Studie Walkmaxx Schuh

DS WALKMAXX
2010
Randomisierte, experimentelle
Explorationsstudie der Muskelaktivierung bei
Nutzung des WALKMAXX Schuhs
Institut für Biomechanik und Orthopädie
Deutsche Sporthochschule Köln
Köln, Deutschland
1
Prof. Dr. G.-P. Brüggemann
Ein Forschungsbericht zur Evaluation der
Muskelaktivierung beim Tragen des Schuhs
„WALKMAXX“.
Eine wissenschaftliche Studie durchgeführt
im Auftrag der DS Produkte GmbH, Stapelfeld
Brüggemann, Gert-Peter
Lersch, Christian
Institut für Biomechanik & Orthopädie
Deutsche Sporthochschule Köln
Am Sportpark Müngersdorf 6
D-50933 Köln
Deutschland
Phone: +49 221 49825660
Fax:
+49 221 4971 598
e-mail: [email protected]
2
Vorbemerkung und Zielstellung
Die DS Produkte GmbH hat mit dem Produkt WALKMAXX einen
Funktionsschuh für den Alltag entwickelt.
Die DS Produkte GmbH gibt vor, dass der WALKMAXX durch seine
konstruktive Instabilität (a) die Muskulatur des Trägers oder Nutzers
intensiver
beansprucht
als
ein
Normalschuh
und
damit
stärkt,
(b)
infolgedessen den Kreislauf anregt, (c) die Körperhaltung verbessert und ggf.
Rückenschmerzen reduziert, (d) ein natürliches Gehen ermöglicht, und (e)
den Fuß auf einer natürlichen Abrolllinie führt.
Damit werden dem Schuh Funktionen und Wirkungsweisen zugesprochen,
die extrem breit ausgelegt sind.
Wenn die muskuläre Leistungsfähigkeit durch eine erhöhte Belastung durch
die Instabilität des Schuhs eine Verbesserung erfährt, kann mit einer
perspektivischen Entlastung der Gelenke und insbesondere der Gelenke der
unteren Extremität gerechnet werden.
Zur Evaluierung wurde im Rahmen der vorliegenden Untersuchung folgende
Fragestellung bearbeitet:
Unterscheidet sich die Muskelaktivität beim Gehen und
Stehen mit dem „WALKMAXX“ von der beim Gehen und
Stehen mit einem Kontrollschuh?
Diese Fragestellung wurde in einer experimentalen Explorationsstudie
nachgegangen, bei der die unabhängige Variable die Schuhbedingungen
(Neutralschuh, WALKMAXX) bildeten. Die abhängigen Variablen waren das
die elektrischen Muskelaktivitäten beim Stehen, beim Gehen in der Ebene,
beim Aufwärtsgehen und beim Abwärtsgehen. Die Versuchspersonen waren
nicht über die technischen Details und mechanischen Eigenschaften der
verwendeten Schuhe informiert. Ebenso waren die Versuchsleiter nicht über
technische Einzelheiten und mögliche funktionelle Eigenschaften in Kenntnis
gesetzt, sodass mit gewissen Einschränkungen von einer Doppelblindstudie
ausgegangen werden kann.
3
Methodik
Untersuchungsgut und Verlauf
An der Untersuchung nahmen 12 Probanden (6 Frauen, 6 Männer) im Alter
von 23 bis 35 Jahren (Mittelwert: 28±2,5 Jahre) teil. Eine vorab angefertigt
Analyse der statistischen Power zeigte, dass eine Stichprobengröße zur
Bearbeitung der drei Teilprojekte von n=10 hinreichend wäre. Damit ist die
gewählte Stichprobengröße von 12 Probanden als genügend bzw. gut zu
bewerten.
Der BMI zeichnete alle Teilnehmer als nicht adipös aus. Alle Untersuchungsteilnehmer
waren
zum
Untersuchungszeitpunkt
gesund
und
schmerzfrei. Die Versuchspersonen wurden detailliert über den Ablauf des
Untersuchungsgangs informiert und unterzeichneten vor der Untersuchung
eine entsprechende Einverständniserklärung. Die Studie wurde von der EthikKommission der Universität evaluiert und genehmigt.
Die
Untersuchung
wurde
unter
folgenden
Versuchsbedingungen
durchgeführt:
(1) Gehen mit einer Ganggeschwindigkeit von 1,6 ms-1
(2) Gehen auf 10° Gefälle mit einer Ganggeschwindigkeit von 1,6 ms-1
(3) Gehen auf 10° Steigung mit einer Ganggeschwindigkeit von 1,6 ms-1
(4) 30 s Einbeinstand auf geraden, stabilen Untergrund
Alle Versuchsbedingungen wurden von den Probanden jeweils mit dem
Neutralschuh und mit dem Experimentalschuh WALKMAXX
durchgeführt.
Die Reihenfolge der Schuhe wurde randomisiert, um Reihenfolgeneffekte zu
eliminieren.
In den experimentellen Gangbedingungen (1) –(3) wurden nach 30 s Gang
zehn Schrittzyklen gemessen und der weiteren Auswertung unterworfen.
Versuchsbedingungen wurden fünfmal wiederholt.
4
Messmethodik
Zu Kontrolle der Ganggeschwindigkeit und zur Standardisierung der
Bedingungen erfolgten alle Gehversuche auf einem Motor getriebenen
Laufband (Cosmos).
Zur
Untersuchung
der
Muskelaktivität
wurde
die
Oberflächen-
elektromyographie (EMG) verwendet. Es wurden biopolaren Ableitungen der
Muskeln vorgenommen, wobei die Myosignale unmittelbar an den Elektroden
vorverstärkt
und
mittels
Miniatursender
an
eine
Empfangsstation
weitergeleitet wurden. Dort erfolgte die Speicherung und Weiterverarbeitung
der Signale nach AD Wandlung in einem PC mittels speziell angepasster
Software. Zur Erfassung der Bodenkontaktzeiten wurden Fußschalter unter
dem rechten und linken Fuß angebracht und synchron mit den EMG Signalen
aufgezeichnet.
Elf
Muskeln
bzw.
Muskelgruppen
wurden
bipolar
abgeleitet.
Die
Eversionsmuskulatur des Fußes wurde durch den M. pereoneus longus und
die Inversionsmuskulatur durch den M. tibialis anterior repräsentiert. Die
Plantarflexoren M. soleus, M. gastrocnemius medialis und M. gastrocnemius
lateralis wurden wie die Knieextensoren M. vastus lateralis und M. vastus
medials und die Knieflexoren M. biceps femoris und M. semitendinosus
erfasst. Als Hüftstrecker und Hüftabduktoren wurden M. gluteus maximus und
M. gluteus medius abgeleitet.
Die Abtastrate wurde mit 3000 Hz hinreichend hoch gewählt, so dass die
Analyse sowohl in der Amplituden- als auch der Zeit- und Frequenzdomänen
möglich wurde.
Vor der Weiterverarbeitung wurden die EMG Daten Amplituden und Zeit
normalisiert. Die Amplitudennormalisierung orientierte sich an der maximalen
elektrischen Aktivität beim Gang mit dem Kontrollschuh in der Ebene, die
Zeitnormalisierung wählte die Stützdauer mit 200 ms Voraktivierung als
Normalisierungsgrundlage.
5
Ergebnisse
Zur vergleichenden Analyse der elektromyographischen Daten wurden die
EMG-Amplituden auf die Kontrollschuhsituation normalisiert. Dabei wurde die
maximale
elektrische
Aktivierung
während
des
Gangzyklus
in
der
Versuchbedingung Gehen in der Ebene Situation als 100 % gesetzt. Alle
anderen Aktivierungen wurden auf dieses Maß normalisiert. Zur weiter
gehenden Analyse wurden die Integrale unter den gleichgerichteten
Elektromyogrammen bestimmt. Untersucht wurden die Stützphase, die
Vorinnervationsphase und der gesamte Zyklus.
30s-Einbeinstand: Abbildung 1 verdeutlicht die prozentualen Unterschiede
des normalisierten integrierten EMGs (Zeit- und Amplituden normalisiert)
zwischen der Referenzbedingung und den WALKMAXX Schuh. Dargestellt
sind die Mittelwerte der Abweichungen und deren Standardabweichungen.
Keine der mittleren Differenzen ist statistisch signifikant (p<0,05). Der
Experimentalschuh verändert damit die Muskelaktivität der untersuchten 11
Muskeln beim einbeinigen Stand über 30 Sekunden nicht überzufällig. Zwar
zeigen die numerischen Werte der mittleren Tendenz eine etwas größere
Aktivierung von Mm. Vastus lateralis und medialis sowie des M. gluteus
medius; die Unterschiede sind jedoch statistisch nicht signifikant (p<0,05) und
folglich zufällig.
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass der WALKMAXX bei
keinem der untersuchten Muskeln im 30s-Einbeinstand zu einer signifikanten
Aktivitätserhöhung in Relation zum Referenzschuh führt.
6
200
Abweichung [%]
150
100
50
0
-50
-100
TA
PE
GM
GL
SO
VM
VL
SE
BF
GLMEDGLMAX
Abbildung 1: 30 Minuten Einbeinstand - Mittelwerte und Standardabweichungen der
prozentualen Veränderung der Muskelaktivierung (integriertes EMG)
durch den WALKMAXX in Relation zum Kontrollschuh (baseline).
Dargstellt sind die Daten aller Versuchpersonen für die Muskeln: TA M. tibialis anterior, PE – M. peroneus, GM - M. gastrocnemius medialis,
GL - M. gastrocnemius lateralis, SO - M. soleus, VM - M. vastus
medialis, VL - M. vastus lateralis, SE - M. semitendineus, BF - M.
biceps femoris, GLMED - M. gluteus medius, GLMAX - M. gluteus
maximus.
Gehen in der Ebene: Tabelle 1 fasst die Mittelwerte und Standardabweichungen der normalisierten und integrierten EMGs für den gesamten
Gangzyklus
(Voraktivierung
Signifikanzniveau
des
und
Standphase)
Mittelwertunterschiedes
der
zusammen.
Das
Muskelaktivierung
zwischen Experimentalschuh (WALKMAXX) und Kontrollschuh ist mit dem pWert in der letzten Spalte gegeben. Signifikant (p<0,05) wird die Aktivität des
M. tibialis anterior durch den Experimentalschuh reduziert. Dagegen wird die
Aktivität
des
Wadenmuskels
M.
soleus
(Schollenmuskel)
mit
dem
WALKMAXX signifikant gegenüber dem Kontrollschuh vergrößert (p=0,04).
Der M. gastrocnemius medialis zeigt den Trend (p=0,1) einer signifikanten
Zunahme bei Verwendung des WALKMAXX. Mit p=0,16 (Tabelle 1) zeigt der
7
M. gluteus maximus einen nicht auf dem 5%-Niveau festzumachenden Trend
einer etwas höheren Aktivierung beim Gehen mit dem WALKMAXX. Es bleibt
zu betonen, dass dies ein Trend ist und kein statistisch signifikanten (p<0,05)
Mittelwertsunterschied.
Tabelle 1: Mittelwerte (MW) und Standardabweichungen (SD) der
normalisierte und integrierten EMGs der einzelnen
Muskeln beim Gehen in der Ebene und Verwendung des
Referenzschuhs (REF) und des Experimentalschuhs (WM:
WALKMAXX).
Muskel
M. tibialis anterior
M. peroneus longus
M. gastrocnemius medialis
M. gastrocnemius lateralis
M. soleus
M. vastus medialis
M. vastus lateralis
M. semitendinosus
M. gluteus medius
M. gluteus maximus
M. bizeps femoris
REF 0° Steigung
MW
SD
286,6
34,9
335,8
55,6
309,1
60,9
259,5
76,5
308,1
24,5
259,8
33,6
248,6
19,0
270,0
37,6
329,5
41,6
258,5
58,7
281,4
32,5
WM 0° Steigung
MW
SD
261,2
46,6
345,2
71,3
377,7
189,2
342,9
166,6
349,8
84,5
275,8
51,9
256,4
35,0
272,3
62,1
374,9
175,5
339,3
201,6
261,5
69,0
p
0,05
0,53
0,10
0,19
0,04
0,17
0,31
0,88
0,38
0,16
0,41
Tabelle 2 zeigt die Mittelwert und die relativen Abnahme/Zunahmen der mittleren
Muskelaktivität in Prozent.
Tabelle 2: Mittelwerte (MW) und prozentuale Differenz der Mittelwert
(Delta %) der normalisierte und integrierten EMGs der
einzelnen Muskeln beim Gehen in der Ebene und
Verwendung des Referenzschuhs (REF) und des
Experimentalschuhs (WM: WALKMAXX).
Muskel
M. tibialis anterior
M. peroneus longus
M. gastrocnemius medialis
M. gastrocnemius lateralis
M. soleus
M. vastus medialis
M. vastus lateralis
M. semitendinosus
M. gluteus medius
M. gluteus maximus
M. bizeps femoris
REF
286,6
335,8
309,1
259,5
308,1
259,8
248,6
270,0
329,5
258,5
281,4
WM
Delta %
261,2
- 8,8
345,2
+ 2,8
377,7
+ 22,2
342,9
- 32,1
349,8
+ 13,5
275,8
+ 6,1
256,4
+ 3,1
272,3
+ 0,8
374,9
+ 13,8
339,3
+ 31,3
261,5
- 7,1
8
Die numerisch größte relative Zunahme der Aktivität zeigt der M. gluteus
maximus mit 31,3%. Es bleibt zu bemerken, dass der Unterschied der
Mittelwerte auf einem 5%-Niveau statistisch nicht signifikant ist.
Gehen auf 10° Gefälle: Tabelle 3 zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen der normalisierten und integrierten EMGs für den gesamten
Gangzyklus (Voraktivierung und Standphase) beim Gehen auf dem Laufband mit
10° Neigung. Die Mittelwerte des M. tibialis anterior und die des M. gluteus
maximus von Referenzschuh und Experimentalschuh sind statistisch signifikant
(p<0,05) unterschiedlich. Der M. tibialis anterior wird somit beim Gehen auf 10°
geneigtem Laufband mit dem WALKMAXX signifikant weniger aktiviert und
beansprucht als beim Gehen mit dem Referenzschuh. Dagegen wird der M.
gluteus maximus bei Verwendung des WALKMAXX signifikant intensiver aktiviert
und
beansprucht
als
bei
Verwendung
des
Referenzschuhs.
Die
Aktivierungszunahme des M. gluteus maximus durch den WALKMAXX beträgt
im Mittel 29,6%. Auch der
Tabelle 3: Mittelwerte und Standardabweichungen der normalisierte
und integrierten EMGs der einzelnen Muskeln beim Gehen
bei 10° Gefälle und Verwendung des Referenzschuhs
(REF) und des Experimentalschuhs (WM: WALKMAXX).
Muskel
M. tibialis anterior
M. peroneus longus
M. gastrocnemius medialis
M. gastrocnemius lateralis
M. soleus
M. vastus medialis
M. vastus lateralis
M. semitendinosus
M. gluteus medius
M. gluteus maximus
M. bizeps femoris
REF -10° Gefälle
MW
SD
279,5
55,4
296,7
96,6
255,8
131,2
249,1
187,6
303,2
89,3
394,0
83,7
382,3
70,7
231,7
62,9
334,6
80,2
250,6
66,6
319,0
164,9
WM -10° Gefälle
MW
SD
243,8
46,5
279,9
70,7
261,3
225,9
165,4
75,9
298,3
110,0
426,8
121,3
384,7
76,8
226,0
59,8
455,4
246,6
324,8
128,8
227,0
87,0
p
0,04
0,40
0,87
0,20
0,87
0,13
0,85
0,79
0,13
0,02
0,06
Gehen bei 10° Steigung: Tabelle 4 zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen der normalisierten und integrierten EMGs für den gesamten
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Gangzyklus (Voraktivierung und Standphase) beim Gehen auf dem Laufband mit
10° Steigung. Die Mittelwerte des M. tibialis anterior von Referenzschuh und
Experimentalschuh sind statistisch signifikant (p<0,05) unterschiedlich. Der M.
tibialis anterior wird somit beim Gehen auf 10° angestelltem Laufband mit dem
WALKMAXX signifikant weniger aktiviert und beansprucht als beim Gehen mit
dem Referenzschuh. Der M. peroneus zeigt bzgl. Dieser Minderaktivierung einen
statistischen Trend. Der M. gluteus maximus wird bei Verwendung des
WALKMAXX numerisch intensiver aktiviert, der Mittelwertsunterschied zum
Referenzschuh ist jedoch nicht signifikant.
Tabelle 4: Mittelwerte und Standardabweichungen der normalisierte
und integrierten EMGs der einzelnen Muskeln beim Gehen
bei 10° Steigung und Verwendung des Referenzschuhs
(REF) und des Experimentalschuhs (WM: WALKMAXX).
Muskel
M. tibialis anterior
M. peroneus longus
M. gastrocnemius medialis
M. gastrocnemius lateralis
M. soleus
M. vastus medialis
M. vastus lateralis
M. semitendinosus
M. gluteus medius
M. gluteus maximus
M. bizeps femoris
REF +10° Steigung WM +10° Steigung
MW
SD
MW
SD
379,7
71,2
305,3
58,9
457,8
102,3
426,5
76,5
467,5
73,9
538,2
227,7
530,8
141,4
452,2
195,4
436,8
56,9
452,6
64,3
354,1
121,5
392,0
106,0
319,7
94,4
349,9
148,8
495,8
162,8
517,8
173,1
536,3
73,8
537,5
191,3
416,8
149,5
448,7
178,5
561,5
195,9
523,0
192,1
p
0,01
0,06
0,15
0,30
0,19
0,17
0,41
0,27
0,97
0,22
0,12
Es kann festgehalten werden, dass beim Tragen des WALKMAXX einige
Muskeln eine auffällige und zum Teil signifikante Zunahmen der Aktivierung
erfahren. Nur der M. tibialis anterior und der M bizeps femoris werden beim
Kontrollschuh – wenn auch nicht signifikant – stärker beansprucht.. Damit
wird mit dem M. tibialis anterior insbesondere der stärksten Supinator des
Fußes geringer belastet als beim Referenzschuh. Zumindest in der
Bedingung 10° Neigung findet sich eine signifikante Aktivitätserhöhung am M.
gluteus maximus beim WALKMAXX, die im Vergleich zum Referenzschuh mit
ca. 29% festgemacht werden kann.
10
Zusammenfassung
Es kann zusammengefasst werden, dass beim Tragen des WALKMAXX
einige Muskeln eine auffällige und zum Teil signifikante Zunahme der
Aktivierung erfahren. Die Erhöhung der Aktivierung findet sich im Mittel bei
bis zu 30%. Nur der M. tibialis anterior und der M bizeps femoris werden beim
Kontrollschuh – wenn auch nicht signifikant – stärker beansprucht. Eine hohe
und deutliche Beanspruchungszunahme zeigt mit dem M. soleus der
dominante Wadenmuskel und bemerkenswerterweise der M. gluteus
maximus. In der Bedingung 10° Neigung findet sich eine signifikante
Aktivitätserhöhung am M. gluteus maximus beim WALKMAXX, die im
Vergleich zum Referenzschuh mit ca. 29% festgemacht werden kann
Der WALKMAXX hat folglich das Potential, die Aktivität der Beinmuskulatur
und auch der Gesäßmuskulatur beim Gehen in der Ebene und auf
ansteigender oder abfallender Gehstrecke zu erhöhen. Nur einige wenige
Muskeln zeigen eine geringfügige Abschwächung der Aktivität.
Das Gehen mit dem WALKMAXX wird folglich vom Nutzer als anstrengender
empfunden und wird möglicherweise zu einer erhöhten Ganzkörperbeanspruchung als mit einem Neutralschuh führen. Die durch den Schuh
applizierte Instabilität insbesondere in der Sagittalebene ist nachhaltig die
Ursache für eine Erhöhung der Muskelaktivität.
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