Modellbasierte Analyse der Adaptation von Muskeleigenschaften


Diplomarbeit, 2004

110 Seiten, Note: 1.8


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Material und Methode
2.1 Untersuchungsgegenstand und Probanden
2.2 Studienablauf
2.2.1 Trainingsmethoden
2.2.2 Ablauf der Messungen
2.3 Untersuchungsmethoden
2.3.1 Schiefe Ebene
2.3.2 Datenerfassung Dynamik / Kinematik
2.3.3 Datenerfassung Elektromyographie (EMG )
2.3.4 Anthropometrie
2.4 Untersuchungsmittel
2.4.1 Modell
2.4.1.1 Kniemodell (Geometriefunktion) nach Sust
2.4.1.2 Hill’sche Gleichung
2.4.1.3 Aktivierung
2.5 Datenanalyse - Verfahren der nichtlinearen Regression
(ISOFIT- Methode)

3. Ergebnisse
3.1 Äußere Daten
3.2 Innere Daten (Muskeleigenschaften) aus Modell
„Hill Schiefe Ebene“ (Hillmethode)
3.3 Innere Daten (Muskeleigenschaften) aus Modell
„Isometry second Approx“ (Isometriemethode)

4. Diskussion
4.1 Vergleich der Berechnungsmethoden „Hill Schiefe Ebene“
(Hillmethode) und „Isometrie second Approx“(Isometriemethode)
des ISOFIT- Verfahrens
4.2 Diskussion der Muskelparameter fiso, s und r
4.3 Diskussion der Muskelparameter vmax, und pmax

5. Zusammenfassung

6. Ausblick

7. Abkürzungsverzeichnis

8. Literatur

9. Danksagung

10. Anlagen

1. Einleitung

Die Entwicklung des Menschen geht einher mit der Beobachtung, Erkundung und Hinterfragung von Naturereignissen und deren Auswirkungen. Welchen Sinn hat dieses Suchen? Ist diese Suche zum alleinigen Zwecke der Erleichterung und Beschleunigung von Arbeitsprozessen gedacht? Das Verlangen nach mehr Effizienz reicht bis in die Urgeschichte der Menschheit zurück (Faustkeil als vielseitiges Werkzeug). Sogar große Menschheitsträume sind auf Grund dieses Bestrebens Realität geworden – der Traum vom Fliegen. Dabei orientierten sich die Menschen an den Vorbildern der Natur. Einer der großen Pioniere dieses Bestrebens in der Geschichte war der florentinische Maler, Bildhauer, Architekt, Ingenieur und Wissenschaftler Leonardo da Vinci (1452 – 1519). Durch seine Faszination des Fliegens und die Beobachtung der Vogelwelt schuf er neben seinen Kunstwerken als erster eine Konstruktionsgrundlage des so genannten „Ornithopters“, einem mechanischen Schwingflügler. Aber nicht nur auf dem wissenschaftlich- technischen Gebiet, sondern auch im Bereich der Anatomie nahm er bereits zahlreiche Entdeckungen der Neuzeit vorweg. Er versuchte damals schon das Zusammenspiel der Knochen und Muskeln des menschlichen Körpers aufzuklären. Es gab natürlich noch weitere Wissenschaftler gleichen Bestrebens in der Vergangenheit, die jedoch nicht in dieser Arbeit besprochen werden können. Da Vinci soll an dieser Stelle als ein herausragendes Beispiel genannt werden (Abbildung 1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Anatomische Untersuchungen da Vincis

Die Entstehung von Naturwissenschaften war unaufhaltsam. In jüngster Zeit gewinnt die so genannte Bionik (Biologie & Technik) immer mehr an Interesse, in der gezielt die in der Natur vorkommenden Phänomene beobachtet, hinterfragt und modelliert werden, um sie für die Entwicklung der Technik, Medizin und vieler anderer Wissenschaftsbereiche einzusetzen. Dies geschieht durch die Untersuchung der Eigenschaften und Funktionsweisen lebender Organismen. So wurden Astgabeln von Bäumen zum Strukturvorbild tragender Gerüste vieler Gebäude. Den Lotusblüteneffekt nutzt man in der Lack- und Farbenindustrie. Form und Gestalt von Lebewesen aus dem Wasser und der Luft setzt man auf Grund ihrer hervorragenden Strömungseigenschaften in der Fahrzeug- Luft- und Raumfahrtindustrie ein. Bienenwabenstrukturen dienen als Ansatzpunkt für Festigkeit in der Verpackungsindustrie. Schlangengift wird in der Medizin als Wirkstoffgrundlage verwendet. Die Fahrzeugindustrie nutzt sogar Wachstumsprozesse der Knochen von Lebewesen, um tragende Bauteile mit hoher Festigkeit aber geringem Volumen und kleiner Masse herstellen zu können. Aber auch Adaptationsprozesse als Folge von gesetzten Reizen versucht man besonders in der Sportwissenschaft zu erkunden, um trainingsmethodische Ansätze für Höchstleistungen und rehabilitative Maßnahmen zu finden.

Eine Teildisziplin der Sportwissenschaft ist die Biomechanik oder Bewegungswissenschaft. Sie gilt als interdisziplinäre Wissenschaft zwischen der Mechanik, Physik, Biologie und Psychologie. Es wird zwischen der äußeren und inneren Biomechanik unterschieden. Die Äußere befasst sich mit der Analyse sichtbarer Bewegungen von Tier und Mensch. Darunter zählen beispielsweise Fortbewegungsarten oder sportliche Disziplinen im Geräteturnen. Die innere Biomechanik dagegen beschäftigt sich mit den nicht direkt sichtbaren im Organismus ablaufenden Prozessen. Sie fragt nach der Entstehung von einzelnen Muskelaktivitäten und deren Zusammenspiel mit dem Skelettsystem. Somit werden die Statik oder dynamischen Bewegungen von Mensch und Tier untersucht. Gegenstand der Biomechanik ist nach Lottmann 2002 die möglichst korrekte Übertragung der physikalischen Gesetze auf das biologische System Mensch. Demnach gelten die Gesetze der Mechanik im Prinzip für alle leblosen wie lebendigen Körper, also auch für den Menschen. Die Biomechanik beschreibt in mathematischer Form die Bewegungen, die ein Körper ausführt sowie die Kräfte, die diese Bewegungen hervorrufen.

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Biomechanik des aktiven Bewegungsapparates des menschlichen Körpers. Dabei besteht eine enge Beziehung zwischen dem an der Peripherie des Körpers messbaren Output und den inneren physiologischen Prozessen. Eine alleinige Betrachtung mechanischer Größen wäre allerdings unzureichend, um die muskulären Zusammenhänge zu begreifen. So können beispielsweise „Untersuchungen zur Muskelermüdung allein durch biomechanische muskel- bzw. neurophysiologische Parameter nicht zu umfassender Erkenntnis führen“ (Sust, Schlossmacher 1985).

Eine Möglichkeit zur Darstellung des aktiven Bewegungsapparates ist die Betrachtung der Muskulatur. Die Muskulatur ist durch Eigenschaften ausgezeichnet, welche Unterscheidungen im Quer- oder Längsschnitt von Personen möglich machen. Für die innere Biomechanik gelten die Muskeleigenschaften als Ursprung mechanisch messbarer Bewegungen. Eine vom Muskel erzeugte Kraft ist abhängig von der Kraft, mit der die kontraktilen Einheiten (Myofilamente) eines Muskels kontrahieren (aktiver, energiebereitstellender Teil des Systems) und den mechanischen Eigenschaften des mit dem Muskel verbundenen Bewegungsapparates (passiver, energieübertragender Teil des Systems wie Sehnen, Bänder, viskoelastische Elemente des Muskels). Die auf das Skelett wirkende Kraft ist also abhängig von mehreren Teilsystemen, die durch biomechanische Modelle beschrieben werden können. Die Abhängigkeiten von Muskeleigenschaften sind vielfältig. Ob durch genetische Determiniertheit, die zu einer interindividuellen Fasertypverteilung führen kann, durch Ernährung, der Tätigkeit eines Individuums, Wachstum, Temperaturveränderung, Gelenkruhestellung nach Verletzung, verschiedene Motivationen und Emotionen oder durch einen bestimmten Trainingszustand – die Muskulatur reagiert auf Reize durch Adaptation.

So sind zum Beispiel bei Untersuchungen von Talishev und Fedina (1976) der Einfluss der Muskelelastizität von der Temperatur auf die Genauigkeit der Bewegungskontrolle durch Seismyotonographie, Thermometrie, Tromovographie und EMG- Messungen an Probanden untersucht worden. Ebenfalls Talishev und Fedina (1976) untersuchten den Einfluss körperlicher Belastungen von Sportlern auf mechanische Muskeleigenschaften mittels Viskose- und Elastizitätsparameter.

Der Einfluss von viskoelastischen Muskeleigenschaften beim passiven Kraftstoß wurde von Seyfarth et al., 1999 untersucht. Sie untersuchten die Steifigkeit des Knie– und Sprunggelenkes beim Laufen und Springen.

Chein und Vajn (1983) prüften die Rolle ausgewählter Muskeleigenschaften beim Abstoßen während der Ausführung eines Saltos mit Hilfe der Elektromyotonometrie am Schienbeinmuskel. Selbige Untersuchungen führten sie nach einem speziellen absolvierten Trainingsprogramm von Turnern durch und konnten eine Veränderung der Muskeleigenschaften zeigen. Ein positiver Zusammenhang zwischen Art der Muskelzusammensetzung und sportlichen Resultaten konnte gezeigt werden.

In dieser Arbeit wird die Abhängigkeit eines bestimmten Trainingszustandes auf die individuellen Muskeleigenschaften von Personen anhand objektiver Daten untersucht. Zur Beschreibung der Muskeleigenschaften in dieser Studie dienen Parameter, die aus gemessenen kinematischen und dynamischen Größen sowie deren Weiterverarbeitung hervorgehen. Außerdem sollen elektromyographische Informationen der untersuchten Muskulatur ein weiteres Abbild muskulärer Eigenschaften geben. Die Darstellung und Auswertung der Elektromyographie erfolgte durch die Arbeit von Römer (2004). Die Weiterverarbeitung der kinematischen und dynamischen Größen erfolgte auf der Grundlage von Modellen, in denen die Zusammenhänge dieser Größen in Verbindung mit anthropometrischen Daten der untersuchten Personen mathematisch beschrieben wurden. Für das Ziel dieser Arbeit, den Einfluss von Standardtrainingsmethoden auf die muskulären Eigenschaften anhand objektiver Daten darzustellen, wurden drei Teilmodelle miteinander verknüpft, die im Methodenteil dieser Arbeit beschrieben werden.

Der Einfluss von unterschiedlichen Trainingsformen auf die Leistungsfähigkeit des Menschen ist bereits in vielen Studien nachgewiesen worden. Der Nachweis wird jedoch in den meisten Fällen an äußeren Indikatoren verifiziert, wie z.B. die unter isometrischen Bedingungen gemessenen Reaktionskräfte, die Verbesserung der Sprunghöhe des Sportlers bzw. der Sportlerin oder der Explosivkraftindex. Demgegenüber werden im Bereich der modellbasierten Biomechanik innere Indikatoren ermittelt, die einer direkten Messung meist unzugänglich sind, wie z.B. die isometrische Maximalkraft- oder die maximale Kontraktionsgeschwindigkeit eines Muskels (Abbildung 1.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Adaptationsreaktionen der Muskulatur

Ziel einer Untersuchung von Tilp (2003) war, die Auswirkungen von Training und Wachstum auf die Muskeleigenschaften zu untersuchen. In der Hauptuntersuchung wurden mit einem eigens erstellten Messsystem die Muskeleigenschaften der Beinstreckmuskulatur einer Probandengruppe bestimmt und deren Veränderungen während eines achtwöchigen Krafttrainingprogramms beobachtet. In zwei weiteren Untersuchungen wurde der Wachstumsprozess der Beinlängen einer Gruppe von Schülern (n=52) im Zeitraum von 7 Monaten beobachtet und mittels Simulationen am Rechner der Einfluss der Beinlängen auf die Bewegung untersucht. Die Hauptuntersuchung zeigte, dass die Probanden unterschiedlich auf das gewählte Krafttraining reagierten. Es konnten Zusammenhänge zwischen den Ausgangswerten für die maximal mögliche Leistung und deren Veränderung gefunden werden. Die Simulationen von Bewegungen mit den unterschiedlichen Beinlängen der Schüler ergab, dass diese einen erheblichen Einfluss auf die Kraftentwicklung und den Bewegungsablauf haben. Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass durch die Individualität der Personen eine allgemeine Trainingsvoraussage nicht möglich ist.

In den Untersuchungen für diese Arbeit ist ebenfalls das Verhalten bestimmter Parameter auf Trainingsreize getestet worden. Als Trainingsreize wurden eine Maximalkrafttrainingsmethode und eine Schnellkrafttrainingsmethode ausgewählt (Kapitel 2.2.1). Durch eine in den folgenden Ausführungen genauer dargestellten Methode der nichtlinearen Regression (Kapitel 2.5) wurden von den Probanden die individuellen Muskeleigenschaften bestimmt. Diese sollen dabei Aufschluss über muskuläre Veränderungen der Trainierenden geben (Tabelle 1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.1: Parameter als Ausdruck muskulärer Eigenschaften

Bei den Probanden des Maximalkrafttrainings ist die Prognose, dass sich die isometrische Maximalkraft fiso des trainierten Muskels deutlich gegenüber dem Schnellkrafttraining erhöht. Die Probanden des Schnellkrafttrainings müssten mit einer Erhöhung der maximalen Kontraktionsgeschwindigkeit vmax reagieren. Wie verhalten sich weitere muskelspezifische Parameter während dieser Trainingsanforderungen und wodurch unterscheiden sich die Parameter zwischen beiden Trainingsvarianten? Ändert sich ebenfalls die maximale Leistungsabgabe pmax des trainierenden Muskels? Haben solche Veränderungen der Muskelparameter auch Einflüsse auf weitere Muskelparameter, wie etwa auf das Einschaltverhalten s des trainierten Muskels? Basieren die vermuteten Adaptationen des Muskels auf neuraler Art oder aufgrund von Eiweißeinlagerungen? Können diese erwarteten Veränderungen im Verlaufe des Trainingsprozesses mit der in dieser Arbeit verwendeten Methode zur individuellen Bestimmung von muskulären Eigenschaften nachgewiesen werden?

All diese Fragen waren Ausgangspunkt zur Entstehung dieser Arbeit und sollen einen Einstieg in den untersuchten Gegenstand geben.

2 Material und Methode

2.1 Untersuchungsgegenstand und Probanden

In dieser Studie soll der Einfluss von zwei ausgewählten Standardtrainingsmethoden auf muskuläre Eigenschaften untersucht werden. Die Auswahl der Trainingsmethoden erfolgte nach Unterschiedlichkeit hinsichtlich der Kraft und Bewegungsgeschwindigkeit. Ein Maximalkraft- und ein Schnellkrafttraining sollen hier die erwarteten Unterschiede in der Entwicklung der Muskeleigenschaften während des Trainings liefern. Zusätzliche Informationen über die Ansteuerung der untersuchten Muskulatur der Kniestrecker wurden durch elektromyographische Messungen unterstützt (Römer 2004). Eine fachspezifische Erläuterung der Trainingsmethoden ist in Kapitel 2.2.1 nachzulesen.

Dazu wurden die individuellen Muskeleigenschaften der Kniestrecker mittels des Diagnosegerätes „Schiefe Ebene“ und Computergestützter Auswertverfahren vor dem zu absolvierenden Training bestimmt und begleitende Messungen der Muskeleigenschaften während und nach dem Training durchgeführt.

Eine Einordnung des Einflusses der Trainingsmethoden auf die muskulären Eigenschaften anhand der maximalen Leistungsabgabe pmax, der maximalen Kontraktionsgeschwindigkeit vmax, der maximalen Kontraktionskraft fiso und des Einschaltverhaltens s des Muskels erfolgt in den Kapiteln 3 und 4.

An der Untersuchung nahmen 16 gesunde männliche Personen im Alter zwischen 20 und 30 Jahren teil. In einer Probandenakte sind Grunddaten, benötigte anthropometrische Daten sowie die erfassten Messdaten der Personen mit Datum festgehalten. Spezielle Aspekte des Sporttreibens und Wohlbefindens waren von den Probanden in Form eines Fragebogens in dieser Akte auszufüllen. Die Form der Akte ist in der Anlage A22 aufgeführt. Extra erhielten die Probanden in einem Informationsblatt präzise Informationen über das Ziel und den Ablauf der Studie. Ebenfalls erhielten die Probanden ein Trainingsprotokoll, in dem sie ihren Trainingsablauf und eventuelle Steigerungen bei den Maximalkraftbestimmungen schriftlich festhalten sollten. Die Probanden wurden in zwei Gruppen unterteilt, von denen die eine Gruppe das Maximalkrafttraining und die andere das Schnellkrafttraining zu absolvieren hatte.

2.2 Studienablauf

2.2 1 Trainingsmethoden

Die verwendeten Trainingsprogramme zielten auf eine differenzierte Kraftentwicklung des Kniestreckers (M. quadriceps femoris) hin. Einerseits absolvierten 9 Probanden das Maximalkrafttraining (T80) mit der Methode der erschöpfenden submaximalen Krafteinsätze. Aus dieser Methode ist die Standardvariante 1 verwendet worden, in der Zusatzlasten mit 80% orientiert an der individuellen Maximalkraft konzentrisch, langsam bis zügig bewegt werden. Andererseits absolvierten 7 Probanden das Schnellkrafttraining (T40) mit einer Schnellkraftmethode, in der Zusatzlasten mit 40% orientiert an der individuellen Maximalkraft konzentrisch, explosiv und schnell bewegt werden (Ehlenz at al., 1995).

Die Trainingseinheit wurde über 8 Wochen zweimal pro Woche durchgeführt, wobei zwei bis drei Tage Pause zwischen den Einheiten lagen.

Das Trainingsprogramm bestand jeweils aus einer allgemeinen und speziellen Erwärmung, einem Haupttraining und einer Abwärmung. Zur allgemeinen Erwärmung wurde 15 min auf dem Fahrradergometer bei 120 Watt gefahren und anschließend die Oberschenkelmuskulatur (Abduktoren, Adduktoren, Kniestrecker/Beuger) gedehnt. Die Muskulatur wurde 10s aktiv gedehnt, um eine optimale Kraftentfaltung während der Bewegungsaufgabe des Muskels zu ermöglichen. Als spezielle Erwärmung diente die eigentliche Übungsausführung mit 40% der Maximalkraft am Übungsgerät für die Kniestrecker. Das Haupttraining erfolgte am Übungsgerät für die Kniestrecker (Abbildung 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Trainingsgerät zur Kräftigung der Kniestrecker (M. quadriceps femoris) der Firma „Schnell“; Kraftübertragung durch Tüv-Geprüfte Flachriemen und Excentertechnik gegen schädigende Drehmomentspitzen im Kniegelenk; individuelle Einstellmöglichkeiten an Sitz und beweglichen Elementen zur optimalen, gelenkschonenden Bewegungsausführung

Die individuelle Maximalkraft des M. quadriceps femoris ist vor dem ersten Training am Trainingsgerät selbst bestimmt worden. Dabei wurde mit niedrigem Gewicht begonnen. Durch sukzessive Erhöhung der Gewichte wurde die Übung so lange durchgeführt, bis keine vollständige Wiederholung mehr möglich war. Als Aussage für eine vollständige Wiederholung diente eine am Trainingsgerät angebrachte Markierung. Dazu wurde das Trainingsgerät auf jeden Probanden individuell eingestellt. Die Gelenkachse der sich bewegenden Teile des Übungsgerätes stimmte mit dem Drehpunkt des Kniegelenkes überein, um Verletzungen des Probanden vorzubeugen. Das Maximalkrafttraining umfasste 5 Serien mit 10 Wiederholungen pro Trainingseinheit. Das Schnellkrafttraining enthielt ebenfalls 5 Serien pro Trainingseinheit, wobei 8 Wiederholungen getrennt durch eine Pause von acht Sekunden in einer Serie durchgeführt wurden. In beiden Trainingsmethoden erfolgte eine Pause von 3 Minuten zwischen den Serien.

Nach Beendigung des Haupttrainings wurde 10 min auf dem Fahrradergometer bei 80 Watt gefahren und danach die belastete Muskulatur gedehnt.

2.2.2 Ablauf der Messungen

Vor Beginn des achtwöchigen Trainings fanden zwei Nullmessungen (NM) statt. Während der Trainingswochen wurden die Probanden einmal pro Woche gemessen. Diese Messungen erfolgten grundsätzlich vor der zweiten Trainingseinheit, um Ermüdungen durch das Training und damit eine Verfälschung bei der Bestimmung der Muskeleigenschaften und Muskelaktivität vorzubeugen. Nach Beendigung des achtwöchigen Trainings wurden zwei Kontrollmessungen (KM) durchgeführt. Diese könnten Aufschluss über mögliche Adaptationen nach dem absolvierten Training zeigen.

Die Probanden wurden an der Hautoberfläche der untersuchten Muskulatur rasiert und mittels wasserfester Stifte markiert. Anschließend erwärmten sich die Probanden, in dem sie zwei Runden auf einer 400 Meter Bahn locker liefen. Danach dehnten sie die Oberschenkelmuskulatur. Nun wurden die EMG-Elektroden entsprechend der Markierungen geklebt.

Die Markierung fand am M. rectus femoris, M. vastus mediales und M. vastus laterales des M. quadriceps femoris statt. Die Positionierung der Stellen für die EMG-Elektroden erfolgte jeweils auf dem Muskelbauch zwischen Ansatz und Ursprung des Muskels. Die Elektroden wurden in Faserrichtung im Abstand von 2,5 cm geklebt (Abbildung 2.2).

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Abbildung 2.4: Fixierung der EMG-Elektroden am M. quadriceps femoris; von links nach rechts: M. vastus laterales, M. rectus femoris, M. vastus mediales; Die Nullelektrode ist auf der Kniescheibe fixiert, da dort keine Muskelaktivität zu erwarten war.

Der Proband wurde wie in Abbildung 2.3 auf dem Diagnosegerät „Schiefe Ebene“ positioniert, so dass der Kniegelenkwinkel 90° betrug. Dabei wurden die Fersen des Probanden auf die Holzvorrichtung gesetzt, damit die Kraftübertragung vom Proband zum Messwagen nicht durch die Wadenmuskulatur über das Sprunggelenk beeinflusst wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Links: Diagnosegerät „Schiefe Ebene“ zur Erfassung äußerer kinematischer und dynamischer Daten am Messwagen (Bewegungsgeschwindigkeit, Beschleunigung, Kraftstoß) Rechts: Diagnosegerät „Schiefe Ebene“ mit Proband; Individuelle Sitzeinstellung möglich; Messdatenerfassung und Speicherung über Computer zur Weiterverarbeitung

Auf der Schiefen Ebene hatte der Proband verschiedene dynamische und statische Bewegungsaufgaben zu erfüllen. Die dynamische Bewegungsaufgabe bestand im explosivartigen Wegdrücken des Messschlittens. Bei den statischen Anforderungen mussten die Probanden mit den Fersen an den fest fixierten Messschlitten mit maximaler Kraft drücken. Diese Bewegungsaufgaben wurden von den Probanden ohne Schuhwerk ausgeführt, um Messfehler durch Polsterungen von Schuhsolen zu vermeiden. Um Aussagen hinsichtlich fiso, pmax und vmax treffen zu können, wurden dynamische Messungen ohne Zusatzgewicht (nur Eigengewicht des Schlittens) und mit Gewicht sowie eine statische durchgeführt. An den Messtagen erfolgten jeweils 6 Messungen. Davon waren zwei dynamisch mit 70 kg Gewicht, zwei statische und zwei dynamische ohne Zusatzgewicht.

Während der Messvorbereitung erhielten die Versuchsteilnehmer genaue Instruktionen über die Bewegungsaufgabe. Eine maximal willentliche Anstrengung der Probanden galt als Voraussetzung, um den Anforderungen der verwendeten Modelle in den Auswertverfahren gerecht zu werden. Nachdem die EMG-Elektroden verkabelt waren, hatten die Probanden die Möglichkeit, sich auf die eigentliche Bewegungsaufgabe vorzubereiten. Dies geschah durch Probebewegungen des Messschlittens auf der Führung mit zunehmender Kraftanstrengung. Nachdem alle sechs Messungen durchgeführt waren, bildete eine Lockerung und Dehnung der Oberschenkelmuskulatur den Abschluss des Messtages.

2.3 Untersuchungsmethoden

2.3.1 Schiefe Ebene

Alle Untersuchungen fanden auf dem Diagnosemessgerät „Schiefe Ebene“ statt (Abbildung 2.4). Das Grundgerüst des Gerätes besteht aus Aluminiumprofilstücken der Firma TETRA GmbH aus Ilmenau. Die geneigte Bahn, auf der ein Messschlitten läuft, hat eine Länge von fünf Metern. Die Neigung dieser Bahn ist zwischen einem Winkel von 0° (horizontal) und 30° verstellbar. Auf einer vertikalen Profilstange ist die Schlittenführung eingehängt. Die Messungen erfolgten bei 20° Neigung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Schiefe Ebene (Friedrichs 2000): 1 Führungsbett für den Messschlitten; 2 geneigte Führungsbahn; 3 Gegenhalterung für den Probandensitz; 4 Grundgerüst mit Bodenverankerung; 5 Aufhänghaken für die Führungsbahn zur Neigungsverstellung; 6 Puffersystem (Federdämpfer) für ein weiches Aufprallen des Messschlittens

Der Messschlitten (50 cm x 50 cm, 13 kg) ist zusätzlich mit handelsüblichen Gewichten bis maximal 250 kg belastbar. Durch am Schlitten angebrachte Kugellager erfolgt die Bewegung auf der Führung mit geringer Reibung. Zwei separate Kraftmessplatten (15 cm x 3 cm) für den linken und den rechten Fuß sind senkrecht zur Schlittenoberfläche installiert. Diese basieren auf dem Prinzip von Dehnungsmessstreifen (DMS), und haben eine Eigenfrequenz von 500 Hz. Die horizontale und vertikale Komponente des Kraftsignals wurde mit einer Abtastrate von 1 kHz aufgenommen. Diese Signale sind durch eine AD-Wandlung an den Computer übermittelt worden. Weg und Geschwindigkeit des Messschlittens werden durch ein inkrementales Wegmesssystem (IGR) bestimmt. Aufbau und Wirkungsweise dieses Systems sind in Kapitel 2.3.2 nachzulesen.

Mit dem Grundgerüst dieses Diagnosegerätes ist ein Sitz verbunden, der auf die anatomischen Gegebenheiten der Probanden einstellbar ist. Auf Höhe des Sitzes sind zwei in der Spannung einstellbare Federdämpfer an der geneigten Führung angebracht. Diese dienten dem Auffangen des Messschlittens nach der Bewegungsausführung und somit dem Schutz der Probanden vor Überlastungen.

Für isometrische Kraftmessungen bestand die Möglichkeit, den Schlitten fest auf der Bahn zu fixieren (Abbildung 2.5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Diagnosemessplatz Schiefe Ebene: 1 Vorrichtung für das Auflegen von Zusatzgewichten; 2 Messschlitten; 3 Einstellbare Federdämpfer für das Auffangen des Messschlittens; 4 Trittauflage für die Fersen des Probanden (Holzmaterial); 5 Aluprofilstücke mit integrierten Dehnungsmessstreifen für das Erfassen der Kraft- Zeit- Verläufe in horizontaler und vertikaler Richtung während der Bewegungsausführungen; 6 Metallfaden zur inkrementalen Wegerfassung

2.3.2 Datenerfassung Dynamik und Kinematik

Zur Aufnahme der Rohdaten dienten an dem Diagnosegerät angebrachte Dehnungsmessstreifen (DMS) und ein inkrementales Wegmesssystem. Diese Sensorik lieferte die Grundlage für Kraft-, Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsinformationen. Das DMS-Signal wurde über einen Analog- Digital-Wandler in Kraftdaten umgewandelt. Um den Toleranzbereich des Messfehlers klein zu halten, sind eine Eichung und eine Linearität des Dehnungsmessstreifens erforderlich. Die DMS sind am Messschlitten in einer wheatstonschen Brückenschaltung angeordnet. So kann erreicht werden, dass die Ausgangsspannung proportional zur Widerstandsänderung und somit auch proportional zur Dehnung ist.

Das inkrementale Wegmesssystem liefert Weginformationen durch einen inkrementalen rotationssymmetrischen Geber, der translatorische Signale in rotatorische mittels Radialgitterteilung umwandelt.

Aus den Weginformationen über die gemessene Zeit sind Geschwindigkeitsinformationen durch Differentiation automatisch berechnet worden. Ein Fehleranteil durch mechanische Übertragungsglieder am Zugfaden ist nicht auszuschließen.

Mittels der Software „Musycs“ und „Famos“ sind die aufgenommenen Daten gespeichert und in ein ASCII-Format umgewandelt worden. Dies ermöglichte die Weiterverarbeitung der Daten im Softwareprogramm „Kinematics“ (nach Opfermann 2001, Kapitel 2.5), einer Software zur Bestimmung der inneren Muskeleigenschaften. In diesem Programm dienen eine Geometriefunktion, die Hill’sche Kraft- Geschwindigkeitsrelation, die Einschaltfunktion und die anthropometrischen Daten der Berechnung der Muskeleigenschaften fiso, pmax, vmax, s. Dabei werden mittels nichtlinearem Regressionsverfahren diese Parameter solange verändert, bis eine Angleichung der zu berechnenden Daten an die eingelesenen Daten mit einer bestimmten Genauigkeit erfolgt (Kapitel 2.5).

2.3.3 Datenerfassung Elektromyographie (EMG)

Die gleichzeitige Erfassung der Muskelaktivität während der Bewegungsaufgaben auf dem Diagnosemessgerät erfolgte mittels Elektromyographie. Sie diente zur Ableitung von auftretenden Summenpotentialen an den oberflächlich gelegenen zu untersuchenden Hauptarbeitsmuskeln. Rückschlüsse über qualitative und quantitative Veränderungen der Muskelaktivität können mit der Methode ermittelt werden.

Dazu wurden zwei Elektroden (bipolares EMG der Firma BIOVISION) jeweils auf die Haut über dem M. rectus femoris, M. vastus mediales und M. vastus laterales beidbeinig auf den Muskelbauch in Faserrichtung geklebt (Abbildung 2.2). Zur besseren Übertragung der Signale war eine Oberflächenrasur und Desinfektion der entsprechenden Hautpartien der Muskeln notwendig. Die EMG-Signale wurden 1000-fach verstärkt und mit 1000 Hz abgetastet. Die Daten wurden mittels eines AD- Wandlers in digitale Informationen umgewandelt und in den Computer eingelesen. Mit Hilfe der Datenerfassungssoftware „LABVIEW“ konnten die Daten in ein ASCII-Format zur weiteren Auswertung gebracht werden. Eine Zuordnung der EMG-Signale in einzelne Kanäle fand statt (Abbildung 2.6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: EMG - Kanalbelegungsübersicht

Die EMG - Messung begann vor der dynamischen Messung und ein Triggersignal wurde zur Synchronisation der Messsysteme in einen zusätzlichen Kanal eingelesen. Eine Kraftwirkung von 150 N in die Stoßrichtung startete die Messung, triggerte das System und löste die gesamte Messung aus. Der Messstart lag jeweils eine Sekunde vor der Triggerauslösung (Pretrigger), um die gesamten Informationen zu Beginn der Bewegung kinematisch und dynamisch aufnehmen zu können.

2.3.4 Anthropometrie

Das in Kapitel 2.4.1.1 beschriebene Kniemodell erfordert anthropometrische Parameter der Probanden (Tabelle 2.1), welche dreimal gemessen und anschließend gemittelt wurden. Diese dienen als Eingangsgrößen zur Berechnung der Geometriefunktion nach Sust (1996).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Bezeichnung und Erklärung der anthropometrischen Parameter

2.4 Untersuchungsmittel

2.4.1 Modell

Ein Modell in dieser Untersuchung diente zur Aufklärung der funktionalen Zusammenhänge zwischen motorischen, physiologischen und anatomischen Eigenschaften des Probanden und dem Ablauf seiner Bewegung unter vorgegebenen Versuchsbedingungen. Mit Hilfe des Modells fand eine quantitative Bestimmung von Eigenschaften des Probanden aus abgelaufenen Bewegungen statt.

Für die Auflösung der individuellen Muskeleigenschaften pmax, vmax, fiso, s für diese Studie wurden drei Submodelle verwendet. Dazu gehören das Kniemodell (Geometriefunktion nach Sust 1996), das Kraft – Geschwindigkeitsverhalten eines Muskels (Gleichung nach Hill 1938) und das Einschaltverhalten eines Muskels von Beginn der Kontraktion bis zur isometrischen Maximalkraft (Aktivierungsfunktion, Sust 1996). Diese Gesetzmäßigkeiten werden in den folgenden Punkten mathematisch erläutert.

Weitere und kompliziertere Abhängigkeiten, wie etwa ein dreidimensionales Kniemodell, in das Gesamtmodell einfließen zu lassen würden zu einer Erhöhung der Parameteranzahl führen. Der Rechenaufwand innerhalb der Datenanalyse mittels nichtlinearer Regression (Kapitel 2.5) würde um ein vielfaches höher sein. Für diese Untersuchungen sind die aufgeführten Modelle für die Berechnung der Muskelparameter als ausreichend eingeschätzt worden.

Rheologische Eigenschaften der Muskulatur, sowie Deformationen der Knochen, Knorpel, Bänder und Relativbewegungen der Weichteile bleiben unberücksichtigt. Die von den Probanden zur Messung ausgeführten Bewegungsaufgaben liegen nicht in dem Intensitätsbereich, wie etwa bei exzentrischen Sprüngen mit großen Kraftstößen, dass ein Bezug zu rheologischen Submodellen sinnvoll wäre. In diesem Falle ist die auf das Skelettsystem einwirkende Muskelkraft (fm) beschreibbar als Summe aus den Kräften der kontrahierenden Muskelfasern.

2.4.1.1 Kniemodell

Grundlage für dieses Modell ist die Unterteilung des menschlichen Körpers in einzelne Segmente, die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Die Segmente repräsentieren dabei bestimmte Körperteile, wie zum Beispiel Ober- und Unterschenkel, bestehend aus Knochen und Weichteilen, die durch das Kniegelenk miteinander verbunden sind. Die äußeren muskulär bedingten gemessenen Kräfte (Fm) stehen im Zusammenhang mit den inneren Kräften (fm), die als Folge von Muskelkontraktionen am Skelett angreifen. Dieser Zusammenhang wird durch Hebelverhältnisse hergestellt, die einerseits von invarianten Eingangsgrößen (Kapitel 2.3.4 anthropometrische Größen) und dem sich während der Bewegung ändernden Beugewinkel abhängig sind. Die über Gelenke ziehenden Strecker werden im Modell näherungsweise durch ein einfaches Streckermodell mit einem Ersatzmuskel beschrieben.

Da die Versuchsteilnehmer Streckbewegungen für die Messungen der unteren Extremitäten ausführten, wurde das „Einfache Streckermodell“ nach Sust 1996 für die Berechnung der inneren Kräfte des M. quadrizeps femoris verwendet.

Die Geometriefunktion G transformiert die innere Kraft fm in die äußere Kraft Fm oder umgekehrt die äußere Kraft Fm in die innere Kraft fm. Die Beziehung zwischen der Kraft fm im Inneren des menschlichen Körpers und der außerhalb des Körpers messbaren Kraft Fm wird durch folgende Gleichungen beschrieben:

[...]

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Details

Titel
Modellbasierte Analyse der Adaptation von Muskeleigenschaften
Hochschule
Friedrich-Schiller-Universität Jena  (Institut für Sportwissenschaft; Fakultät für Sozial- und Verhaltenswissenschaften)
Veranstaltung
Diplom
Note
1.8
Autor
Jahr
2004
Seiten
110
Katalognummer
V36130
ISBN (eBook)
9783638358460
Dateigröße
2827 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Modellbasierte, Analyse, Adaptation, Muskeleigenschaften, Diplom
Arbeit zitieren
Frank Lindner (Autor), 2004, Modellbasierte Analyse der Adaptation von Muskeleigenschaften, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/36130

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