Untersuchungen zur Analyse biomechanischer und neuromuskulärer Adaptationsprozesse der menschlichen Gang- und Laufbewegung

Abstract

Einleitung: Veränderungen der Biomechanik der unteren Extremität wurden in den vergangenen Jahren ursächlich mit einer Vielzahl laufspezifischer Beschwerden in Zusammenhang gebracht. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass ein mechanischer Ansatz allein nur unzureichende Erklärungsmöglichkeiten bietet, so dass der Versuch einer biologisch-funktionellen Betrachtung der komplexen Bewegung zunehmend in den Vordergrund des wissenschaftlichen Interesses trat. Ziel der vorliegenden Arbeit war, anhand neuromuskulärer und biomechanischer Bewegungsanalysen Adaptationsprozesse der menschlichen Gang- und Laufbewegung auf variierende externe Stimuli zu untersuchen sowie die Validität des Barfussgehens als Referenzbewegung zu überprüfen. Methode: Bei 15 beschwerdefreien Probanden wurden bei 5 und 12km/h die elektromyographische Aktivität (bipolares Oberflächen-EMG, 10 Muskeln der unteren Extremität) und die plantare Druckverteilung (Druckmessplatte und In-Schuh-Druckmesssystem) auf der Ebene, bei 5% Gefälle und 5% Steigung, auf dem Laufband und auf der Ebene sowie barfuss und beim Tragen unterschiedlicher Schuhe registriert. In einem zweiten Untersuchungsabschnitt wurde die Gangbewegung barfuss vor und nach einer fünftägigen Adaptationsphase an das Barfussgehen untersucht. Als Messgrößen dienten der Beginn, das Maximum und das Ende der Aktivierung und die normalisierten Amplituden in einzelnen Phasen des Gangzyklus. Zusätzlich wurden Geschwindigkeit und Verlauf der Ganglinie, Kontaktzeit, Schrittzykluslänge und der regionale Druck in 4 Fußarealen erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass die verwendeten Methoden in der Lage sind, Veränderungen bei verschiedenen Belastungsarten zu differenzieren. So kompensieren die Probanden die Instabilität auf dem Laufband mit einem früheren Beginn der Aktivierung der Oberschenkelmuskulatur und des M. peroneus longus und einem geringeren medio-lateralen Bewegungsausmaß. Bergab finden sich in Gang und Lauf ebenfalls eine frühere Aktivierung des M. peroneus longus und der Streckschlinge des Unterschenkels. Der Druck im Rückfuß ist erhöht. Bergauf wird der M. tibialis anterior früher, die Streckschlinge später aktiviert. Der Druck unter dem Rückfuß ist geringer. Beim Vergleich des Abrollvorgangs barfuss und in einem Schuh zeigten sich hingegen nur wenige Unterschiede. Nach der fünftägigen Adapationsphase an das Barfusslaufen konnten in keiner der verwendeten Messgrößen Unterschiede nachgewiesenen werden. Zusammenfassung: Es wird geschlossen, dass die menschliche Gang- und Laufbewegung in komplexer Form an veränderte externe Bedingungen zu adaptieren in der Lage ist. Die Barfussbewegung direkt nach dem Ausziehen der Schuhe darf hierbei als valide Referenz gelten. Die Grenzen der physiologischen Adaptation näherungsweise festzulegen bleibt Ziel weiterer Untersuchungen mit Patienten

Introduction: Concerning the etiology of running injuries, changes in lower limb biomechanics are thought to be an important factor. It could have been shown that mechanical evaluation alone therefore provides insufficient information. Thus, functional evaluation techniques recently became more and more important. The purpose of the present study was to provide baseline data of the human walking and running gait in healthy individuals and to investigate biomechanical and neuromuscular adaptations of the gait cycle to various external stimuli (such as slope, treadmill and wearing shoes). Additionally, the validity of barefoot walking as a reference condition in gait analysis was evaluated. Methods: 15 complaint free subjects were included in the study. Electromyographic activity (bipolar surface-EMG, 10 lower extremity muscles) and plantar pressure distribution (platform and insoles) were recorded at 5 and 12 km/h over ground and on a treadmill at 0% and 5% inclination and declination. In a second part, evaluation of the gait cycle was performed before and after an adaptation phase to barefoot walking of 5 days. The following quantities were calculated from the EMG signal: After signal processing, begin, maximum and end of activation were analysed to characterize muscular coordination pattern. Normalised amplitudes in the different phases of the gait cycle showed the relative magnitude of the activation. From plantar pressure distribution, path and velocity of the centre of pressure, contact time, stride time and peak/mean pressure in 4 different regions of the foot (rear foot, mid foot, forefoot and toes) were extracted for further analysis. Results: Differentiation of the various constraints is possible by the use of the two measuring systems. The instability in treadmill walking and running is compensated by an earlier begin of activation in thigh muscles and m. peroneus. Running downhill is characterized by an earlier activation of m. peroneus and the extensor loop and increased pressure under the rear foot. Uphill running lead to an earlier activation of m. tibialis anterior and a later activation of the extensor loop. Pressure under the rear foot is increased. Comparison of barefoot and shod running showed only minor differences. In none of the evaluated quantities changes due to the adaptation phase to barefoot walking could have been shown. Summary: It is concluded that human gait cycle is adapting in a complex way to external stimuli. Measurements after removing of the shoes can be considered valid recordings of the human barefoot walking gait. To define limits of a non-pathological gait remains the aim of further investigations including patients.