Visuell induzierte Perturbation des Center of Pressure (CoP)

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Die Kontrolle der Körperhaltung
1.1.1 Das visuelle System
1.1.2 Das vestibuläre System
1.1.3 Das Propriozeptive System
1.1.4 Körperschwerpunkt vs. Druckmittelpunkt
1.1.5 Die Rambling und Trembling Komponenten des CoP
1.2 Die Posturographie
1.2.1 Die statische und dynamische Posturographie
1.2.2 Die direkte und indirekte Posturographie
1.3 Visuell induzierte Perturbation mittels Prismenbrille
1.3.1 Historischer Überblick
1.3.1 Die Prismenbrille
1.4 Zielsetzung und Fragestellung der Arbeit

2. Methodik
2.1 Versuchspersonen
2.2 Messinstrumente
2.3 Das Protokoll und die Aufgaben
2.4 Messvariablen
2.5 Datenauswertung/ - analyse

3. Ergebnisse
3.1 Aufgabe "Stehen"
3.2 Aufgabe "Schwanken"

4. Diskussion

5. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb.1: zeigt den typischen zeitlichen Verlauf der CoM und CoP Schwankungen in der anterioren-posterioren Richtung für eine mit offenen Augen stehende junge gesunde Person

Abb. 2: Beziehung zwischen Center of Gravity (CoG) und Center of Pressure (CoP)

Abb.3: Die Trajektorie des Center of Pressure und die Rambling Trajektorie in der A/P Richtung beim Stehen. Die Differenz aus den Trajektorien des CoP und des Ramblings ist definiert als die Trembling Trajektorie

Abb.4: Die Kraftmessplatte mit der elektromagnetischen Spule für den Start- und Endpunkt der Messungen und das "iPad 2 mini" mit dem Programm "SensorData"

Abb.5: Das verwendete System der statischen Posturographie

Abb.6: Die Prismenbrille für die visuell induzierte Perturbation und ein Poster von Johnny Cash zur veränderten visuellen Wahrnehmung

Abb.7: Ein exemplarisches Beispiel für die Darstellung der 30 sekündigen Messung eines Probanden in "R" beim statischen Gleichgewicht (Aufgabe "Stehen")

Abb.8: Die einmaligen Messungen des statischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Stehen") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren Schwankungsrichtung

Abb.9: Die einmaligen Messungen des statischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Stehen") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.10: zeigt die Trajektorienlänge des CoP in einem exemplarischen Beispiel von einem ausgewählten Probanden des statischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Stehen") in "R"

Abb.11: zeigt die Trajektorienlängen für das statische Gleichgewicht (Aufgabe "Stehen") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren und medialen-lateralen Schwankungsrichtung.

Abb.12: Der Romberg-Quotient aus der mittleren CoP-Geschwindigkeit aus EC/AO und PG/AO

Abb.13: Der Romberg-Quotient aus der 95% Konfidenzellipse aus EC/AO und PG/AO

Abb.14: Die dreimaligen Messungen des dynamischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren Schwankungsrichtung

Abb.15: Die dreimaligen Messungen der Trembling-Komponente des CoP des dynamischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren Schwankungsrichtung

Abb.16: Die dreimaligen Messungen des dynamischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.17: Die dreimaligen Messungen der Trembling-Komponente des CoP des dynamischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.18: zeigt die Trajektorienlänge des CoP in einem exemplarischen Beispiel von einem ausgewählten Probanden des dynamischen Gleichgewichtes (Aufgabe "Schwanken") in "R"

Abb.19: zeigt die Trajektorienlängen für das dynamische Gleichgewicht (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren und medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.20: Die Regressionsanalyse mit der Trajektorienlänge und der Trembling-Komponente des CoP für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille für das dynamische Gleichgewicht (Aufgabe "Schwanken") in der medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.21: zeigt die Komponente der Trajektorienlänge "Jerk" für das dynamische Gleichgewicht (Aufgabe "Schwanken") der 20 Probanden für die jeweils dreimalige 30 sekündige Messung der Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille in der anterioren-posterioren und medialen-lateralen Schwankungsrichtung

Abb.22: Die Regressionsanalyse mit der Trajektorienlänge des CoP mit der Trajektorienkomponente "Jerk" für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille beim dynamischen Gleichgewicht (Aufgabe "Schwanken")

Abb.23: Die Regressionsanalyse mit der Trajektorienlänge des CoP mit der Trajektorienkomponente "Jerk" für die Messbedingungen "Augen offen", "Augen geschlossen" und Prismenbrille beim dynamischen Gleichgewicht (Aufgabe "Schwanken")

Tabellenverzeichnis

Tab.1: Übersicht zur Datenanalyse und -auswertung für die Bewegungsaufgabe "Stehen"

Tab.2: Übersicht zur Datenanalyse und -auswertung für die Bewegungsaufgabe "Schwanken"

Tab.3: Der Wilcoxon-Vorzeichentest

1 Einleitung

Ein Körper befindet sich im Gleichgewicht, wenn er sich zwischen zwei gleichwertigen, entgegengesetzten und sich damit aufhebenden Kräften befindet. Diese rein physikalische Definition ist ebenfalls für den menschlichen Körper zutreffend, der mittels der Gravitationskraft der Erde an der Erdoberfläche gehalten wird (vgl. Gagey et al. 1998).

1.1 Die Kontrolle der Körperhaltung

Die Leichtigkeit und Selbstverständlichkeit des aufrechten Standes eines gesunden Menschen steht im Widerspruch zu den komplexen zugrunde liegenden Regelvorgängen, dessen Mechanismen noch nicht vollständig entschlüsselt sind (vgl. Schmidt et al., 2000). Für den aufrechten Stand, das Ausführen von Willkürbewegungen und die Anpassung an Umweltveränderungen müssen wir permanent unser Gleichgewicht kontrollieren (vgl. Bronte-Stewart et al., 2002).

Die benötigte aufrechte Standposition des Menschen im alltäglichen Leben ist, selbst für einen gesunden Menschen ohne zusätzliche Belastung, aus biomechanischer Sicht nicht optimal und keine triviale Aufgabe, weil sich das Gravitationszentrum des menschlichen Körpers oberhalb seines Druckzentrums befindet. Gravitationszentrum und Druckzentrum weichen aufgrund der Distanz dieser beiden Zentren und die Flexibilität des Körpers immer wieder von der gemeinsamen Vertikalen ab. Es ist ein natürliches instabiles System und kann mit einem umgekehrten Pendel verglichen werden, dass es auszugleichen gilt (vgl. Patel et al., 2008; Riemann et al., 2003).

Die Körperhaltungskontrolle beschreibt die Kontrolle der Körperposition im Raum. Typischerweise werden die posturalen Schwankungen untersucht, indem die Abweichungen des Massenmittelpunktes auf der horizontalen Ebene bzw. die Projektion der resultierenden Kraft auf die Unterstützungsfläche gemessen werden. Diese Auslenkung wird erfasst als Angriffspunkt für die Bodenkräfte unter den Füssen und als Center of pressure bezeichnet. Dieser Aspekt wird in der Abbildung 1 bildlich dargestellt (vgl. Benda et al., 1994; Shumway-Cook & Woollacott, 1995; Winter, 1991).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 : zeigt den typischen zeitlichen Verlauf der CoM und CoP Schwankungen in der anterioren-posterioren Richtung für eine mit offenen Augen stehende junge gesunde Person. Der CoM und CoP zeigen unregelmäßige Abweichungen mit einer relativ kleinen Amplitude in der Größenordnung von ein paar Milimetern. Quelle: Latash, 2008

Gestrichelte dünne Linie: Der Center of Pressure (CoP) zeigt Abweichungen in der horizontalen Ebene beim Stehen auf einer horizontalen Fläche.

Dicke schwarze Linie: Dieser Verlauf geht ebenso mit einer Abweichung des Massenmittelpunktes(CoM) in der horizontalen Ebene einher.

Der Druckmittelpunkt (center of pressure, CoP) widerspiegelt die Körperschwankungen (Sway) und die Kräfte, welche den Körperschwerpunkt (center of mass, CoM) und den Gravitationsschwerpunkt (center of gravity, CoG) innerhalb der Standfläche halten (vgl. Prieto et al., 1996; Winter, 1995).

Hirtz et al. (2000) definieren die Körperhaltungskontrolle und die Gleichgewichtsfähigkeit als relativ verfestigte und abstrahierte Verlaufsqualität der Körperhaltung bzw. der Wiederherstellung des Gleichgewichts bei wechselnden Umweltbedingungen. Sie dient der zweckmäßigen Bewältigung motorischer Anforderungen auf kleinen, labilen Unterstützungsflächen oder bei sehr instabilen Gleichgewichtsverhältnissen.

Der Körper ist zu keinem Zeitpunkt in einer absoluten Ruheposition und unterliegt den Gesetzen der Mechanik (vgl. Kandel et al., 2000). Die am menschlichen Körper wirkenden entgegengesetzten Kräfte sind die Gravitationskraft und die dadurch entstehende Druckkraft an seiner Standfläche. Für das Erlangen einer Gleichgewichtsposition müssen sich die Vektoren beider Kräfte auf einer gemeinsamen Vertikalen befinden. Demzufolge ist die Haltung eine aktive sensomotorische Leistung, die mittels psychischen Faktoren verändert wird (vgl. Schmidt et al., 2006).

Bei einer Störung des Gleichgewichts von außen kommt es zu einer reaktiven und automatischen Adaptation des Körpertonus. Die posturale Kontrolle erfolgt über sensorische Afferenzen ausgelöste kompensatorische neuromuskuläre Antworten und über zentral gesteuerte posturale Konfigurationen, bei welcher Willkürbewegungen vorausgehen oder diese begleiten. Neben den passiven und aktiven Mechanismen kommen auch willkürliche Korrekturbewegungen zur Anwendung. Diese sind protektive Armbewegungen, flexible Rumpfbeugung und willkürliche Ausgleichschritte zur kompensatorischen Stabilisierung des Gleichgewichts (vgl. Horak et al., 1989).

Die Reaktionen zur Erhaltung des Gleichgewichts werden über somatosensorische (propriozeptive), visuelle und vestibuläre Afferenzen aktiviert und finden über spinale Reflexwege und supraspinale Schleifen statt, die den Hirnstamm, das Zerebellum, die Basalganglien und den sensomotorischen Kortex mit involvieren (vgl. Schieppati et al., 2002). Eine Haltung wird als optimal betrachtet, wenn sie nur minimal um die Nullstellung schwankt. Grobe Abweichungen von dem normalen Schwankungsmuster bei einer posturographischen Messung weisen auf Störungen der gleichgewichtserhaltenden Systeme hin (vgl. Nashner, 1985; Schimani, 2012).

Um das Gleichgewicht zu halten, müssen die neuronalen Komponenten und die muskuloskelettalen Komponenten vorhanden sein. Kraft, Ausdauer und Beweglichkeit sind die muskuloskelettalen Komponenten. Das sensorische und motorische System sind die neuronalen Komponenten. Der sensorische Anteil registriert kontinuierlich die Haltung und Stellung der Körpersegmente im Raum (vgl. Dietz et al., 1993). Der motorische Anteil muss im Falle einer Destabilisierung schnell reagieren, um das Gleichgewicht wiedererlangen zu können (vgl. Horak & Macpherson, 1996). Die afferenten Informationen werden an das ZNS weitergeleitet und in die vestibulären Kerne des Hirnstamms übertragen. Im Hirnstamm werden die afferenten und motorischen Informationen aufeinander abgestimmt und Reflexantworten organisiert (vgl. Garten, 2004).

Das sensorische System besteht aus der visuellen (Sehvermögen), vestibulären (Gleichgewicht) und propriozeptiven (periphere, exterozeptive, taktile Afferenzen) Reizverarbeitung. Die Informationen dieser drei Sinnessysteme werden im Gehirn zur Aufrechterhaltung der Körperhaltung verglichen und ausgewertet. Wenn die Informationen der einzelnen Systeme nicht miteinander koordiniert werden können, entstehen Unsicherheiten und eine größere Körperschwankung. Zusammen mit der zentralen Koordinierung der zuständigen Effektoren des Halte- und Bewegungsapparates, der kinästhetischen Differenzierungsfähigkeit (Propriozeption aus Muskel- und Gelenkrezeptoren) und der neuromuskularen Reaktionsgeschwindigkeit sind sie für das Halten des Gleichgewichts verantwortlich und es kann auf posturale Störeinflüsse reagiert werden. Des Weiteren kommt eine Modulation durch emotionale Komponenten durch das limbische System hinzu (vgl. Bolmont et al., 2002; Hirtz, 1988; Nashner et al., 1988; Nikolaus, 2005; Paulus et al., 1987; Woollacott el al., 1986).

Die Wahrung des Körpergleichgewichts ist bei größeren Schwankungen des Oberkörpers oder der oberen Extremitäten von der neuromuskulären Ansteuerung der unteren Extremitäten, des Rumpfes und von ineinandergreifenden Regelprozessen abhängig. Man spricht hier vom dynamischen Gleichgewicht, das die folgenden drei Funktionen erfüllt:

- die stabile Aufrechterhaltung von Kopf und Körper entgegen der Schwerkraft und anderen von außen wirkenden Kräfte
- die Körperschwerpunktpositionierung über seiner Unterstützungsfläche
- Stabilisierung des Rumpfes und der oberen und unteren Extremitäten während einer Bewegung

Die Kontrolle der Körperhaltung und die neuromuskuläre Einstellung des CoP auf der Standfläche kann durch den über sensorische Afferenzen getriggerte Feed-forward-Mechanismus (vorausschauende Haltungskorrektur) und dem Feed-back-Mechanismus (posturale Reaktionen und Synergien) bewahrt werden. Dieser wird vom zentralen Nervensystem kontrolliert (vgl. Winter et al. 2003). Der Feed-forward-Mechanismus kompensiert erstrangig auftretende Haltungsstörungen bei geplanten Bewegungsabläufen. Der Feed-back-Mechanismus wird bei eingetretenen Haltungsänderungen und -verluste aktiviert (vgl. Schmidt et al., 2006).

1.1.1 Das visuelle System

Für die wichtige visuelle Kontrolle über unsere Lage im Raum bietet das optische System die Retina mit ihren Sinnesrezeptoren, den N.opticus und zentralnervöse Verschaltungen und das übergeordnete optische Zentrum im Kortex des Lobus occipitalis (Area 17,18,19) (vgl. Haid, 1990). Unter Mitwirkung des Kleinhirns gleicht es visuelle Informationen über Umweltbedingungen, Entfernungen und Eigenbewegungen mit Informationen aus dem vestibulären und propriozeptiven System ab. Über kortikospinale und tektospinale Bahnen hat das visuelle System einen bedeutenden Anteil an der visuo-lokomotorischen Kontrolle (vgl. Patla, 1997).

Die einzelnen Rezeptorsysteme sind in unterschiedlichem Maße an der sensorischen Rückmeldung zur Gleichgewichtskontrolle beteiligt und beeinflussen sich gegenseitig. Dies ist abhängig von den Bedingungen und Anforderungen (vgl. Peterka & Loughlin, 2004).

Durch eine Störung oder Beeinflussung des visuellen Feldes kann die vertikale Haltung ebenfalls deutliche Schwankungen aufweisen. Visuelle Beeinträchtigungen resultieren in einer größeren Center of Pressure-Variabilität und zu einer größeren Instabilität der Körperhaltung. Das Ausschalten oder Verändern von visuellen Informationen fordert das vestibuläre und das somatosensorische System für das Aufrechterhalten des Gleichgewichts (vgl. Donker et al., 2007; Magnusson et al., 1990; Paulus et al., 1984).

Bei Menschen, die bereits blind geboren wurden, sind beim Stehen und Gehen große Unterschiede gegenüber sehenden Menschen zu erkennen. Das deutet darauf hin, dass das Sehvermögen durch andere sensomotorische Modalitäten kompensiert werden kann (vgl. Schieppati et al., 2014).

1.1.2 Das vestibuläre System

Das vestibuläre System ist ein sehr wichtiger Teil des Gleichgewichtssystems und ist ein phylogenetisch sehr altes und hochentwickeltes menschliches Kontrollsystem. Es liefert Informationen über lineare oder anguläre Beschleunigungs - oder Verzögerungsvorgänge zum zentralen Nervensystem (vgl. Mergner, 2007).

Störungen des vestibulären Systems führen häufig zu posturalen Problemen und führen in einigen Fällen auch zur Unfähigkeit eine vertikale Haltung beizubehalten (vgl. Mergner, 2007).

Das vestibuläre System befindet sich als Rezeptor- und Gleichgewichtsorgan im Innenohr und gehört zu den Sinnesorganen. Die wichtigsten Strukturen zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts sind die drei Bogengänge (vorderer, hinterer und lateraler Bogengang: „Semicircular canal“:) und der Otholitenapparat (Makula utriculi und Makula sacculi). Die Bogengänge sind annähernd senkrecht zueinander angeordnet und für die Drehbeschleunigung des Kopfes (Rotationsbeschleunigung) zuständig. Ein knöchernes Hohlraumsystem, das knöcherne Labyrinth, bildet die äußere Struktur, in dem das sogenannte häutige Labyrinth aufgehängt ist. In den inneren Räume befinden sich die Endolymphen und Perilymphen (getrennte Kompartimente). Eine Kopfbewegung versetzt die Endolymphe in Bewegung, die zu einer Auslenkung der Cupula und einer Abscherung der Sinneshärchen führt (vgl. Ernst, 2016). Der Otolithenapparat ist für Translationsbeschleunigungen wie Fallen, Bremsen und Steigen zuständig. Die Gravitationskraft ermöglicht die Wahrnehmung der Lage des Kopfes. Eine lineare Beschleunigung verschiebt die Otolithenkristalle gegenüber den Sinneszellen und es erfolgt eine Abscherung der Sinneshärchen. Die wichtigste anatomische Struktur des vestibulären Systems ist der Vestibulookuläre Reflex (VOR). Dieser Augenreflex ist für Stabilisierung des Netzhautbildes während der Kopfbewegungen verantwortlich: die Augenbewegung findet in konträrer Richtung zum Kopf statt. Der VOR ist für drei Bewegungen zuständig: Kopfrotation in der Z-Achse, Kopfflexion und -extension in der Y-Achse und laterale Kopfkippung in der X-Achse (vgl. Naunton, 1975; Peterson, 2005).

1.1.3 Das Propriozeptive System

Das propriozeptive System spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Kontrolle der physiologischen Kopf - und Körperhaltung im Alltag. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Rezeptoren in der Haut des Fußes (vgl. Weber & Villeneuve, 2003).

In der menschlichen Haut können Sinnesempfindungen wie Berührung, Vibration, Druck, Kälte, Wärme und Schmerz durch Mechanorezeptoren wahrgenommen werden. Für diese Aufgabe existieren sensible Nervenendigungen (Vater-Pacini-Körperchen, Ruffini-Körperchen, Merkelsche Scheiben und freie Nervenendigungen). Abhängig von der Intensität der Berührung oder des Drucks, der Änderungsgeschwindigkeit, der Reizfläche und der Anzahl der innervierten Rezeptoren entsteht eine Reaktion der entsprechenden Nervenendigung (vgl. Haid, 1990).

Die Tiefensensibilität liefert Informationen über die Gliederstellung und Muskelspannung und gibt Auskunft über die Lage und Bewegung im Raum. Die propriozeptiven Mechanorezeptoren wie die Muskelspindel oder das Golgi-Sehnenorgan befinden sich in Muskeln, Sehnen, Bändern und Gelenken (vgl. Haid, 1990).

Das propriozeptive System ist einTeil des sensorischen Einganges und ein Teil des motorischen Ausganges. Damit generiert es unter anderem spino-spinale Reflexe, die für die Feinausrichtung der Körperhaltung und folglich für den aufrechten Stand wichtig sind (vgl. Roll, 1998).

Bei der Organisation dieser drei sensorischen Systeme lassen sich drei Hauptkomponenten unterscheiden: der periphere sensorische Eingang, der zentrale Prozessor und der motorische Ausgang. Visuelle, vestibuläre und propriozeptive Informationen über Schwerkraft, lineare Beschleunigungsvorgänge und die Stellung des Kopfes werden über den peripheren sensorischen Eingang zum ZNS und zum Kleinhirn geleitet. Der motorische Ausgang aktiviert die Augenmuskeln, das Rückenmark und den vestibulo-okulären Reflex (VOR) (vgl. Herdman, 2007).

1.1.4 Körperschwerpunkt vs. Druckmittelpunkt

Aus biomechanischer Sicht muss für das aufrechte Stehen der Körperschwerpunkt (center of mass, CoM) durch neuromuskuläre Konfigurationen des Druckmittelpunktes (center of foot pressure, CoP) über der Standfläche (base of support) im Lot gehalten werden (vgl. Winter, 1995).

Die Stabilitätsgrenze wird durch das Ausmaß des posturalen Sway beschrieben. Wenn sich der Körper nicht im Gleichgewicht befindet, muss der CoP vor den CoM der Füße verlagert werden (Winter et al., 1990).

Der CoM befindet sich beim gesunden Menschen 3-8 cm vor den Fußgelenken und verlagert sich kontinuierlich. Der Begriff „Body-Sway“ widerspiegelt die Auslenkung des CoP oder des CoG (vgl. Elble, 1993).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 : Beziehung zwischen Center of Gravity (CoG) und Center of Pressure (CoP). Quelle: Witte & Recknagel, 1997

Bild 2: Darstellung des Druckmittelpunktes. Am CoG greift die Gewichtskraft G und bei Bewegungen die Inertialkraft I an und addieren sich geometrisch zur Resultierenden R. Der CoP widerspiegelt den Durchstoßpunkt von R durch die Kraftmessplatte.

Der Druckmittelpunkt (CoP), der mit einer Kraftmessplatte ermittelt wurde, darf jedoch nicht verwechselt werden mit dem Massenmittelpunkt (CoM) (vgl. Fitzgerald et al. 1993, 1994; Witte & Recknagel, 1997). Laut Winter (1995) muss die Projektion des Massenmittelpunktes und des Druckmittelpunkts auf der Horizontalebene voneinander getrennt erfolgen, weil der Druckmittelpunkt nicht die Lage des Massenmittelpunktes wiedergibt. Aufgrund dieser Feststellungen muss beachtet werden, dass der CoP bei einer Messung größeren Schwankungen unterliegt als der CoM. Andere Autoren wie Murray et al. (1967) und Prieto et al. (1993) haben festgestellt, dass der CoP sich mit einer höheren Frequenz und mit einer größeren Amplitude als der CoM bewegt. In der Abbildung 2 kommen Witte und Reck nagel (1997) bildhaft dargestellt zum Ergebnis, dass der CoP und der CoM (bzw. CoG) nicht gleichbedeutend betrachtet werden dürfen, wie es in der Literatur oftmals der Fall ist.

Bild 1: Darstellung des Körperschwerpunktes. Die Lage des CoG wird durch die drei Koordinatenwerte x(t),y(t), z(t) beschrieben.

Ausschließlich bei einer Idealbetrachtung, das bedeutet bei absolutem Stillstand, ist die simultane Verwendung der beiden Begriffe möglich, da beide Punkte in der Horizontalebene übereinander liegen würden. Die CoP-Koordinaten widerspiegeln den Bewegungsablauf um den CoM. Die Dokumentation des Druckmittelpunktes beschreibt somit den aufrechten Stand des Körpers und dessen Bewegung modellhaft in Form eines inversen Pendels um dem Massenmittelpunkt herum (vgl. Müller et al., 2004). Die Pendelbewegung wird je nach Messsystem und Auswertungssoftware durch die Schwankungsfläche oder durch Kräfte der zurückgelegten Wegstrecke des CoP ermittelt. Um die Körperhaltung mittels der CoP-Koordinaten darzustellen, werden zusätzliche Größen gebraucht wie die Standardabweichung der COP-Amplitude (vgl. Corriveau et al., 2000; Lafond et al., 2004) und die maximale COP-Amplitude (vgl. Melzer et al., 2001; Stelmach et al., 1990) in anteriore-posteriore und medialer-lateraler Richtung (vgl. Palmieri et al., 2002).

Es gibt demzufolge zahlreiche Möglichkeiten die Qualität der posturalen Kontrolle zu beurteilen. Laut Raymakers et al. (2005) gibt es kein einheitliches Vorgehen bei der Beurteilung der Haltungskontrolle, sieht aber die Verschiebungsgeschwindigkeit des CoP als den geeignetsten Parameter. Gemäß vieler Autoren kann die Bewegungsanalyse anhand der Aufzeichnung des CoP ohne weiteres erfolgen und ist somit eine geeignete Methode zur Messung von Körperschwankungen (vgl. Demura & Kitabayashi, 2008). Desweiteren konnten Hasan et al. (1996) und Lafond et al. (2003) einen Zusammenhang beim CoP und CoM feststellen. Laut ihrer Ergebnisse ist die horizontale Bodenreaktionskraft proportional zur Beschleunigung des Massenmittelpunktes. Folglich wurde die Annahme, dass Untersuchungen als inkonsistent eingestuft werden aufgrund der fehlenden Berücksichtigung der Vertikalkomponente, widerlegt und es können die CoP basierenden Messungen für die Gleichgewichts- und Körperhaltungsquantifizierung als gültig betrachtet werden. Diese Ergebnisse wurden auch von Karlsson & Frykberg (2000) bestätigt.

1.1.5 Die Rambling und Trembling Komponenten des CoP

Der Ansatz, dass der Körper nicht um einen festen Punkt, sondern um einen wandernden Punkt schwankt, wurde genutzt, um die posturalen Schwankungen in eine Rambling und in eine Trembling Komponente der CoP Trajektorie zu zerlegen. Diese Methode analysiert separat den Verlauf der CoP Trajektorie sowohl in AP als auch in ML Richtung (vgl. Duarte & Zatsiorsky, 1999).

Die Rambling-Trembling Hypothese von Duarte & Zatsiorsky (2000) betrachtet folgende Punkte:

1. Das ZNS legt eine bestimmte Position des Körpers fest. Diese Position wird durch einen Referenzpunkt auf der Auflagefläche vorgegeben, in der das Körpergleichgewicht beibehalten werden soll.
2. Der Referenzpunkt wandert und kann einen bewegten Anziehungspunkt betrachten.
3. Der Körper schwankt aus zwei Gründen: Zum einen aufgrund der Bewegung des Referenzpunktes und zum anderen aufgrund der Abweichung weg vom Referenzpunkt.
4. Wenn die Auslenkung nicht zu groß ist, stellt die Rückstellkraft die intrinsische Steifigkeit der Muskulatur dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 :Oberes Feld: Die Trajektorie des Center of Pressure (dünne Linie) und die Rambling Trajektorie (dicke Linie) in der A/P Richtung beim Stehen. Unteres Feld: Die Differenz aus den Trajektorien des CoP und des Ramblings ist definiert als die Trembling Trajektorie. Quelle: Latash, 2008

Die Rambling Trajektorie widerspiegelt dabei die willkürliche Schwankung des Menschen und enthüllt die Bewegung des sich bewegenden Referenzpunktes. Die Trembling Komponente widerspiegelt die Oszillation um die Trajektorie des Referenzpunktes und stellt die unwillkürliche Schwankung des Menschen dar. Die Differenz aus der CoP-Trajektorie und der Rambling Komponente ist definiert als die Trembling Komponente (siehe Abbildung 3) (vgl. Duarte & Zatsiorsky, 1999).

Die Rambling-Trembling-Zerlegung setzt voraus, dass die CoP-Trajektorie eine Überlagerung von zwei Schwankungsverläufen darstellt, bei der die eine den Sollwert der Gleichgewichtsschwankung und der andere die Körperschwankung über diesen Sollwert der Gleichgewichtsschwankung widerspiegelt. Dabei wird trotz der Bodenreaktionskraft keine Rückstellkraft induziert (vgl. Duarte & Zatsiorsky, 1999).

In mehreren Studien konnten gegensätzliche Änderungen in der Rambling und Trembling Charakteristik gezeigt werden, wenn verschiedene Aspekte wie Alter, visueller Einfluss und andere Störungen beim Stehen untersucht wurden. Bei jungen gesunden Menschen ist die Rambling Amplitude ungefähr drei mal größer als die Trembling Amplitude. Diese gegensätzlichen Effekte auf die Rambling und die Trembling Komponenten unterstützen den Gedanken, dass die Schwankung eine Überlagerung von zwei unterschiedlichen Prozessen darstellt. Diese Prozesse widerspiegeln möglicherweise die Veränderungen der Körperkonfigurationen hinsichtlich der Körperhaltung und auch die Änderungen der mechanischen und neuronalen Strukturen, welche die supraspinalen Steuersignale implementieren (vgl. Danna-Dos-Santos et al., 2008; Duarte & Zatsiorsky, 2000; Sarabon et al., 2013).

1.2 Die Posturographie

Für alle Schwankungen des Körpers und des Kopfes ist ein sehr sensibles Regulationssystem zuständig, das ebenfalls für eine aufrechte Ausgangshaltung verantwortlich ist. Die drei Sinnessysteme (visuelle, vestibuläre und propriozeptive) können im Hinblick ihres Einflusses auf das Gleichgewichtsystem auf einer Kraftmessplatte getestet werden. Die quantitative Posturographie liefert wichtige Informationen bei der Erfassung der Haltungskontrolle und der Körperschwankungen (vgl. Horak et al., 1997). Die Haltungskontrolle in der quantitativen Posturographie wird durch die Körperschwerpunktlage und dessen Auslenkung definiert.

Der Begriff Posturographie hat seinen Ursprung im englischen Wort "posture", das übersetzt auf Deutsch "Haltung" bedeutet, wobei Haltung als Begriff verwendet wird für ein extrem labiles Gleichgewicht des aufrecht stehenden Menschen. Heute beschreibt sie vor allem die Messung der Körperschwankungen beim aufrechten Stand und den Einfluss von verschiedenen Erkrankungen und Haltungstypen. Des Weiteren bezeichnet die Posturographie Verfahren der Haltungs-, Lage- und Bewegungsanalyse ausgewählter Körperpunkte und umschreibt außerdem die räumliche Orientierung der resultierenden Bodenreaktionskräfte und den zeitlichen Verlauf (vgl. Fitzgerald et al. 1993, 1994; Witte & Recknagel, 1997).

Für die Gesamtkoordination sind insbesondere die beiden Funktionen Gleichgewichts- und die Haltungskontrolle wesentlich. Diese können mithilfe der Posturographie objektiv überprüft werden. Es ist ein präzises Verfahren, welches untersucherunabhängig ist und zur Diagnostik und Kontrolle der Koordinationsfähigkeit, zur Verlaufskontrolle entsprechender Störungen und zur Objektivierung von Therapieergebnissen geeignet ist (vgl. Diener & Dichgans, 1988; Forsman et al., 2007, Fried & Arnold, 1987; Granert, 2005; Witte & Recknagel, 1997).

Die Posturographie trägt dazu bei, die Pathophysiologie und Mechanismen von Gleichgewichtsstörungen und posturaler Instabilität besser zu verstehen (vgl. Diener & Dichgans, 1988). Sowohl die statische als auch die dynamische Posturographie finden klinische Anwendung. Der diagnostische Hintergrund liegt hier bei Erkrankungen des Gleichgewichtssystems und bei Störungen der neuromuskulären Ansteuerung sowie der Sensomotorik (vgl. Diener & Dichgans, 1988; Fried & Arnold, 1987; Nieschalk et al., 1995; Schwesig et al., 2006; Weber et al., 2000). Damit können Aussagen über den Zustand und somit auch Funktionsstörungen innerhalb des sensorischen und motorischen Regelsystems gemacht werden. Die Posturographie ermöglicht damit den Nachweis von generalisierten Funktionsminderungen des zentralen Nervensystems, Schädigungen und Erkrankungen der Stammganglien und des Kleinhirns, die einen großen Einfluss auf die Gleichgewichtsregulation haben. Ein gutes Beispiel dafür ist das leichte Schädeltrauma, denn da besteht oftmals eine Diskrepanz zwischen den Befunden in der Bildgebung und den neuropsychologischen Defiziten der Patienten, da strukturelle Veränderungen selbst durch die Bildgebung nur sehr schwer erkennbar sind (vgl. Fork et al., 2005, S. 101-108; Gänsslen & Schmehl, 2015, S. 3; Slobounov et al., 2005, 2007, 2012). Dieser Umstand der guten und eindeutigen Diagnostizierbarkeit legitimiert den häufigen Einsatz in der klinischen Neurologie und auch in der sporttherapeutischen Diagnostik (vgl. Dickstein & Dvir, 1993; Kohen, 1991).

Es ist notwendig, dass die statische und dynamische Posturographie voneinander unterschieden wird, weil die zu messenden Parameter abhängig sind von den Bewegungen der Probanden. Die Unterscheidung ist auf die Unterstützungsfläche zurück zu führen, da diese verschiedene alltägliche Situationen simulieren soll (vgl. Nashner, 2001). Des Weiteren haben laut Räty et al. (2002) dynamische Testbedingungen eine größere Praxisrelevanz und folglich eine größere Aussagekraft.

1.2.1 Die statische und dynamische Posturographie

Dynamische Posturographie

Dynamische Verfahren nutzen die Lageänderungen der Kraftmessplatten mit der passiven Auslenkung der Standfläche. Dabei kann die Messplatte in medialer-laterialer und anteriorer-posteriorer Position gekippt werden, um die Afferenzen der Gelenkrezeptoren und der Oberflächensensibilität zu stören und um damit die Stabilisierung des aufrechten Standes beurteilen zu können. Es kann untersucht werden, ab welchem Kippwinkel der Proband den indifferenten Gleichgewichtszustand nicht mehr bewahren kann (vgl. Timmann, 1997).

Statische Posturographie

Bei der statischen Posturographie kann durch die Aufzeichnung der spontanen Körperschwankungen das Ausmaß der natürlichen Körperunruhe und somit supportive Reaktionen quantifiziert werden, in dem die Projektion des Körperschwerpunktes auf Standfläche registriert wird und der Verlauf des Druckmittelpunktes auf der Standbasis gemessen wird (vgl. Diener und Dichgans, 1988). Die Fußplatte ist dabei stets unbeweglich (vgl. Diener & Dichgans, 1988; Hamamoui & Bouisset, 2004; Tossavainen et al., 2006). Das statische Verfahren wurde für die vorliegende Arbeit verwendet. Nachteil der statischen Posturographie ist die große intraindividuelle Variabilität der Ergebnisse, die sich auch negativ auf die Test-Retest-Reliabilität auswirken kann (vgl. Benvenuti et al., 1999).

1.2.2 Die direkte und indirekte Posturographie

Zur Unterscheidung der Analyseverfahren wird die Posturographie außerdem in die direkte und in die indirekte Posturographie unterteilt:

Direkte Posturographie

Die direkte Posturographie wurde am Anfang des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Bei diesem Verfahren werden ausgewählte Körperpunkte mittels Videoaufzeichnung analysiert, um damit die Haltung und den Muskeltonus zu beurteilen. Es werden an ausgewählten Messpunkten Weggrößen zur direkten Analyse von Lage und Bewegung gemessen, durch diese man Körperschwankungen um die Nullstellung berechnen kann (vgl. Fitzgerald et al. 1993, 1994; vgl. Witte & Recknagel, 1997).

Indirekte Posturographie

Dieses Analyseverfahren wurde zur vorliegenden Untersuchung herangezogen. Es erfasst die Körperschwankungen der einer auf einer Fußplattform stehenden Person mittels Kraftmessplatten auf piezoelektrischem Wege. Damit werden Tonusschwankungen in der Muskulatur erfasst, vor allem die Relation zwischen Vor- und Rückfuß sowie im Rechts-Links-Vergleich (vgl. Fitzgerald et al. 1993, 1994; Witte & Recknagel, 1997). Zur Aufzeichnung von Druckkräften werden nach dem Prinzip der Reaktionskraftmessung piezoelektrische Dehnstreifen verwendet. Dabei wird der Center of pressure (CoP) genutzt, weil man davon ausgeht, dass eine Haltungsänderung beim Stehen eine Veränderung des CoP bewirkt. Es können Aussagen über die Stabilität der Probanden gemacht werden, da die Lage des Druckmittelpunktes die Gewichtsverteilung des Körpers im Stand der Kraftmessplatte widerspiegelt. Befindet sich beispielsweise der Druckmittelpunkt auf einer gedachten Symmetrieachse zwischen den Platten, ist das Gewicht auf der Kraftmessplatte gleichmäßig verteilt. Schwankt der Proband in medialer-lateraler Richtung oder in anteriorer-posteriorer Richtung, wandert der CoP ebenfalls in diese Richtung (vgl. Fitzgerald et al. 1993, 1994; Witte & Recknagel, 1997).

1.3 Visuell induzierte Perturbation mittels Prismenbrille

1.3.1 Historischer Überblick

Im Jahre 1896, 30 Jahre nach den Ergebnissen von Helmholtz, experimentierte George Stratton mit einem Linsensystem, das ein auf dem Kopf stehendes Bild erzeugte und die visuelle Wahrnehmung um 180° drehte. Das Gehirn verarbeitete diese Informationen, die es über den Sehnerv erhielt und drehte das Bild um. Stratton nahm ein auf dem Kopf stehendes Bild wahr (vgl. Rock, 1985). Er konnte eine allmähliche Anpassung an die veränderten Umweltbedingungen beobachten, obwohl er seine mehrtägigen Selbstversuche nur einäugig durchführte und sein Linsensystem neben der Bildumkehr noch andere, unkontrollierbare Effekte (chromatische Aberration, Verzerrungen, usw.) erzeugte. Er kam zu dem Ergebnis, dass nach einer gewissen zeitlichen Dauer ein vollständiges Aufrechtsehen wieder erlernt werden konnte und dass das Gehirn alle ankommenden Informationen miteinander abglich und den vermeintlichen „Fehler“ behob, wenn das Linsensystem nur lange genug getragen wurde. Bei längerem Tragen der Brille empfand man mehr oder weniger Übelkeit, beim Bewegen des Kopfes schien sich alles um einen herum zu bewegen. Am Anfang war die visuomotorische Koordination massiv beeinträchtigt, aber nach einigen Tagen verbesserte sich der Zustand und die Welt erschien in manchen Situationen wieder aufrecht. Stratton stellte außerdem die Wichtigkeit des Tastsinnes, dem Gleichgewichtssinn und anderen Sinneswahrnehmungen für das Wiedererlernen des Aufrechtsehens fest. Es stellt sich heraus, dass eine Adaptation nicht nur an kleine Verzerrungen, wie von Helmholtz genutzt, möglich ist, sondern dass auch eine Adaption an größeren Verzerrungen möglich ist (vgl. Helmholtz, 1867; Stratton, 1896).

Im Jahre 1928 verwendete Theodor Erismann erstmalig eine Spiegelbrille für die Bildumkehr. Diese hatte den Vorteil, dass das auf dem Kopf stehende Bild unverfälscht und seitengetreu dargestellt werden konnte. Weil diese Spiegelbrille jedoch die Sicht auf den Boden und die Füße der Probanden verdeckte, kam es nicht zur Durchführung von mehrtägigen Dauerversuchen (vgl. Kohler, 1955).

Am Institut für Psychologie der Universität Innsbruck wurde 1947 die sogenannte Erismann´sche Spiegelbrille dahingehend modifiziert und verbessert, dass nun die Sicht des Brillenträgers auf den Boden, den eigenen Füße und auf körpernahe Objekte möglich war (vgl. Bliem et al., 1981). Die Spiegel- bzw. Umkehrbrille war nun somit ideal geeignet für mehrtägige Dauerversuche (vgl. Kohler, 1951).

Kohler experimentierte im Laufe der Zeit mit dieser Umkehrbrille an Versuchspersonen in mehrtägigen Dauerbrillenversuchen und konnte mit den Experimenten das Wiedererlernen des Aufrechtsehens nachweisen, obwohl die Umweltbedingungen für das menschliche visuelle System durch die Umkehrbrille verändert wurden. Die Wahrnehmung des Menschen erwies sich als außerordentlich plastisch und lernfähig. Das Zusammenspiel von Sehen und Tasten, das räumliche Sehen und die Formwahrnehmung veränderten sich durch das Lernen mit dem Tragen der Umkehrbrille. Auch wenn der visuelle Informationsfluss gestört bzw. verändert ist, können Eigenschaften und Merkmale der Umwelt richtig entschlüsselt werden (vgl. Kohler, 1966).

Ritter et al. (1990) kamen aus den Kohler´schen Brillenversuchen zu folgenden drei Erkenntnissen:

- Das visuelle Wahrnehmungssystem besitzt eine große Plastizität und Lernfähigkeit trotz aller bis dahin gültigen Lehrmeinungen
- Im visuellen Wahrnehmungssystem existieren Verarbeitungsmechanismen, die Eigenschaften und Merkmale der Umwelt richtig zu entschlüsseln, auch bei Störungen der Informationsaufnahme
- Für eine erfolgreiche Adaption an veränderte Umweltbedingungen spielt das motorische System eine entscheidende Rolle

Zum Einleiten der Lernvorgänge für eine umgebungsrichtige Wahrnehmung muss eine aktive, motorische Interaktion mit der Umwelt stattfinden. Die Rückmeldungen über das eigene motorische Handeln sind offenbar entscheidend, damit die Adaption und das Lernen im Wahrnehmungssystem zustande kommt (vgl. Ritter, 1986). Die Adaption der veränderten optischen Abbildung im Falle aktiver bzw. passiver Bewegung der Probanden wurde dabei experimentell gegenübergestellt. Probanden, die sich aktiv mit der Umkehrbrille bewegten und mit ihrer Umwelt interagierten, konnten sich in kurzer Zeit an den neuen optischen Verhältnissen anpassen, wohingegen die passiv (in einem Rollstuhl) bewegten Probanden diese Adaption nicht oder unvollständig gelang (vgl. Held, Richard, 1986). Dies spricht für eine enorme Plastizität des visuellen Systems, auch über die bekannten kritischen Entwicklungsphasen hinaus (vgl. Singer, 1985).

1.3.1 Die Prismenbrille

Diese Brille wird experimentell für die optische Wahrnehmung des Menschen verwendet. Beim Tragen der Brille wird die visuelle Wahrnehmung durch sogenannte Dove-Prismen um 180° (eine Vertauschung von oben und unten) gedreht. Eine Prismenbrille wird auch Invertoscop genannt (vgl. Myers, 2008).

Das Dove-Prisma, auch Harting-Dove-Prisma genannt (vgl. Bass, 2010), ist ein optisches Prisma, das zu den umkehrenden Reflexionsprismen gehört. Es kann ausschließlich bei monochromatischem Licht für die Bildumkehr genutzt werden, weil das Licht an der Eintritts- und an der Austrittsfläche gebrochen wird (vgl. Dove, 1851). Ein Dove-Prisma hat die Grundfläche eines Trapezes mit Seitenflächen, die um 45° geneigt sind. Deswegen wird es des Öfteren auch als gleichschenkliges, rechtwinkliges Prisma betrachtet, bei dem das Prisma im optisch nicht wirksamen Bereich abgeschnitten ist (vgl. Kühlke, 2011).

1.4 Zielsetzung und Fragestellung der Arbeit

Das effektive Zusammenspiel des Gleichgewichtssystems mit dem System der Körperhaltungskontrolle ermöglicht es dem Menschen annähernd eine Gleichgewichtsposition zu erlangen und seine Stabilität nicht nur im Stehen oder in Ruhepositionen zu bewahren, sondern auch bis zu einem gewissen Maße bei einer Störung eines der sensitiven Systeme. Aber schon unter weniger anspruchsvollen Gleichgewichtskonditionen des Alltages kommt es bei Menschen mit einer Störung der sensitiven Systeme zu Gleichgewichtsproblemen.

Diese Bachelorarbeit ist eine explorative Arbeit und ein Vorversuch für weitere Studien und soll überprüfen, ob die angewandte Methodik und Messinstrumente für zukünftige Studien geeignet sind. Jahrelang wurde das leichte Schädelhirntrauma (Commotio cerebri, SHT) im Sport bagatellisiert und die Diagnostik und Behandlung wurde häufig vernachlässigt. Neuere Erkenntnisse zeigen gravierende und rezidivierende Langzeitschäden aufgrund von unzureichender Therapie nach Schädel-Hirn-Verletzungen (vgl. Cantu, 1992; Gänsslen & Schmehl, 2015). Bei einem leichten SHT besteht oftmals eine Diskrepanz zwischen den Befunden in der Bildgebung und den neuropsychologischen Defiziten der Patienten, da strukturelle Veränderungen selbst durch die Bildgebung nur sehr schwer erkennbar sind (vgl. Fork et al., 2005; Gänsslen & Schmehl, 2015). Aus diesem Grund müssen die erhobenen Messwerte mit gesunden Probanden aussagekräftig genug sein, damit die CoP-Messwerte mit Probanden verglichen werden können, die an einem leichten Schädelhirntrauma (SHT) leiden. Das letztendliche Ziel weiterführender Studien ist es mittels einem relativ einfachen und feldfähigem Verfahren CoP-Messwerte zu erheben, um ein leichtes SHT zu diagnostizieren und um entscheiden zu können, ab wann der Spieler wieder am Sportgeschehen teilnehmen darf.

Zielsetzung

Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es daher Center of Pressure (CoP) Messwerte mit einer Kraftmessplatte von gesunden Probanden zu erheben, während diese eine Prismenbrille tragen. Zusätzlich werden Daten mit einem iPad erhoben, da für die feldtaugliche Messung die Prismenbrille und das iPad der Kraftmessplatte zu bevorzugen sind. Mit der Datenanalyse und -auswertung für das iPad und dessen Vergleich mit der Kraftmessplatte befasst sich eine andere Arbeit.

Die Prismenbrille wird verwendet, weil wir davon ausgehen, dass sie ähnliche Gehirnareale beeinflusst wie ein leichtes SHT. Bei einem leichten SHT werden die Bedingungen und Adaptionsfähigkeiten noch viel schwieriger sein als bei einem gesunden Probanden. Reagiert der Sportler auf die Prismenbrille später bei einem Feldversuch zum Beispiel mit Schwindel, Übelkeit oder Gleichgewichtsverlust, könnte dies ein Zeichen für ein leichtes SHT sein und die sportliche Aktivität müsste umgehend eingestellt werden.

Fragestellung

Ausgehend von der Vorbetrachtung ergeben sich folgende Fragestellungen:

1. Zeigt die Prismenbrille überhaupt eine Wirkung auf die gesunden Probanden und demzufolge auch auf die posturale Schwankung im Vergleich zu den Messbedingungen "Augen offen" und "Augen geschlossen"?

2. Sind CoP Messwertunterschiede bei einer visuell induzierten Perturbation mittels Prismenbrille im Vergleich zu offenen oder geschlossenen Augen zu erkennen im Hinblick auf die anteriore-posteriore und mediale-laterale Schwankung und auf die CoP Komponenten Rambling und Trembling?

3. Sind die erhobenen Messwerte bei einer visuell induzierten Perturbation mittels Prismenbrille aussagekräftig genug für zukünftige Messungen und Studien?

2. Methodik

2.1 Versuchspersonen

Für diese Studie wurden 20 Probanden (14 männlich, 6 weiblich, Alter 20-26 Jahren) an der Technischen Universität in Chemnitz im Zeitraum Februar bis März 2017 untersucht.

Vor dem Beginn der Datenerhebung wurden kurze Interviews durchgeführt. Mit der Unterstützung der Fragebögen (siehe Anhang) wurden die Inklusions- und Exklusionskriterien überprüft.

Unter Exklusionskriterien gehörten Krankheiten und körperliche Dysfunktionen, die einen Einfluss auf die Körperhaltung und folglich auf die Center of Pressure Messung haben.

Die Probanden haben freiwillig an der Studie teilgenommen und konnten zu jedem Zeitpunkt die Teilnahme an der Studie verweigern. Hauptsächlich wurden Studenten der Technischen Universität Chemnitz rekrutiert. Die Studie ist von der Ethikkommission bewilligt worden.

2.2 Messinstrumente

Der Center of Pressure (CoP) wurde mit einer Kraftmessplatte von Stopper (Burladingen, Deutschland) und einem "iPad 2 mini" erfasst (siehe Abbildung 4).

Eine solche Kraftmessplatte ist gut geeignet für die Analyse und Auswertung der menschlichen Körperhaltung (vgl. Palmieri et al., 2002). Die Kraftmessplatte von Stopper ist des Weiteren in der Lage Rotationsbewegungen um die Drehachse auf Höhe der Knöchel auszuführen. Diese Rotationsbewegungen waren für diese Arbeit nicht notwendig.

Die Kraftmessplatte konnte mit der Software LabVIEW Version 8.2 (National Instruments, Austin, TX, USA) angesteuert und der CoP gemessen werden.

Die Kraftmessplatte erfasst insgesamt 8 Kräfte (Fx, Fy) mit einer Aufnahmefrequenz von 1000 Hz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 : Links: Die Kraftmessplatte mit der elektromagnetischen Spule für den Start- und Endpunkt der Messungen. Rechts: Das "iPad 2 mini" mit dem Programm "SensorData".

Die 8 zu messenden Kräfte setzen sich aus den Kräften der beiden einzelnen Platten der Kraftmessplatte zusammen. Sowohl die linke als auch die rechte Platte misst 4 Kräfte, die sich jeweils aus 2 Kräften aus dem vorderen und dem hinteren Teil der Platten ergeben.

2.3 Das Protokoll und die Aufgaben

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Abb. 5 : Das verwendete System der statischen Posturographie. Quelle: Brödemann (2003)

Die Probanden wurden einzeln in einer 30minütigen Einheit gemessen. Nach der Durchführung des kurzen Interviews wurde den Probanden die verschiedenen Aufgaben erklärt. Die Probanden hatten die Aufgabe ohne Schuhe mittig auf der Kraftmessplatte zu stehen, den Blick nach vorn zu richten und die Hände locker seitlich ihres Rumpfes hängen zu lassen (siehe Abbildung 5).

Die Fußknöchel sollten dabei immer auf Höhe des Kraft- und Drehgelenkes der Kraftmessplatte und der Digiti Pedis auf einer sichtbar dicken Linie auf der Kraftmessplatte sein. Mit dieser Vorgehensweise wurde zum einen die Standfläche individualisiert und zum anderen eine standardisierte Ausgangslage für die Messung ermöglicht. Des Weiteren wurde sichergestellt, dass sich beide Füße innerhalb der Kraftmessplattensensoren befanden. Jegliche Veränderung dieses Verfahrens kann einen wesentlichen Einfluss auf die Haltungskontrolle und der Körperschwankung haben (vgl. Melzer et al., 2001).

Vor Beginn der Messung wurde um die Taille eines jeden Probanden ein elastischer Gurt befestigt, in dem sich im Bereich des unteren Rückens das "iPad 2 mini" befand. Des Weiteren wurde vor jeder Messung insbesondere das anteriore-posteriore Schwanken mit den verschiedenen Messbedingungen kurz geübt, um sicher zu stellen, dass die Probanden bei der Messung ungefähr wussten, wie weit sie nach vorne oder nach hinten Schwanken mussten und sich auf die entsprechende Messbedingung einstellen konnten. Ohne die vorangegangenen Übungen ist es durchaus möglich, dass die Probanden zum einen die selbst wahrgenommene Haltungsänderung irrtümlich als Schwankung betrachten, sie aber eine viel zu geringe Schwankung für eine Center of Pressure Veränderung ausüben. Zum anderen können die Probanden einschätzen, wie weit sie in anteriorer-posteriorer Richtung schwanken können, ohne sich dabei an den an der Seite befindlichen Sicherheitsgriffen festhalten zu müssen. Denn ein Greifen nach den Sicherheitsgriffen macht die Messung ungültig.

In dieser Studie wurden die Probanden unter sechs verschiedenen Bedingungen zur Erfassung der Körperschwankungen gemessen, weshalb die Messbedingungen in einem Protokoll (siehe Anhang) festgehalten werden mussten: 1. Stehen mit offenen Augen, 2. Stehen mit geschlossenen Augen, 3. Stehen mit der Prismenbrille, 4. Schwanken mit offenen Augen, 5. Schwanken mit geschlossenen Augen und 6. Schwanken mit der Prismenbrille. Jede dieser Messungen dauerte 30 Sekunden. Die Aufgabe "Stehen" (statisches Gleichgewicht) mit ihren drei verschiedenen Bedingungen wurde jeweils einmal wiederholt, das "Schwanken" (dynamische Gleichgewicht) wurde mit allen drei Bedingungen jeweils dreimal wiederholt. Jeder Proband konnte während der 30 sekündigen Messung zwischen drei bis fünf Schwankungen durchführen. Dem zu Folge konnte für die spätere Auswertung 9 bis 15 Schwankungsverläufe analysiert und ausgewertet werden. Laut Zatsiorsky & Duarte (2000) ist dies ausreichend für eine aussagekräftige Datenauswertung, einer ausreichenden Variabilität und Validität und der Analyse von deutlichen Unterschieden zwischen den Messungen. Le Clair & Riach (1996) empfehlen eine Messdauer von 30 Sekunden für eine optimale Test-Retest Reliabilität.

Die Aufgabe "Stehen" mit geöffneten Augen und den Blick nach vorn gerichtet ist eine einfache motorische Aufgabe, die nur einen kleinen Einfluss auf die Körperschwankung hat (vgl. Donker et al., 2007).

Durch das Schließen der Augen und, wie in dieser Studie, das Tragen einer Prismenbrille kann das visuelle System unterdrückt bzw. beeinflusst werden (vgl. Lepers et al., 1997). Durch die Prismenbrille sind die visuellen Reize schwieriger wahrnehmbar und es war wichtig, dass eine Desorientiertheit bei den Probanden auftrat. Darum war es wichtig, dass die Probanden mit der Prismenbrille auf keine weiße Wand schauten, sondern auf ein sichtbares Objekt, wie z.B. einem Bild oder einem Poster (siehe Abbildung 6).

Die Augen mussten beim Tragen der Prismenbrille während der gesamten Messung geöffnet bleiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 : Links: Die Prismenbrille für die visuell induzierte Perturbation . Rechts: Ein Poster von Johnny Cash zur veränderten visuellen Wahrnehmung .

2.4 Messvariablen

In den Studien von Kolb et al. (2014) und Palmieri et al. (2002) werden die wichtigsten Berechnungsformeln und Messvariablen für die Erfassung der Körperhaltung zusammengefasst.

Die x und y Komponenten des CoPs wurden offline durch folgende Gleichung berech-net:

CoPx ist die x Komponente in der Frontalebene. CoPy ist die y Komponente in der Sa-gittalebene. Dabei ist Fr die Summe aller Kräfte von der rechten Seite und Fl die Sum-me aller Kräfte von der linken Seite. Die Variable d entspricht dem Abstand zwischen den Dehnungsmessstreifen.

Die Länge der Trajektorie ist ein klassischer Parameter bei der Beurteilung, ob die Probanden stärker oder schwächer schwanken. Der gesamte Schwankungsbereich wird, wie es typischerweise auch in anderen Arbeiten angewendet wird, mit der Trajektorienlänge in der horizontalen Ebenen dargestellt und auf eine Ellipse mit 95% der Datensätze reduziert (vgl. Oliveira et al., 1996). Die Länge der Trajektorie (tr), auch als Schwingweg bezeichnet (vgl. Hufschmidt et al., 1980), wurde mit folgender Gleichung berechnet:

Fa entspricht der Summe aller Kräfte von der vorderen Seite und Fp ist die Summe aller Kräfte der hinteren Seite der Kraftmessplatte. Die Variable i ist der aktuelle Zeitpunkt und n ist die Anzahl der Punktanordnungen. Die einzelnen Kräfte wurden mit einem Butterworth-Filter der 5. Ordnung (eine Form vom Tiefpass) gefiltert (f ≤ 66.6 Hz). Der mittlere CoP wurde so verschoben, dass sein Ausgangspunkt und der Koordinatenursprung (0,0 mm) übereinander lagen.

Zur Umrechung der Länge der Trajektorie in Millimeter wurde die folgende Umrechungsformel verwendet:

V ist das Einheitenzeichen für die physikalische Größe der elektrischen Spannung.

CoP-Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit vom Center of Pressure misst die Geschwindigkeit des Körperschwerpunkts. Sie ist eine zweidimensionale Messvariable und beinhaltet Werte von anterioren/posterioren und medialen-lateralen CoP-Bewegungen. Laut Lafond et al. (2004) ist sie die Variable mit der höchsten Zuverlässigkeit. Eine Zunahme der CoP-Geschwindigkeit resultiert in einer Abnahme der Haltungsbalance (vgl. Le Clair & Riach, 1996). Mithilfe der Formel zur Berechnung der Länge der Trajektorie kann die CoP-Geschwindigkeit berechnet werden. Die CoP-Geschwindigkeit wird dabei berechnet aus der euklidischen Distanz (der Abstand zweiter Punkte in einer zweidimensionalen Ebene) und der dabei benötigten Zeit.

2.5 Datenauswertung/ - analyse

Zur Analyse und Auswertung der Messdaten, die mit dem Softwareprogramm LabVIEW abgespeichert wurden, mussten diese in das Programm "R" (64bit Version 3.3.2) eingelesen werden. Die Programmroutine in "R" ermöglichte das Auslesen der Messdaten.

Mithilfe des Tabellenkalkulationsprogrammes Excel konnten die Messdaten eingepflegt und miteinander verglichen und mögliche Schwankungsabweichungen analysiert werden. Dabei wurde beachtet, dass die ermittelten CoP-Messwerte durch eine entsprechende Anzahl an Messpunkten dividiert wurde, um deutliche Unterschiede der Körper- und Fußgrößen möglichst anzupassen.

Für die Datenauswertung werden die Ergebnisse unterteilt in die beiden unterschiedlichen Bewegungsaufgaben "Stehen" und "Schwanken" und die Analyse fokussiert sich insbesondere auf die unterschiedlichen Messbedingungen (siehe Tabelle 1 und 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1 : Übersicht zur Datenanalyse und -auswertung für die Bewegungsaufgabe "Stehen".

Die Bewegungsaufgabe "Stehen" soll der Untersuchung dienen, ob die visuelle Perturbation mittels Prismenbrille einen Effekt auf die Probanden hat und ob mit der Prismenbrille andere posturale Parameter untersucht werden können im Vergleich zur Messbedingung "Augen geschlossen".

Für die Auswertung der Daten in die anteriore-posteriore und die mediale-laterale Bewegungsrichtung werden die Messbedingungen "Augen geschlossen" und Prismenbrille entlang des Schwankungsverlaufes von "Augen offen" verglichen, um die deutlichen Schwankungsunterschiede zu veranschaulichen.

Des Weiteren wird die Formel zur Berechnung des Romberg-Quotienten angewendet (vgl. Chiari et al., 2000; Prieto et al., 1996):

Der Quotient aus "Augen geschlossen" (Eyes closed, EC) bzw. Prismenbrille (Prism glasses, PG) und "Augen offen" (Eyes open, EO) ist der am häufigsten verwendete Index zur Beschreibung des visuellen Einflusses auf die posturale Kontrolle. Ein Ergebnis > 1 sagt entsprechend aus, wie stark der Proband von seinem visuellen System abhängig ist. Die Romberg-Quotienten aus EC/EO und aus PG/EO sollen zeigen, ob die Prismenbrille einen ähnlichen oder stärkeren Einfluss auf die CoP-Bewegung im Vergleich zu geschlossenen Augen hervorruft.

Tab. 2 : Übersicht zur Datenanalyse und -auswertung für die Bewegungsaufgabe "Schwanken".

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