Empirische Arbeit: Validierungsstudie zum dreidimensionalen Beschleunigungsmesser RT3 der Firma Stayhealthy

Inhaltsverzeichnis

0 Einleitung

1 Theoretischer Hintergrund zur Untersuchung

2 Theoretische Annahmen der Untersuchung

3 Methode der Untersuchung
3.1 Untersuchungsplan
3.2 Versuchspersonen
3.3 Geplante Auswertung
3.4 Datenerhebung

4 Ergebnisse der Untersuchung
4.1 Prüfung der Beobachterobjektivität
4.2 Prüfung der Konstruktvalidität
4.3 Prüfung der Kriteriumsvalidität

5 Diskussion und Interpretation der Ergebnisse

6 Zusammenfassung

7 Literaturverzeichnis

0 Einleitung

Der korrekten Messung von physischer / körperlicher Bewegungsaktivität wird von diversen Personengruppen zunehmend Beachtung geschenkt, wie auch Balogun, Amusa und Onyewadume (1988, S. 1500) feststellen: „Objective measurements of levels of physical activity have attracted the attention of epidemiologists and work physiologists for many years”. Insbesondere in der physischen Therapiepraxis, so z.B. in der kardiopulmonalen Rehabilitation oder bei Schmerz-Management-Programmen, besteht das Bedürfnis, das Ausmaß an körperlicher Bewegungsaktivität der Patienten exakt zu kontrollieren. Aus diesem Grund widmet sich auch die Forschung schon seit geraumer Zeit dem Problem, körperliche Bewegungsaktivität, definiert als Körperbewegung, die durch die Skelettmuskulatur erzeugt wird und in einem Energieumsatz resultiert (vgl. Westerterp, 1999, S. 46), messbar zu machen.

Zwar existieren mit dem Blutdruck, der Körpertemperatur, der Sauerstoffaufnahme und der Herzfrequenz diverse physiologische Größen, von denen aus sich Rückschlüsse auf die körperliche Bewegungsaktivität ziehen lassen, mit Ausnahme der Herzfrequenzmessung gelten diese Verfahren jedoch als nicht ausreichend valide. Auch die Herzfrequenz als Indikator für die korrekte Messung der körperlichen Bewegungsaktivität ist nicht unproblematisch, da sie nicht nur durch die Intensität der körperlichen Bewegungsaktivität, sondern auch durch andere Faktoren wie einer hohen Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit und vor allem durch Emotionen beeinflusst wird (vgl. Montoye, Kemper, Saris & Washburn, 1996, S. 102 & 111).

Aufgrund der genannten Probleme war bzw. ist die Forschung bestrebt, Geräte zu entwickeln, die, unabhängig von Emotionen oder sonstigen Störvariabeln, im Stande sind, körperliche Bewegungsaktivität korrekt zu messen. Am momentanen Ende einer langen Entwicklungskette, die in den Pedometern ihren Anfang hatte und über Zwischenstufen wie den Large-Scale Integrated Motor Activity Monitor (LSI) zur Entwicklung von Beschleunigungsmessern führte (vgl. Montoye et al, 1996, S. 72ff), steht der dreidimensionale Beschleunigungsmesser RT3.

Die folgende Untersuchung soll klären, inwieweit der dreidimensionale Beschleunigungsmesser RT3 der Firma Stayhealthy in der Lage ist, das Ausmaß an körperlicher Bewegungsaktivität korrekt darzustellen, also inwieweit er in der Lage ist körperliche Bewegungsaktivität valide zu messen.

Vor der eigentlichen Untersuchung soll zunächst in groben Zügen die Entwicklung der Bewegungsaktivitätsmessung bzw. der theoretische Hintergrund der Arbeit skizziert werden (1.), ehe in einem nächsten Schritt unsere Forschungshypothesen formuliert werden (2.). Im darauf folgenden Kapitel wird die Untersuchungsmethode erörtert, indem eine Beschreibung von Versuchspersonen, Versuchsplanung, Auswertungsplanung und Datenerhebung erfolgt (3.). Daran schließen sich die Präsentation der Ergebnisse (4.) und die Diskussion eben dieser hinsichtlich der aufgestellten Hypothesen (5.) an, bevor in einem kurzen Résumé abschließend noch einmal die bedeutsamsten Aspekte und Erkenntnisse dieser Arbeit zusammengefasst werden (6.).

1 Theoretischer Hintergrund zur Untersuchung

Die Entwicklung von Geräten zur Messung von körperlicher Aktivität beginnt in den 1920ern mit den Pedometern, deren Ursprung ins späte Mittelalter reicht und deren Erfinder Leonardo da Vinci war (vgl. Montoye et al., 1996, S.72). Stunkard (1960, zitiert nach Montoye et al, 1996, S. 89) beschreibt sie wie folgt: „Pedometers are inexpensive, simple movement counters that can estimate habitual physical activity over a relatively long period without interfering with or modifying subjects´ normal lifestyles“. Pedometer zählen die Schritte während der Fortbewegung und weiterentwickelte Modelle berechnen auf dieser Basis die körperliche Bewegungsaktivität. Sie arbeiten mit Hilfe einer mechanischen Feder und oftmals weisen diese Federn unterschiedliche Spannungen auf, reagieren also ungleich sensibel. Das führt dazu, dass es selbst bei Pedometern des selben Typs zu erheblichen Abweichungen hinsichtlich der Messergebnisse kommen kann (vgl. Montoye et al., 1996, S. 74 & 89). Zudem gibt es bei Pedometern gravierende Probleme hinsichtlich der Reliabilität und Validität. Aus diesen Gründen lässt sich die körperliche Bewegungsaktivität mit einem Pedometer nur für sehr wenige Bewegungsformen wie z.B. Gehen, Laufen oder Springen feststellen. In den späten 1970ern wurde der Large-Scale Integrated Motor Activity Monitor (LSI) entwickelt, der die körperliche Bewegungsaktivität zwar immer noch auf der Basis der gezählten Bewegungen berechnet, aber im Gegensatz zum Pedometer keine mechanischen Federn mehr verwendet. Die Vorteile des LSI gegenüber dem Pedometer beschreiben Montoye et al. (1996, S. 79) daher mit: „The LSI has at least two advantages over pedometers. First, the standardization of instruments should be better, because mechanical springs are not used. Second, it may be useful in a greater number of activities because it operates on tilt rather than impact”. Jedoch gelten auch für den im Vergleich zu den Pedometern valideren LSI einige Einschränkungen. Abgesehen davon, dass der LSI relativ teuer und nicht sehr stabil ist, besteht weiter das Problem, dass der LSI „counts movement as does the pedometer and hence does not reflect forces […] well“ (Montoye et al ., 1996, S. 79).

An dieser Stelle knüpft das Verfahren der Beschleunigungsmessung an. Es folgt der Grundannahme, dass wenn sich eine Person bewegt, die dafür notwendigen muskulären Kräfte sich theoretisch proportional zur Beschleunigung der Gliedmaßen und des Körpers verhält (vgl. Montoye et al., 1996, S. 79). Das Funktionsprinzip, welches der Beschleunigungsmessung zu Grunde liegt ist die Umwandlung von kinetischer Energie – Bewegung – in elektrische Energie, die das Gerät als Beschleunigungen interpretiert und als Messdaten zum Abruf speichert.

Problematisch erscheint zunächst, dass Beschleunigungsmesser nicht in der Lage sind die statische Komponente verrichteter Arbeiten, wie z.B. die isometrische Arbeit beim Gewichtheben oder das zusätzliche Tragen von Lasten, zu erfassen. Westerterp (1999, S. 46) betont jedoch, dass im alltäglichen Leben „the effect of static exercise on the total level of physical activity is negligible“. Daher stellen Beschleunigungsmesser eine brauchbare Alternative zu bisher entwickelten Geräten dar.

Zunächst kam es zur Entwicklung der eindimensionalen Beschleunigungs-messer, für die beispielhaft der Caltrac stehen kann und den Balogun et al (1988, S. 1501) wie folgt beschreiben: „The Caltrac device is a single-plane accelerometer that monitors the up-and-down movements of the body. The movements are converted into electrical signals and displayed as digital readouts (counts in an arbitrary unit) representing a level of physical activity”.

Aufgrund der Standardisierungsprobleme, die mechanisch mit Federn betriebene Geräte mit sich bringen arbeiten die heutigen Beschleunigungsmesser alle elektronisch.

Unter kontrollierten Bedingungen sind sowohl die Test-Retest-Reliabilität als auch die Validität (für Gehen und Laufen in der Ebene, sowie Fahrrad fahren) für den Caltrac als hoch einzuordnen (vgl. Montoye et al., 1996, S. 82; Balogun et al., 1988, S. 1500), unter Feldbedingungen fallen sie geringer aus. In fast allen Situationen jedoch bescheinigen Montoye et al. (1996, S. 82) dem Caltrac, der überwiegend an der Hüfte getragen wird, eine höhere Reliabilität und Validität als dem LSI.

Eindimensionale Beschleunigungsmesser wie der Caltrac sind zwar in der Lage vertikale Bewegungen gut widerzuspiegeln, sie sind dagegen jedoch nicht sehr effektiv, wenn die Bewegungen in einer anderen Ebene als der vertikalen verlaufen. So lässt sich z. B. mit eindimensionalen Beschleunigungsmessern auch beim Laufen die Bewegungsaktivität mit steigender Laufgeschwindigkeit zunehmend schlechter erfassen, da sich ab einer gewissen Geschwindigkeit die Schrittlänge vergrößert, ohne dass die Schrittfrequenz oder die Vertikalbewegung des Körpers sich weiter erhöhen.

Dies legt die Vermutung nahe, dass ein dreidimensionaler Beschleunigungsmesser die körperliche Bewegungsaktivität besser abbilden kann, wenn Übungen unterschiedlichster Art durchgeführt werden sollen (vgl. Montoye et al., 1996, S. 85f). Bestätigung erfährt diese These, wenn Westerterp (1999, S. 47) konstatiert, dass im Sitzen durchgeführte Aktivitäten vom dreidimensionalen Beschleunigungsmesser im Gegensatz zum eindimensionalen Beschleunigungsmesser mit derselben Genauigkeit wie Laufaktivitäten erfasst werden können. Beispielhaft für einen solchen dreidimensionalen Beschleunigungsmesser, der Beschleunigungen in vertikaler Richtung und in beiden Achsen der horizontalen Richtung misst (vgl. Sherman, Morris, Kirby, Perosa, Smith, Frid & Leenders, 1998, S. 43) steht der Tritrac-R3 D, das unmittelbare Vorgängermodell des in der vorliegenden Arbeit zu untersuchenden RT3. Der Tritrac-R3 D hat die Dimensionen 11,1 x 6,7 x 3,2cm, wiegt ca. 227g, wird mit einer 9-Volt-Batterie betrieben und von Hill (http://www.stayhealthy.com/profiles/product_template2_info.cfm?L=52&I=228&d=7) hinsichtlich seiner Verwendbarkeit wie folgt beschrieben: „The Tritrac-R3 D … has earned a reputation as a valuable and accurate research instrument”.

Obwohl der Tritrac-R3 D bzgl. der Bewegungsaktivitätsmessung also brauchbare Daten liefert, wie auch Studien von Sherman et al. (1998) und Westerterp (1999) belegen, hat die Firma Stayhealthy mit dem hier zu validierenden RT3 nun einen Nachfolger präsentiert, der eine noch höhere Validität verspricht. Dies hat vor allem zwei Ursachen.

Zum einen hat der Tritrac-R3 D die Größe eines Walkmans und wird, da er zumeist an der Hüfte (z.B. am Gürtel) getragen wird, vom Nutzer als störend bzw. behindernd empfunden, weswegen das Gerät auch immer wieder versehentlichen Stößen ausgesetzt ist (vgl. http://www.stayhealthy.com/profiles/ product_template2_info.cfm?L=52&I=228&d=7). Der RT3 dagegen hat die Maße 7,1 x 5,6 x 2,8cm, wird mit einer 1,5-Volt-Batterie betrieben und wiegt inklusive der Batterie ca. 65g und ist somit nicht nur kleiner als sein Vorgänger, sondern auch erheblich leichter und damit benutzerfreundlicher. Zudem ist er somit weniger Stößen ausgesetzt.

Zum anderen setzt sich der dreidimensionale Beschleunigungsmesser Tritrac-R3 D aus drei einzelnen Beschleunigungsmessern zusammen, die von Hand in das Gerät eingebaut und festgelötet werden müssen. Es kann also durchaus zu konstruktionsbedingten Ungenauigkeiten kommen. Im Gegensatz dazu verwendet der RT3 einen integrierten dreidimensionalen Beschleunigungsmesser, der die Messung der Beschleunigungen in jede der drei Richtungen in einem Chip vereinigt (vgl. http://www.stayhealthy.com/profiles/ product_template2_info.cfm?L=52&I=228&d=7). Somit sind konstruktions-bedingte Ungenauigkeiten beim RT3 nahezu auszuschließen.

Aufgrund der genannten Fortschritte ist also davon auszugehen, dass sich der RT3 gegenüber dem Tritrac-R3 D durch eine bessere Validität auszeichnet. Jedoch liegen diesbezüglich bisher noch kaum Ergebnisse vor, weshalb an dieser Stelle nun eine Studie zur Validierung des dreidimensionalen Beschleunigungsmessers RT3 erfolgen soll.

2 Theoretische Annahmen der Untersuchung

Die Validierung des RT3 soll in zwei Schritten, zum einen in Form einer Konstruktvalidierung, zum anderen in Form einer Kriteriumsvalidierung, geschehen. Im Rahmen des theoretischen Konstrukts wird davon ausgegangen, dass bei einem Läufer mit zunehmender Laufgeschwindigkeit auch seine körperliche Bewegungsaktivität ansteigt. Dementsprechend wird angenommen, dass der dreidimensionale Beschleunigungsmesser RT3, sofern er valide misst, diese Entwicklung abbildet, also bei steigender Laufgeschwindigkeit auch eine gesteigerte körperliche Bewegungsaktivität in Form von Beschleunigungen aufzeichnet. Dies führt zur ersten Hypothese: „Die Zahl der Beschleunigungen, die der RT3 in fünf Sekunden misst, steigt mit zunehmender Geschwindigkeit an“.

Die Kriteriumsvalidierung des RT3 soll anhand der Kriterien Herzfrequenz und Anzahl der Schritte pro Zeitintervall erfolgen. Hier wird erwartet, dass die Anzahl der vom RT3 gemessenen Beschleunigungen einerseits und die Anzahl der gemessenen Schritte bzw. die Herzfrequenz andererseits mit zunehmender Laufgeschwindigkeit in etwa gleich ansteigen. Dies führt uns zur zweiten Hypothese: „Die Zahl der durch den RT3 gemessenen Beschleunigungen nimmt in gleichem Maße wie die Zahl der Schritte pro Zeiteinheit zu“ bzw. „Die Zahl der durch den RT3 gemessenen Beschleunigungen nimmt in gleichem Maße wie die Herzfrequenz pro Zeiteinheit zu“.

Wie eingangs in der Einleitung und dem theoretischen Hintergrund der Untersuchung erwähnt, sind die Beschleunigungsmessung einerseits, als auch die Herzfrequenzmessung und die Schrittzählung andererseits, wissenschaftlich genutzte Messmethoden zur Bestimmung der Bewegungsaktivität von Individuen.

Nach Montoye (1996, S.98) ist die Herzfrequenzmessung in diesem Zusammenhang ein valides Messverfahren und kann demnach in der vorliegenden Untersuchung als Außenkriterium herangezogen werden.

Im Gegensatz zu den Beschleunigungen und der Herzfrequenz stellen die Schritte das einzige äußerlich sichtbare Signal der in diesen Versuch ausgeführten Bewegungsaktivität, definiert durch Gehen und Laufen, dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.: Zusammenhang von Beschleunigung, Herzfrequenz und Anzahl der Schritte im Hinblick auf Geschwindigkeit und Bewegungsaktivität

Bei der gewählten Versuchsanordnung eines Laufbandstufentests werden die Probanden zur Bewältigung der Geschwindigkeitssteigerung mit Veränderung der Schrittfrequenz und Schrittlänge reagieren müssen, was sich in einer Veränderung der Herzfrequenz, und wie wir in dieser Untersuchung zeigen wollen, in der Anzahl der Beschleunigungen widerspiegelt. Dabei wird die Anzahl der Schritte, im Vergleich zu Pedometern, visuell erhoben um damit die Probleme dieser Geräte bezüglich Reliabilität zu umgehen. Ist für die erhobene Anzahl von Schritten die Beobachterobjektivität gegeben, wird diese als weiteres Außenkriterium herangezogen.

3 Methode der Untersuchung

In diesem Kapitel sollen nun der Untersuchungsplan und der Auswertungsplan dargestellt werden, in denen wir beschreiben wie wir planen die Daten zu erheben bzw. auszuwerten. Anschließend wird im Unterkapitel Datenerhebung der wahre Versuchsablauf skizziert. Hier wird auf evtl. aufgetretene Probleme beim Versuchsablauf hingewiesen und angeführt, wie im Hinblick auf die Auswertung darauf zu reagieren ist. Zunächst einmal sollen jedoch die Versuchspersonen näher beschrieben werden.

3.1 Untersuchungsplan

Die Versuchspersonen erhalten die Instruktion in einem gleichmäßigen Rhythmus auf dem Laufband zu gehen bzw. zu laufen. Nach einer kurzen Eingewöhnungsphase auf dem Laufband beginnt der Versuch. Der Start des Versuchs erfolgt dabei „fliegend“, d.h. der Proband geht ohne Unterbrechung des Gehens von der Eingewöhnungsphase in die erste Geschwindigkeitsstufe über. Die Anfangsgeschwindigkeit beträgt 3 km/h, alle 2 Minuten wird die Geschwindigkeit um 0,5 km/h erhöht bis die Endgeschwindigkeit von 12 km/h erreicht ist. Eine vollständige Versuchsdurchführung nimmt somit 38 Minuten in Anspruch. Damit die Geschwindigkeitserhöhung den Probanten nicht unvorbereitet trifft, zählt der die mitlaufende Uhr verwaltende Versuchsleiter1 (VL1) vor der Geschwindigkeitserhöhung laut von 5 an abwärts. Während die Versuchsperson auf dem Laufband geht / läuft, werden kontinuierlich für jede Geschwindigkeitsstufe die Anzahl der Beschleunigungen und zur späteren Kriteriumsvalidierung die Herzfrequenz und die Anzahl der Schritte erhoben.

Zur Beschleunigungsmessung wird vor dem Beginn des Versuchs der dreidimensionale Beschleunigungsmesser RT3 der Firma Stayhealthy an der Hüfte, genauer rechts am Hosenbund, angeklemmt. Dieser zeichnet die Anzahl der Beschleunigungen pro 5 Sekunden auf. Für beide Versuche wird derselbe RT3 verwendet, womit eine eventuelle Variabilität verschiedener RT3 bei der Messung als Fehlerquelle ausgeschlossen werden können.

Um die Herzfrequenz zu messen, wird die Versuchsperson mit dem Herzfrequenzmesser Polar S610i ausgestattet. Alle 5 Sekunden wird damit die Herzfrequenz aufgezeichnet. Mit entsprechender Software können später sowohl die Daten der Herzfrequenzmessung als auch die Daten der Beschleunigungsmessung mit dem Computer veranschaulicht und bearbeitet werden.

Zusätzlich werden die Schritte pro Geschwindigkeitsintervall erfasst und dokumentiert bei welcher Geschwindigkeit der Übergang vom Gehen zum Laufen stattfindet. Dies geschieht zum einen, indem Versuchsleiter2 (VL2) und Versuchsleiter3 (VL3) vor Ort während der Versuchsdurchführung die Schritte zählen und in eine vorgefertigte Liste eintragen und zum anderen, indem eine Videokamera aufgestellt wird, die den Versuch aufzeichnet und anhand deren Aufnahme später VL1 und VL2 eine weitere Schrittzählung vornehmen. Zur besseren Kontrolle und zur Erhöhung der Messwertzahl für die Auswertung wird jedoch jedes Geschwindigkeitsintervall (2 Minuten) in vier Teilintervalle à 30 Sekunden unterteilt. Aus diesem Grund stellt VL1 die parallel zum Versuch mitlaufende Uhr (Polar S510) so ein, dass sie alle 30 Sekunden ein akustisches Signal aussendet, dass den vor Ort die Schritte protokollierenden VL2 und VL3 als Orientierung dient.

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