpfchen 2 und 3 und wird letztlich über die Großzehenbeere vom Untergrund abgehoben. Je nach individueller Pronation weicht die so gezeichnete Linie mehr nach medial oder lateral ab. ²⁶ Für die Aufgabe der Stoßdämpfung des Fußes ist neben der absorbierenden Wirkung von Längs- und

²⁴ Die Unterscheidung verschiedener Fußtypen basiert auf der individuellen Ausprägung der drei Fußgewölbe (Mediales Längsgewölbe, laterales Längsgewölbe und Quergewölbe), die zu einer elastischen Verspannung mit drei zentralen Belastungspunkten im Bereich der Ferse, des Kleinzehen- und Großzehenballens führen und so günstige Voraussetzungen für eine optimale Abrollbewegung und eine gute Absorption der Stoßbelastungen bieten. Es werden vier Fußtypen voneinander unterschieden:

- Der Normalfuß mit normaler Ausprägung der drei Fußgewölbe

- Der Hohlfuß ist durch eine hohe Gewölbekonstruktion und einer Überstreckung der Zehen gekennzeichnet.

- Der Senk/-Spreizfuß, bei dem die Längs- beziehungsweise Querwölbung nur noch gering ausgeprägt ist. Nicht selten hängt dies mit schwach ausgeprägter Fußmuskulatur in Kombination mit hoher mechanischer Dauerbelastung zusammen.

- Beim Plattfuß sind alle drei Fußgewölbe abgeflacht, wobei der Mittelfuß verbreitert ist Die individuelle Struktur des Fußes ist insbesondere bei der Laufschuhversorgung zu berücksichtigen. (vgl. Gustafson 1999)

²⁵ Beispielsweise von Muskelverkürzungen oder -was im Folgenden noch genauer zu klären ist- vom Ermüdungszustand der Muskulatur.

²⁶ Vgl. MARQUARDT et al. 2007

13

Quergewölbe insbesondere die Pronationsbewegung von Bedeutung, denn diese führt mechanisch zu einer Verlängerung des Bremsweges, wodurch die Bremstrecke und die Bremszeit bei Bodenkontakt vergrößert wird. ²⁷ In exzessiver Form („Überpronation“) gilt sie jedoch als Ursache für laufbedingte Belastungsbeschwerden. 28

2.3 Qualitätsmerkmale der Lauftechnik

Lauftechniken sind individuell sehr unterschiedlich. Dabei gibt es nicht die richtige Technik, sondern es geht immer um eine individuell optimale Bewegungsausführung. Um die Bewegungsausführung qualitativ beurteilen zu können, orientiert sich die Analyse der Bewegungsausführung an der Ökonomie bzw. Effizienz der Laufbewegung sowie an der Belastungsverträglichkeit („gesundes“ Laufen). Es soll nun zunächst auf den Forschungsstand in der Ökonomie- und Effizienzforschung eingegangen werden. Dabei ist im Untersuchungskontext vor allem der Zusammenhang von kinematischen Parametern und der Ökonomie der Bewegung von Bedeutung. Anschließend werden einige Kriterien einer gesunden Lauftechnik skizziert, die in Kap. 2.4 weiter differenziert werden.

2.3.1 Ökonomie der Laufbewegung

Die Ökonomie („Wirtschaftlichkeit“) der Laufbewegung beschreibt den physiologischen Energieverbrauch der Laufbewegung. Unter Laufökonomie wird demnach der erforderliche Stoffwechselumsatz für eine gegebene

Laufgeschwindigkeit verstanden. 29, 30

Dieser Stoffwechselumsatz wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Grundsätzlich lassen sich dabei nach SIMON (1998, S. 35) „bewegungsabhängige“ und „bewegungsunabhängige Einflussfaktoren“ unterscheiden. Zu den

²⁷ Vgl. HENNING 1986

^{28 Vgl. Kap. 2.4 29} Vgl. FREDERICK 1993

³⁰ Der physiologische Energieverbrauch kann direkt über die Kalorimetrie, oder indirekt über die Sauerstoffaufnahme, die Herzfrequenz sowie das Blutlaktat bestimmt werden.

14

„bewegungsunabhängigen Einflussfaktoren“ zählen mechanische Faktoren, wie beispielsweise das Körpergewicht ³¹ , oder der -auf einem Laufband nicht vorhandene-Luftwiderstand ³² und physiologische Faktoren wie etwa das Geschlecht ³³ , die Körpertemperatur ³⁴ oder die Verteilung der Muskelfasertypen in der Skelettmuskulatur ³⁵ . Der Einfluss des in dieser Studie zentralen physiologischen Einflussfaktors „Ermüdung“ auf den physiologischen Energieverbrauch ist vermutlich auch vom Ermüdungstreatment abhängig. In einer Studie von MORGAN et al. (1990) zeigte beispielsweise ein 30-minütiger Lauf bei 89% der maximalen Sauerstoffaufnahme keine Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Dem stehen Ergebnisse einer Untersuchung von HAUSSWIRTH et al. (1996) gegenüber, in der die Auswirkungen eines Triathlons (30min Schwimmen, 60min Radfahren und 45min Laufen), eines 2h15min Laufs sowie eines Laufs von 45-minütiger Dauer auf den physiologischen Energieverbrauch analysiert wurden. Bei gegebener

Laufgeschwindigkeit war infolge der Ermüdungstreatments sowohl die Herzfrequenz, als auch der submaximale Sauerstoffverbrauch (VO 2 sub) ³⁶ signifikant erhöht (p< 0,01), wobei der 2h15min Lauf mit einer Zunahme des physiologischen Energieverbrauchs von 9% im Vergleich zu den anderen beiden Treatments den größten Einfluss aufwies.

Ergänzend sei erwähnt, dass auch psychische Faktoren, wie Angstzustände, Stress und Depressionen teils erheblichen Einfluss auf den physiologischen Energieverbrauch haben können. 37

Die vorliegende Studie beschäftigt sich primär mit den ermüdungsbedingten Veränderungen der „bewegungsabhängigen“ Einflussgrößen. Diese Einflussgrößen setzen sich aus kinematischen und dynamischen Bewegungsmerkmalen zusammen und lassen sich unter dem Begriff „Lauftechnik“ zusammenfassen. Im Folgenden werden verschiedene Studien vorgestellt, die einen Einblick in den Stand der Forschung über den Zusammenhang von Lauftechnik

³¹ Vgl. BERGH 1991

³² Vgl. COSTILL/FOX 1969

³³ Vgl. BRANSFORD/HOWLEY 1977

³⁴ Vgl. ROWELL et al. 1969

³⁵ Vgl. BOSCO et al. 1987

^{36 Der submaximale Sauerstoffverbrauch (VO} 2 sub) ist eine gängige Kenngröße zur Beschreibung der Bewegungsökonomie bei einer gegebenen Belastung (z.B. Laufgeschwindigkeit).

³⁷ Vgl. CREWS 1992 (in: SIMON 1998, S. 38)

15

(Bewegungsmerkmalen) und physiologischem Energieverbrauch geben sollen, bevor im Anschluss die Ermüdungsthematik in den Mittelpunkt rückt.

2.3.1.1 Schrittfrequenz und Schrittlänge

Eine Untersuchung von CAVANAGH/WILLIAMS (1982) erwies, dass trainierte Läufer bei frei gewählter Schrittlänge während einer Laufgeschwindigkeit von 3,8 m/s. sehr nahe an der für den Energieverbrauch optimalen Schrittlänge liegen. Die mittlere Abweichung der frei gewählten Schrittlänge von der optimalen Schrittlänge lag bei 4,2 cm. Die Läufer mit den höheren Trainingsumfängen lagen dabei dichter an der optimalen Schrittlänge, als die mit geringeren Umfängen. Es existiert demnach so etwas wie eine Selbstoptimierung der Lauftechnik hin zu einem minimalen Energieverbrauch. 38

Eine Studie von VAN DER WALT/ WYNDHAM (1973) ³⁹ analysierte diesen Aspekt bei untrainierten Probanden(n= 6) und einer Laufgeschwindigkeit von 2.2, 2.7, 3.1 und 3.6 m/s und fand eine statistisch signifikante Korrelation( p<0,01) zwischen relativer Schrittlänge ⁴⁰ und O 2 - Verbrauch, woraus sich für Untrainierte eine verbesserte Ökonomie durch eine kürzere Schrittlänge ableiten lässt. Dass ein solcher Zusammenhang bei trainierten Läufern nicht besteht, zeigt eine Studie von SVEDENHAG/ SJÖDIN (1994), die die Korrelation von frei gewählter relativer Schrittlänge und O 2 - Verbrauch bei 14 Mittelstrecken- und 12 Langstreckenathleten bei einer Laufgeschwindigkeit von 4,2 und 5 m/s untersuchten. Es ließ sich hierbei kein signifikanter Zusammenhang nachweisen. Die Ergebnisse dieser beiden Studien deuten auf eine durch Training induzierte individuelle Selbstoptimierung der Schrittlänge hin.

PAAVOLAINEN/ NUMMELA/ RUSKO/ HÄKKINEN (1999) zeigten während eines 10 km Laufs, dass die durchschnittlich höhere Laufgeschwindigkeit von Spitzenläufern (n=9) im Vergleich zu den Hobbyläufern (n=6) durch eine höhere Schrittfrequenz und eine kürzere Kontaktdauer erzielt wird.

³⁸ Über den unterschiedlichen Einfluss von Verlängerung und Verkürzung der Schrittlänge fanden CAVANAGH/WILLIAMS (1982), dass Läufer mit niedriger relativer Schrittlänge (in % der Beinlänge) bei Verminderung der frei gewählten Länge einen größeren Zuwachs des Energieverbrauchs verzeichneten, als bei längeren Schrittlängen. Umgekehrt wurde der Energieverbrauch von Läufern mit großer relativer Schrittlänge stärker durch längere Schrittlängen beeinflusst. (in WILLIAMS 1990, S. 284)

³⁹ In: SIMON 1998, S.39

⁴⁰ Relative Schrittlänge = Schrittlänge im Verhältnis zur Beinlänge des Läufers

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Insgesamt ist eine ökonomische Schrittstruktur also durch ein individuelles Optimum von Schrittlänge und -frequenz charakterisiert, das eine optimale Nutzung des DVZ ermöglicht. ⁴¹ Untrainierte Läufer tendieren nach PAAVOLAINEN et al. (1999) im Vergleich zu trainierten Läufern zu einer größeren Schrittlänge und einer kleineren Schrittfrequenz.

2.3.1.2 Körpergelenkwinkel und Körperlagewinkel

WILLIAMS/CAVANAGH (1987) verglichen drei Gruppen (n=31) mit signifikant unterschiedlichem O 2 - Verbrauch bei einer Laufgeschwindigkeit von 3,6m/s bezüglich der Lauftechnik. Dabei zeigten sich bei einigen Winkelmerkmalen signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen (p< 0,05):

Die ökonomischen Läufer wiesen eine größere sagittale Rumpfvorlage (5,9°) auf, als die unökonomischen Läufer (2,4°).

Die Plantarflexion des Fußgelenks am Ende der HST ist bei ökonomischen Läufern weniger stark ausgeprägt (106,2°) als bei unökonomischen Läufern (112,6°).

Für das Kniegelenk zeigte sich bei den ökonomisch Laufenden eine Tendenz hin zu einem größeren maximalen Flexionswinkel (43,1°) im Mittelstütz im Vergleich zu den weniger ökonomischen Läufern (39,4°).

Im Zusammenhang von Winkelmerkmalen und VO 2 sub korrelierten in einer mit weiblichen Spitzenathleten durchgeführten Studie von WILLIAMS/ CAVANAGH/ ZIFF (1987) einige Merkmale signifikant (p<0,05) mit dem O 2 -Verbrauch. Demnach sind besonders folgende Merkmale für eine ökonomische Lauftechnik bedeutsam:

geringere Knieextension am Ende der HST;

größere Dorsalflexion des Fußwinkels während der Stützphase; ein hohe Knieflexionsgeschwindigkeit während der Stützphase;

⁴¹ Vgl. Kap. 2.2.3

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