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Zum Einfluss instabiler Sohlenkonstruktionen auf biomechanische Parameter im Stehen und Gehen
Brian Horsak
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Sportwissenschaft und Universitätssport
Betreuer*in
Arnold Baca
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.22590
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29527.11140.961761-9
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Einleitung: In den letzten Jahren fand eine durchaus intensive Bewerbung von instabilen Schuhkonstruktionen als Schuhwerk, welches "förderlich" für die Gesundheit ist, statt. Auch wenn sich bereits einige AutorInnen in ihrer Forschung diesem Thema gewidmet haben, fehlen bis jetzt immer noch reliable Ergebnisse, vor allem in Untersuchungen zu Gelenksmomenten und daraus resultierenden Gelenksbelastungen (vgl. Nigg et al, 2006; Romkes et al., 2006). Das Verständnis über Effekte dieser instabilen Schuhkonzepte, wie der Masai Barfuß Technologie auf Muskelaktivitätsmuster, Gelenksbelastungen und Gelenkskinematik, ist sowohl für Ärzte und Ärztinnen, TherapeutInnen, als auch für Personen, die solche Schuhe tragen, von großer Bedeutung. Reliable experimentelle Ergebnisse sind notwendig, um ein zuverlässiges Verständnis über Wirkungsweise dieser Schuhkonzepte auf biomechanische Vorgänge im Stehen und Gehen zu erhalten. Zudem wurde vor Kurzem ein weiteres instabiles Schuhkonzept von der Firma Reebok, die Easy Tone-Technologie (ET), vorgestellt. Diese Schuhe nutzen zwei Luftpolster im Vorfuß- und Fersenbereich, um Mikro-Instabilität beim Gehen zu erzeugen. Nach den Angaben des Herstellers sollen durch das Tragen dieser Schuhe Muskelaktivitäten erhöht und dadurch ein Trainingsreiz ausgelöst werden. Diese Arbeit verfolgt zwei Ziele: (1) angesichts der derzeitigen Inkonsistenz in veröffentlichten Ergebnissen über Wirkungsweise des MBT Schuhs, war Ziel dieser Arbeit, weitere Ergebnisse über Muskelaktivitäten, Kinematik und Kinetik beim Gehen zu erheben und zur bestehenden Evidenz in Bezug zu setzen; (2) aufgrund der Tatsache, dass bis jetzt keine publizierten Ergebnisse über die Wirkungsweise der ET Schuhe vorliegen, lag das zweite Ziel dieser Arbeit darin, die unmittelbaren Auswirkungen der Verwendung von ET Schuhe auf kinetische, kinematische Parameter und auf die Muskelaktivitäten während des Gehens zu erheben und zu untersuchen. Methoden: Insgesamt nahmen 24 ProbandInnen an dieser Studie teil und wurden entweder zu einer ET-Gruppe (Alter: 25 ± 4 Jahre, Körpergröße: 172 ± 11 cm, Körpermasse: 67 ± 11kg) oder MBT-Gruppe (Alter: 25 ± 6 Jahre, Höhe: 174 ± 7cm, Masse: 68 ± 10 kg) zugeteilt. Für beide Gruppen bestand das Studienprotokoll aus zwei Testsituationen: Gehen mit normalen Schuhen und mit den Testschuhen (MBT/ET). Die ProbandInnen der MBT Gruppe wurden zudem angewiesen, die MBT Schuhe zwei Wochen vor den Aufnahmen zu tragen, um sich an die Schuhe zu gewöhnen. Eine 3D-Ganganalyse wurde mit einem Motion-Capture-System (VICON), bestehend aus acht Kameras (200Hz), dem VICON Plug-In-Gait-Modell, einer Kraftmessplatte (1000Hz, Kistler) und einem Oberflächen-EMG System mit einer Aufnahmefrequenz von 1000Hz (DELSYS) durchgeführt. Muskelaktivitäten wurden von folgenden Muskeln erhoben: M. glutaeus maximus (GM), M. biceps femoris (BF), M. gastrocnemius medialis (GMM), M. vastus medials (VM) und laterlis (VL), M. tibialis anterior (TA) und M. peroneus longus (PL). Für jede Testsituation wurden jeweils sechs Versuche erfasst und gemittelt. Alle Daten wurden über einen Gangzyklus (GZ) zeitlich auf 100% normiert. Die statistische Auswertung erfolgte durch paarweise Vergleiche der biomechanischen Parameter zwischen beiden Testsituationen. Alle p-Werte wurden aufgrund des Problems des multiplen Testens entsprechend der Benjamini-Hochberg Prozedur korrigiert. Ergebnisse: In der MBT-Gruppe konnten für Weg-Zeit-Parameter (WZP) folgende Unterschiede festgestellt werden: der Zeitpunkt des Toe-Off (-1,4%, p = 0,036) war signifikant reduziert, während die Gehgeschwindigkeit (3%, p = 0,028) und die Gangzykluslänge (2%, p = 0,005) signifikant anstiegen. Die mittlere Thoraxneigung zeigte keine signifikanten Unterschiede, allerdings zeigte die mittlere Beckenkippung eine tendenzielle (2,6%, p = 0,061) Erhöhung. Zusätzlich konnten weitere signifikante Unterschiede (p ≤ 0,05) in kinematischen Parametern gefunden werden. In Bezug auf die Kinetik zeigte das erste und zweite max. ext. Moment des Kniegelenks (-29,5%, -405,2%, p = 0,001, p = 0,000) und das max. plant. flex. Moment des Sprunggelenks (-60,4%, p = 0,001) eine signifikante Reduzierung. Alle anderen kinetischen Parameter der Sagittalebene zeigten keine Unterschiede. In den Adduktionsmomenten des Kniegelenks konnte eine geringfügige Reduktion festgestellt werden (p < 0,05). Die mittleren Muskelaktivitäten zeigten eine signifikante Reduktion des TA (-54,3%, p = 0,022) während der Loading Response Phase sowie eine tendenzielle Reduzierung für den PL (-20,7%, p = 0,067) während der Pre Swing Phase (PSw). Ein tendenzieller Anstieg der GMM Aktivität (9,3%, p = 0,054) in der terminalen Standphase (TSt) und der Aktivität des TA (39,4%, p = 0,049) während der PSw Phase konnte zudem auch festgestellt werden. Für die ET-Gruppe konnte eine leicht erhöhte Gehgeschwindigkeit (3,2%, p = 0,021) und Schrittlänge (3,1%, p = 0,009) festgestellt werden, während die Schrittdauer eine Reduktion (-1,1%, p = 0,028) aufwies. Ein geringer, aber signifikanter Anstieg der Hüftflexion während des initialen Bodenkontakts (3,3%, p = 0,031), eine reduzierte maximale Knieflexion (-4,5%, p = 0,009) und eine Reduktion des Range of Motion (ROM) im Kniegelenk (-4%, p = 0,027), sowie eine Reduktion der Plantarflexion (-21,6%, p = 0,016) und des ROM im Sprunggelenk (-16%, p = 0,009) der Sagittalebene konnten ebenfalls festgestellt werden. Kinetische Parameter zeigten ein leicht erhöhtes maximales Hüftflexionsmoment (3,6%, p = 0,013) und ein erhöhtes maximales Plantarflexionsmoment im Sprunggelenk (13,1%, p = 0,036). Die mittlere Muskelaktivierung betreffend, zeigten sich einige Trends in Richtung einer Zunahme vor allem für die späte Standbeinphase im VM und TA (44,9% und 32,8%, p > 0,05), während der BF eine Tendenz zur Reduktion der mittleren Aktivität von bis zu 41,7% (p> 0,05) in der Standphase zeigte. Der GM zeigte einen moderaten Anstieg von 4,6% (p> 0,05) und der PL von 12,4% (p> 0,05) beim initialen Bodenkontakt. Diskussion: Die Ergebnisse für WZP der MBT-Gruppe zeigten sich konträr zu bisher veröffentlichten Daten (vgl. Romkes et al, 2006.). Die Ergebnisse für kinematische und kinetische Daten wiederum unterstützen die bereits publizierten Ergebnisse anderer Studien großteils. Mittlere Muskelaktivitäten zeigten ähnliche Ergebnisse für GMM und TA zu den in der Literatur beschriebenen. Die Daten dieser Studie tragen zu einem weiteren Teil dazu bei, ein zuverlässigeres Verständnis über Wirkungsmechanismen der MBT Schuhe beim Gehen zu erlangen. Was die ET-Gruppe betrifft, kann vermutlich davon ausgegangen werden, dass diese Studie die Erste ihrer Art war, welche Daten zu unmittelbaren Auswirkungen der ET-Technologie auf die Gangcharakteristiken erhoben hat. Für die ET Schuhe konnten sowohl in kinematischen und kinetischen Parametern Veränderungen festgestellt werden, des Weiteren zeigten sich tendenzielle Unterschiede in den Muskelaktivitäten. Weitere Studien sind notwendig um diese Ergebnisse zu prüfen. Schlussfolgerung: Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass beide Schuhkonzepte die biomechanischen Abläufe im Gehen großteils positiv beeinflussen. Sowohl für das Konzept der Firma MBT bestehen mögliche positive Ansatzpunkte im Bereich der Prävention, Therapie und eventuell sogar im Bereich der Rehabilitation, als auch für den ET-Schuh zeigte sich ein positiver Wirkungsmechanismus für das Trainieren der Muskulatur der unteren Extremitäten beim Gehen. Festgehalten muss aber auch werden, dass speziell für den MBT Schuh durch eine deutliche Reduktion der Muskelaktivität während der IC Phase dem/der NutzerIn bei hoher und regelmäßiger Tragedauer ein Nachteil durch eine mögliche Abschwächung der prätibialen Muskulatur entstehen kann. Des Weiteren gilt zu beachten, dass durch das Tragen der ET Schuhe vor allem die vertikalen BRK sowie sagittale Momente in Hüft- und Kniegelenk leicht erhöht waren.
Abstract
(Englisch)
Introduction: In the last few years, there was a significant increase in promotion of unstable shoe constructions as a footwear, which is “beneficial” for health. Even though some authors have conducted research in the field of instable shoe constructions, there is still a gap in consistent results, especially for joint loadings (e.g. Nigg et al.,2006; Romkes et al., 2006), and there is still a lack of research for the effect on trunk kinematics. The understanding of the impact of instable shoe constructions on muscle activation, joint loadings and joint kinematics is a very important task, as well for clinicians and therapists, and for people using such shoes in their everyday life. Consistent experimental results are necessary to obtain a reliable understanding of the effect of such shoes on gait biomechanics. Further, a relatively new instable sole construction was introduced recently by Reebok, the Easy Tone Technology (ET), which uses two built-in balance pods in the forefoot and heel areas, in order to create micro-instability during each step. The purpose of this study was twofold: (1) given the present inconsistency of prior published results for the MBT shoe, the aim of this study was to obtain further results of biomechanical effects on muscle activation patterns, joint kinematics and loadings and on trunk kinematics during gait with the Masai Barefoot Technology – MBT; (2) since there is a lack of published data concerning the Reebok ET shoes, the second aim of this study was to investigate the immediate effects of using ET footwear on kinetic, kinematic and muscle activation patterns during gait. Methods: A total of 24 subjects volunteered to participate in this study and were allocated to a ET (age: 25±4years, height: 172±11cm, mass: 67±11kg) or MBT group (age: 25 ± 6years, height: 174 ± 7cm, mass: 68 ± 10kg). The study protocol consisted of two conditions: walking at self-selected walking speed with a pair of regular shoes and with the MBT/ET shoes. 3D gait analyses were performed using a motion capture system (VICON), comprising of eight cameras at 200Hz, the VICON Plug-In-Gait model, one force plate at 1000Hz (KISTLER) and surface EMG at 1000Hz (DELSYS): M. glutaeus maximus (GM), M. biceps femoris (BF), M. gastrocnemius medialis (GMM), M. vastus medials (VM) and laterlis (VL), M. tibialis anterior (TA) and M. peroneus longus (PL). In each condition, six walking trials per subject were captured and averaged. All data were time normalized over one gait cycle (GC). Statistical analyses were performed using paired tests. Because of the multiple testing problem all p-values were corrected using the Benjamini-Hochberg procedure. Results: Concerning the MBT group for time-distance parameters (TDP), foot-off (-1,4%, p = 0.036) showed a significant reduction, whereas walking speed (3%, p = 0.028) and stride length (2%, p = 0.005) increased for the MBT shoe condition. Mean thorax tilt showed no significant differences during GC but pelvis tilt showed a trend towards an increase (2,6%, p = 0.061). Further, significant differences (p ≤ 0.05) in kinematic parameters were found. Concerning kinetics, first and second max. ext. moment of the knee joint (-29,5%, -405,2%, p = 0.001, 0.000) and max. plat. flex. moment of the ankle joint (-60,4%, p = 0.001) were significantly reduced. All other sagittal plane kinetics showed no differences. For adduction moments in the knee joint moderate reductions were found (p < 0,05). Mean muscle activation patterns showed a significant reduction of TA (-54,3%, p = 0.022) during LR and for PL a trend towards an decrease (-20,7%, p = 0.067) during pre swing (PS). A trend towards an increase of GMM (9,3%, p = 0.054) during terminal stance (TS) and of TA (39,4%, p = 0.049) during PS for the MBT shoe condition was also found. For the ET group, walking with ET footwear slightly increased walking speed (3.2%, p=0.021) and stride-length (3.1%, p=0.009), whereas step time was somewhat reduced (-1.1%, p=0.028). Small but significant increase of hip flexion during initial contact (3.3%, p=0.031), decreases in maximum knee flexion (-4.5%, p=0.009), knee range of motion (-4%, p=0.027), ankle plantar-flexion (-21.6%, p=0.016) and ankle range of motion (-16%, p=0.009) in sagittal plane were found. Kinetics showed slightly increased maximum hip flexion moments (3.6%, p=0.013) and maximum ankle plantar-flexion moments (13.1%, p=0.036). Mean muscle activation showed some trends towards an increase, especially for late stance phase of VM and TA (44.9% and 32.8%, p>0.05), whereas BF showed trends towards a reduction of up to 41.7% (p>0.05) during stance. GM showed a moderate increase of 4.6% (p>0.05) and PL of 12.4% (p>0.05) during initial contact. Discussion: Results for TDP of the MBT group showed different results when compared to prior published data (e.g. Romkes et al., 2006). Results for kinematic and kinetic data of other studies using the MBT shoe could be partly supported. Muscle activation patterns showed similar results for GMM and TA. To a certain extent, data in this study can help to get a more reliable understanding of effects imposed by walking with MBT shoes. Concerning the ET group, according to the author’s knowledge, this study was the first investigating immediate effects of the recently proposed ET technology on gait characteristics. The unstable shoe produced some changes in kinematic, kinetic as well as trends in EMG characteristics. Trends, especially for mean muscle activation, suggest that walking with ET shoes can possibly increase muscle activation during late stance phase while slightly increasing external sagittal moments in hip and ankle joints. These results need to be validated through further studies. Conclusion: In conclusion, it can be stated, that both footwear concepts can have positive effects on biomechanical parameters. The concept of the MBT company can presumably be used in a positive way in the field of prevention, therapy, and possibly even in the field of rehabilitation. Further, also the ET shoe concept showed positive effects for using those shoes as an exercising tool for strengthening lower extremity muscles during every day life. But it has to be outlined that there are also possible shortcomings in using those shoe concepts: for the MBT shoe a significant reduction of muscle activity of the pretibial muscles during the phase of the IC was found. Wearing these shoes extensively could possible lead to a weakening of the pretibial muscles. In addition, wearing ET shoes seems to influence especially the vertical GRF and sagittal moments of the hip and knee joints negatively.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
EMG gait analysis biomechanics unstable shoe constructions
Schlagwörter
(Deutsch)
EMG Ganganalyse Biomechanik instabile Sohlenkonstruktion
Autor*innen
Brian Horsak
Haupttitel (Deutsch)
Zum Einfluss instabiler Sohlenkonstruktionen auf biomechanische Parameter im Stehen und Gehen
Paralleltitel (Englisch)
Effects of unstable shoe constructions on biomechanical parameters during standing and walking
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
158 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Deutsch
Beurteiler*innen
Arnold Baca ,
Kerstin Witte
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges ,
76 Sport, Freizeit, Erholung > 76.12 Biomechanik, Bewegungslehre
AC Nummer
AC10730057
Utheses ID
20167
Studienkennzahl
UA | 091 | 481 | |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1