Wissenschaftliche Schriftenreihe des Forschungsinstituts der Eidgenössischen Turn-und Sportschule Magglingen Nr.9 Benno Maurus Nigg Menschliche Mikrovibrationen Darstellung einerneuen Messmethode Standardisierung und Anwendung in Normal- und Belastungssituationen 1977 Springer Basel AG CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Nigg, Benno Maums Menschliche Mikrovibrationen: Darst. e. neuen Messmethode; Standardisierung u. Anwendung in Normal-u. Belastungssituationen.- l.Aufl Basel: Birkhäuser, 1977. (Wissenschaftliche Schriftenreihe des Forschungs instituts der Eidgenössischen Turn-und Sport schule Magglingen; Nr. 9) ISBN 978-3-7643-0851-3 ISBN 978-3-0348-5320-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-5320-0 Nachdruck verboten. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen und der Reproduktion auf photostatischem Wege oder durch Mikrofilm, vorbehalten. ©Springer Basel AG 1977 Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel 1977 Gesamtherstellung: Birkhäuser AG, Basel Inhaltsverzeichnis Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Zielsetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3 Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1 Symbole und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2 Bestimmen der Kraftamplituden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 Bestimmen des betragsmässigen Impulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.5 Versuchsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6 Versuchspersonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.7 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.8 Fehlerabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.81 Systembedingter Messfehler.................................. 23 3.82 Objektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.83 Testwiederholungsreliabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4 Resultate und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1 Vorversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.11 Messungen mit der Kraftamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.111 Geschlecht, Alter und die absoluten Kraftamplituden . . . . . . 25 4.112 Geschlecht, Alter und die relativen Kraftamplituden . . . . . . . 26 4.113 Bemerkungen zu den Messungen der Kraftamplituden . . . . . 28 4.12 Messungen mit dem betragsmässigen Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.121 Der betragsmässige Impuls und die Stellung der Füsse . . . . . . 28 4.122 Der betragsmässige Impuls und die Herztätigkeit . . . . . . . . . . 31 4.123 Kurz- und Langzeitfluktuationen beim betragsmässigen Im- puls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.124 Der betragsmässige Impuls und der Einfluss von Kaffee . . . . . 36 4.13 Bemerkungen zu den Vorversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Das Gleichgewichtsverhalten als Funktion des Alters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.21 Geschlecht, Alter und der betragsmässige Impuls beim bipedalen Stehen mit offenen Augen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.22 Geschlecht, Alter und der relative betragsmässige Impuls beim bipedalen Stehen mit offenen Augen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.23 Geschlecht, Alter und der betragsmässige Impuls beim monopeda- len Stehen mit offenen Augen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.24 Geschlecht, Alter und Testbeherrschung beim monopedalen Stehen mit geschlossenen Augen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.25 Geschlecht, Alter und Messwertunterschiede zwischen offenen und geschlossenen Augen beim bipedalen Stehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.26 Bemerkungen zu den «Normalwerten» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3 Das Gleichgewichtsverhalten in Prüfungssituationen, im Vorstartzustand und bei psychomotorischen Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.31 Hypothese für die Bedeutung der einzelnen Komponenten . . . . . . . . 50 4.32 Der betragsmässige Impuls in Prüfungssituationen . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.33 Der betragsmässige Impuls im Vorstartzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.34 Allgemeine Bemerkungen zu Belastungssituationen . . . . . . . . . . . . . . 58 4.35 Der betragsmässige Impuls und psychomotorische Störungen . . . . . . 60 4.351 Einführung in die Thematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.352 Der betragsmässige Impuls als Diagnosemittel zur Erfassung von psychomotorischen Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7 Anhang............................................................... 73 7 1 Einleitung Erforschung und Analyse des Gleichgewichts bzw. des Gleichgewichtsverhaltens des Men schen sind schon seit langer Zeit Objekt wissenschaftlicher Forschung. Viele Forscher haben sich mit zum Teil recht unterschiedlichen Messmethoden mit dem Fragenkomplex des Gleichgewichtsverhaltens auseinandergesetzt Die grosse Anzahl der verschiedenartigen Arbeiten auf diesem Gebiet weist unter anderem auf das grosse Interesse der Forschung an diesem Thema hin. Der Begriff des Gleichgewichts ist vom physikalischen Standpunkt aus wohl definiert. Der Begriff des menschlichen Gleichgewichtsverhaltens ist vom biomechanischen Standpunkt aus gesehen jedoch nicht klar festgelegt. Zur Unklarheit des Begriffs kommt noch die Unklarheit der Bedeutung hinzu. Es stellt sich also die Frage, welche Messwerte ein Mass für das sogenannte Gleichgewichtsverhalten sind und welche Bedeutung diese Messwerte haben. Historisch finden wir Arbeiten zur Messung des Gleichgewichts schon früh. Wohl als einer der ersten hat VIERORDT [66] 1864 Schwankungsmessungen im Stehen durchgeflihrt. Auf dem Scheitel der Versuchsperson wurde in axialer Richtung ein Pinsel befestigt, der die horizontale Bewegung des Kopfes auf eine Russplatte aufzeichnete. Mit dieser Methode sollten die Stabilitätsgrade der verschiedenen Stehweisen ermittelt werden. Er untersuchte Unterschiede zwischen Stehen mit offenen und mit geschlossenen Augen auf einem und auf beiden Beinen. Es zeigte sich dabei, dass die Schwankungen vor- und rückwärts grösser waren als die Schwankungen seitwärts (qualitativ). Diese Methode wurde im wesentlichen von LEITENSDORFER [62]1897 übernommen. Er war Militärarzt und machte seine Untersuchungen an Soldaten. An Stelle des Pinsels wurde die Helmspitze flir die Aufzeichnungen benützt. Seine Helmspitzenzeichnungen nannte er «Kephalogramme». Von den Kephalogrammen bestimmte er die maximalen Amplituden und fand, dass sich die seitlichen Schwankungen zu den Schwankungen vorwärts-rückwärts wie 1:3 verhalten. Die Methode von VIERORDT und LEITENSDORFER fand allerdings keine Nachfolger, da sich aus den Helmspitzenkurven nur die meist sehr zufälligen Maximalwerte ablesen liessen. Mit einer modifizierten Waage von BoRELLI und Du Bms-REYMOND konnte BASLER [7]1929 zeigen, dass die Körperschwankungen beim Stehen auf die Lage des Körperschwerpunktes einen Einfluss haben. Von ScHWARTZ [95] wurde 1937 das Gleichgewichtsverhalten während des Gehens unter sucht. Er war Fussorthopäde und interessierte sich vor allem für Unterschiede zwischen dem normalen und dem abnormalen Gang. BAss [8] entwickelte 1939 zwei Gleichgewichtstests, den Balance Stick Test flir das statische und den Stepping Stone Test für das dynamische Gleichgewicht. Diese beiden Tests wurden in der Folge von einer ganzen Reihe von Forschern angewendet. Sie untersuchte damit 350 Versuchspersonen nach Faktoren, die das Gleichgewichtsverhalten - nach dieser Methode analysiert - beeinflussen. LIEBERT [66] knüpfte 1941 an die Methoden von VIERORDT und LEITENSDORFER an und konnte mit einer Messvorrichtung, die auf dem Prinzip der Komähre beruht (Integration), die Summe sämtlicher Schwankungen der Helmspitze in der horizontalen Ebene bestimmen. Auf Grund der - allerdings mit wenigen Versuchspersonen - erhaltenen Resultate kam er zum Schluss, dass die Versuchspersonen in zwei Gruppen eingeteilt werden können, solche mit kleinen und solche mit grossen Ausgleichsbewegungen. Interessant ist seine Feststellung, dass das Stillstehen nicht trainiert werden kann. CORTI [14] untersuchte 1959 das Verhalten der Versuchspersonen während des Stehens mit 8 Einleitung einem sogenannten Tarachometer, einer «elektrisch gelagerten Plattform». Mit diesem Meßsystem konnte er die Bewegungsgeschwindigkeit der Plattform bzw. ihr Integral oder Differential bestimmen. Ferner lieferte das Meßsystem die Anzahl der Nulldurchgänge der Messkurve in vertikaler Richtung. Mit den Untersuchungen von CoRTI [14] und WYss [110] kam ein neuer Aspekt in die Analyse des Gleichgewichtsverhaltens. Die beiden Autoren wiesen auf mögliche Zusammenhänge mit den von RoHRACHER [87] schon 1946 postulierten Mikrovibrationen hin. Zudem sah CoRTI die Möglichkeit, selbst psychische Zustände zu quantifizieren. Es scheint jedoch, dass grossangelegte Messungen an technischen Schwierig keiten scheiterten. HuFFMAN [44], die hier stellvertretend flir eine grosse Anzahl von Untersuchungen steht, hat 1964 das dynamische Gleichgewichtsverhalten mit Gehen über verschieden breite Balken zu quantifizieren versucht. Bei solchen Versuchsserien wurde jeweils die Länge der Balancier strecke oder auch die Balancierzeit als Mass gewählt. Analoge Balancierübungen wurden für das statische Gleichgewichtsverhalten benützt, wobei die Balancierzeit als Mass verwendet wurde. SCHILLING [90] 1968 setzte zur Analyse motorischer Behinderungen nach kindlichen Hirnschädigungen eine Kraftmessplatte ein. Als Messgrösse wurde der Abweichungsdurch schnitt der Kraftamplituden gewählt. Zur Analyse von Hirnschädigungen kam ScHILLING Helmspitzenzeichnungen. r-- Gemessen wird die horizontale Bewegung des Kopfes. ~ Stehen auf einem Balken. Gemessen wird die Balancierzeit. Stehen auf einer Kraftmessplatte. Gemessen wird der Abweichungsdurch- schnitt der Reaktionskräfte, die Bewegung quasistatisch - der horizontalen Kraftvektorspitze oder die Anzahl der Nulldurchgänge der Kraft- kurve. l J Stehen auf beweglicher Unterlage. Gleichgewichts- - Gemessen wird die Balancierzeit oder die verhalten Anzahl der Nulldurchgänge der Unter- Iage. Stehen bei Krafteinwirkungen von aussen. - Gemessen werden Reaktionen in der Muskulatur (EMG) oder die Standdauer. Balancieren auf einem Balken. dynamisch f- Vor-und rückwärts. Gemessen wird die Balancierstrecke. Abb.l Zusammenstellung der wichtigsten Messmethoden flir das Gieichgewichtsverhalten. 9 Einleitung allerdings später vom Einsatz dieser Methode wieder ab und verwendete den Test «Rück wärtsbalancieren über verschieden breite Balken». KoBAYASHI [54] untersuchte 1973 die Standfestigkeit von in verschiedenen Positionen stehenden Menschen unter Einwirkung äusserer Kräfte, wobei die äusseren Kräfte und EMG an verschiedenen Körperstellen gemessen werden. Analoge Messungen wurden von WILLEMS [109]1974 an 51 Versuchspersonen durchgeführt, wobei die äussere Störung durch die langsam bewegte Plattform induziert wird. NEWELL [77] untersuchte 1974 mit einem sogenannten Stabilometer, das zum ersten Mal beim MuMBY beschrieben wurde, Lernvorgänge bei männlichen und weiblichen Versuchs personen. Dabei war die Plattform, auf der die Versuchspersonen standen, bezüglich einer Achse beweglich gelagert, und die Anzahl der Nulldurchgänge pro Zeiteinheit bzw. die Dauer der Balance wurde als Messgrösse gewählt. In bezug auf die angewandte Methodik gibt Abb. I eine orientierende Übersicht. Helmspitzenzeichnungen Diese Methode ist - wie schon bemerkt - der älteste Versuch, das Gleichgewichtsverhalten zu quantifizieren. Die Methode ist relativ einfach in der Durchführung. Sie kann allerdings heute mit elektronischen oder optischen Mitteln noch effizienter gestaltet werden. Bei der elektronischen Methode bedient man sich der Gummifadengoniometrie (NEUKOMM [78]). Am Körperpunkt, von welchem man die horizontale Bewegung analysieren will, werden zwei Gummifäden befestigt, die dann als Sofortinformation den ebenen Bewegungs verlauf des Messpunktes liefern. GONIOMETER - WINKEL- - OMEGA- - RECORDER GERÄT VE RSUCHS- GONKlMETER PERSON Abb.2 Schematische Darstellung einer Schwankungsmessung mit der Gummifadengoniometrie. Bei der optischen Methode wird am zu untersuchenden Körperpunkt ein konstant oder intermittierend leuchtendes Lämpchen befestigt. Eine Photokamera wird mit ihrer Achse senkrecht zur Bewegungsebene aufgestellt. Die Photo zeigt dann das Bild der ebenen Bewegung des untersuchten Körperpunktes während der Belichtungszeit Beide Methoden sind einfach und sicher. Ein Nachteil besteht darin, dass die Auswertung vorerst noch zu definieren ist. Wenn man die maximalen Amplituden in den beiden Achsenrichtungen bestimmt, so läuft man Gefahr, dass die Resultate zufällig streuen. Die Testwiederholungsreliabilität ist denn auch sehr klein, Wenn man die konvexe Fläche, die durch die Bahnkurve beschrieben wird, zur Auswertung benützt, wird die Reliabilität wohl grösser, doch die Richtungsinformation geht verloren. Ein weiterer Nachteil besteht darin, 10 Einleitung dass mit dieser Methode nur die Bewegung eines Körperpunktes - z. B. des Kopfes - analysiert wird, die als Resultat einer Reihe von Teilbewegungen des ganzen Körpers verstanden werden muss. Es könnte der Fall sein, dass der Kopf relativ ruhig ist, die Hüfte aber relativ unruhig oder umgekehrt. y X Abb.3 Beispiel einer Kopfkurve während 30 Sekunden. Stehen aufe inem Balken Bei diesem von BAss [8] eingeführten Test, mit dem vor allem im angelsächsischen Bereich mit leichten Modifikationen viele Untersuchungen durchgeführt wurden, werden mono bzw. bipedales Stehen auf verschieden dicken und verschieden hohen Balken gemessen. Als gebräuchlichstes Mass wird die Balancierzeit verwendet. Die Methode ist sehr einfach, aber auch sehr undifferenziert. Ausser einer Stoppuhr und einigen verschiedenen Holzbalken benötigt man keine weiteren Hilfsmittel. Stehen auf einer Kraftmessplatte Bei dieser Messform des quasistatischen Gleichgewichtsverhaltens steht die Versuchsperson auf einer Unterlage, die die Reaktionskräfte - in früheren Messungen nur in vertikaler Richtung, heute in allen drei Raumkomponenten - misst. Die Kraftmessplatten arbeiteten früher auf dem Prinzip der Tauchspulen (CORTI [ 14]). Heute werden meist Systeme verwen det, die auf dem Prinzip des Piezoeffekts oder der Dehnmeßstreifen arbeiten. Zur Auswertung können die Anzahl der Nulldurchgänge der Kraftkurve pro Zeiteinheit mit dem Tarachometer nach CORTI [14] die durchschnittlichen bzw. die maximalen Kraftampli tuden, der Abweichungsdurchschnitt der Kraftamplituden (ScHILLING [90]) oder das Dia gramm der Spitze des horizontalen Kraftvektors (mit dem Statokinesimeter nach BARON [6]) benützt werden. Diese Messmethode ist technisch meist sehr aufwendig, liefert jedoch Aussagen über Kräfte in den drei Richtungen. Es zeigte sich, dass mit den beschriebenen Auswertmethoden der Informationsgehalt der Messmethoden nicht voll ausgeschöpft ist. Bei der Auswertung treten