Bewegungs- und Haltungskontrolle des Laufens und Stehens bei induzierten Störungen - Götze, M. (Friedrich-Schiller-Universität Jena, 2019)
Zusammenfassung Hintergrund Die Bewegungs- und Haltungskontrolle des Menschen zielt darauf ab, folgenschwere Ereignisse, wie Stürze, Umfallen, Zusammenstöße oder Verletzungen, bei der Reaktion auf Störungen zu vermeiden. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass Bewegungsreaktionen des motorischen Kontrollsystems auf die Gewährleistung der Stabilität und der Energieeffizienz ausgelegt sind. Alltägliche Situationen erfordern, dass das Bewegungssystem sowohl interne als auch externe Störungen bewältigt. Diese können bei geeigneten Umgebungsbedingungen mit einem vorab geplanten Bewegungsprogramm kompensiert werden, aber auch durch selbststabile, rein mechanische Eigenschaften ausgeglichen werden, beispielsweise beim Auftreten von plötzlich unvorhersehbaren Störeinflüssen. In der Bewegungswissenschaft werden Reaktionen auf Störungen während elementarer Bewegungs- und Haltungsaufgaben verwendet, um einen detaillierten Einblick in angewandte motorische Kontrollstrategien zu erhalten. Ein generelles Unterteilungskriterium stellt die Kenntnis und die Unkenntnis des Zeitpunkts, der Größe und der Wirkungsrichtung einer Störung dar. Ferner bieten Kohorten, die allgemeinhin mit einem geänderten Bewegungsverhalten in Verbindung gebracht werden, eine weitere Möglichkeit, einen umfassenden Einblick in motorische Kontrollstrategien zu erhalten. Pro Jahr erleiden 20 % der Erwachsenen Rückenschmerzen: 70-80 % der Bevölkerung sind in ihrem Leben mindestens einmal davon betroffen (Wagner et al., 2009). Chronische unspezifische Rückenschmerzen (CURS) zählen zu den häufigsten Formen der Beschwerden im unteren Rückenbereich und unterliegen einer großen sozioökonomischen Belastung (Koch & Hänsel, 2018). Noch immer sind ihre Wirkungsmechanismen nicht vollständig geklärt, sodass eine beeinträchtigte Bewegungskontrolle als eine mögliche Ursache diskutiert wird. Zielstellung Die kumulative Dissertation verfolgt zwei übergeordnete Zielstellungen. Bei einem durchgeführten Laufexperiment war es die beabsichtigte Aufgabe, die vertikalen Anpassungen des approximierten Körperschwerpunkts (KSP) beim Laufen über sichtbare und verdeckte Untergrundstörungen zu untersuchen und Einblicke in angewandte Kontrollstrategien des KSP zu erhalten (Studie I und II). In einem weiteren Experiment wurde die Bewegungsreaktion zwischen Patienten mit CURS sowie gesunden Kontrollprobanden (GK) bei plötzlich applizierten Störungen im aufrechten Stand untersucht (Studie III und IV). Ziel dieses Störexperiments war es, die Interaktion zwischen Schmerz und Bewegung beziehungsweise Haltung besser zu verstehen, um Patienten mit CURS sicherer identifizieren und genauere Prognoseabschätzungen treffen zu können. Die Ergebnisse könnten auch dazu beitragen, innerhalb einer Präventionsdiagnostik Personen mit einem geänderten Bewegungsverhalten IV zu erkennen und eine Prognose zu erstellen, ob sie in Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit CURS erleiden werden, wenn sie sich nicht einer präventiven Maßnahme unterziehen. Methoden Für das Laufexperiment wurde ein Lauftrack eingerichtet, auf dem die Probanden eine sichtbare 10 cm hohe Stufe, ein sichtbares 10 cm hohes Plateau, eine sichtbare 10 cm tiefe Stufe und eine randomisiert verdeckte 10 cm tiefe Stufe (Störungshöhe entsprach ca. 11 % der Ruhebeinlänge der Teilnehmer) durchliefen (Studie I und II). Von den teilnehmenden Probanden wurde jeweils die Kinematik bedeutsamer Körpermarker aufgenommen und die vertikale Anpassung des approximierten KSP an die Höhenänderung des Untergrunds berechnet. Bei einem zweiten Experiment wurde ebenfalls die kinematische Bewegungsreaktion gemessen (Studie III und IV). In einem Fall-Kontroll-Design wurden Rückenschmerzpatienten und GK sechs vertikale Kräfte (drei grundsätzlich verschiedene Störungsarten mit jeweils zwei Ausprägungen) über ein Seil am Arm im aufrechten Stand appliziert. Die Probanden besaßen keine Kenntnis über den Zeitpunkt und die Art der Störung. Um zwischen den Probandengruppen zu unterscheiden und eine bestmögliche Klassifizierung zu erreichen, wurde eine schrittweise Diskriminanzfunktionsanalyse mit den Extremwerten der Körpermarker in dreidimensionaler Richtung durchgeführt (Studie III). Für die Studie IV wurde das Markerset reduziert und die Wiederherstellung des Gleichgewichts mittels Analyse des Schulter- und Beckenwinkels in der Hauptwirkungsrichtung der applizierten Störungen untersucht. Für eine Beurteilung der posturalen Wiederherstellung nach den applizierten Störungen wurde die Wiederherstellungszeit, die Anzahl der Anpassungen und der Bewegungsumfang berechnet. Ergebnisse Die Ergebnisse des Laufexperiments zu sichtbaren Untergrundstörungen (Studie I) zeigen, dass Läufer ihren KSP in Vorbereitung auf eine Erhöhung im Boden (+10 cm Stufe und +10 cm Plateau) um ca. 50 % der Bodenhöhe anheben und in Vorbereitung auf eine Vertiefung im Boden (-10 cm Stufe) um ca. 40 % der Fallhöhe absenken. Beim Laufen auf der permanenten Bodenerhöhung (+10 cm Plateau) ist die Anpassung des KSP an die Bodenhöhe bereits im ersten Kontakt des neuen Bodenniveaus vollzogen, während beim Laufen über die Stufen (+10 cm Stufe und -10 cm Stufe) im gestörten Bodenkontakt noch keine vollständige Höhenanpassung geschieht. Letztere wird auf die nachfolgenden Schritte bis zur Rückkehr zur finalen Bodenhöhe verlagert. Bei den Laufversuchen zu verdeckten Untergrundstörungen (Studie II) senkten die Läufer ihren KSP in Vorbereitung auf den verdeckten Kontakt (-10 cm Stufe) um ca. 25 % der möglichen Fallhöhe ab und zwar unabhängig davon, ob eine verdeckte tiefe Stufe erschien oder nicht. Während beim Ausbleiben einer Bodenänderung nahezu keine Anpassung (ca. +5 %) des KSP im verdeckten Kontakt festgestellt wurde, senkten die Läufer V ihren KSP für den Fall des Auftretens einer verdeckten Stufe im gestörten Bodenkontakt um ca. 90 % der Fallhöhe ab. Beim Störexperiment der Studie III konnten mittels Diskriminanzanalyse aus 16 verwendeten Körpermarkern zwei Körpermarker in sagittaler Bewegungsrichtung extrahiert werden, die zu einer 100%igen Vorhersage der Patienten mit CURS (zehn von zehn) und einer 80%igen Vorhersage der GK (acht von zehn) zur Gruppenzugehörigkeit führte. Die Schätzung des Klassifizierungsfehlers ergab eine konstante Klassifizierungsrate der GK und eine leichte Reduzierung für Patienten mit CURS (neun von zehn). Die Ergebnisse zur Untersuchung der posturalen Wiederherstellung (Studie IV) ergaben, dass Patienten mit Rückenschmerzen weniger Zeit zur Stabilisierung und geringere Haltungsanpassungen bei einer der drei verschiedenen applizierten Störungsarten aufwiesen. Für die Variable des Bewegungsumfangs im analysierten Schulter- und Beckenwinkel wurden keine signifikanten Gruppenunterschiede festgestellt. Schlussfolgerung Schlussfolgernd aus den Ergebnissen der durchgeführten Laufexperimente gilt es festzuhalten, dass abhängig von den Umgebungsbedingungen verschiedene Kontrollstrategien (feedback- und feedforward control) angewandt werden. Bei sichtbaren Untergrundstörungen sowie bei einer verdeckten, potenziell geänderten Untergrundhöhe passen Läufer sich bereits im Voraus auf die Störung an. Stehen ausreichend Informationen über das Bodenniveau zur Verfügung, scheinen Menschen beim Laufen eine sanfte Anpassung ihrer Körperschwerpunktbahn zu bevorzugen, die sich über mehrere Schritte erstreckt. Verdeckte Untergrundstörungen hingegen können von Läufern auch innerhalb eines Schritts kompensiert werden, indem die Höhe des KSP um das Höhenniveau der auftretenden Störung angepasst wird und somit die lokale Höhe des KSP nahezu konstant bleibt. Für die Störexperimente im Fall-Kontroll-Design (Studie III und IV) kann geschlussfolgert werden, dass sich Patienten mit CURS nicht nur, wie durch Liebetrau et al., (2013) nachgewiesen, auf muskulärer Ebene, sondern auch durch äußerlich messbare Bewegungen im Vergleich der Bewegungsreaktionen zu GK unterscheiden. Die Klassifikation von Patienten mit CURS anhand von kinematischen Variablen ist möglich und könnte zur Identifikation von Personen mit einem geänderten Bewegungsverhalten genutzt werden. Obwohl die angewandte Versuchsmethodik geeignet ist, zwischen Patienten mit CURS und GK zu klassifizieren, bleibt festzuhalten, dass dieser Befund von der Störungsart abhängt und Gruppenunterscheidungen, die auf kinematischen Extremwerten der Bewegungsreaktion beruhen, nur für wenige Körpermarker zu signifikanten Unterschieden führten. Die Ergebnisse zur Untersuchung der posturalen Wiederherstellung (Studie IV) lassen vermuten, dass Patienten mit CURS eine Kompensationsstrategie verwenden, die auf eine schnelle Reduzierung der VI Bewegungsgeschwindigkeit der Schmerzregion abzielt. Für eine mögliche Integration des Störungsparadigmas in die Präventionsdiagnostik scheint die Betrachtung der störungsinduzierten Gesamtbewegungsdistanzen und Geschwindigkeiten des Beckenwinkels aus organisatorischer Sicht praktikabler zur Identifikation von Personen mit einem geänderten Bewegungsverhalten zu sein. Möglicherweise sind festgestellte geringere Gesamtbewegungsdistanzen im Becken der Rückenschmerzpatienten mit einer geänderten Propriozeption verbunden, die auf einer größeren Abweichung im Vergleich der Ausgangsposition mit der eingenommenen Endposition beruhen könnte. Die Ergebnisse des Laufexperiments zur Voranpassung des KSP auf Störungen im Untergrund lassen vermuten, dass ebenso vorbereitende Strategien zur Bewältigung der Störungen im aufrechten Stand existieren. Für zukünftige Forschungsarbeiten wäre eine Modifizierung des bisherigen Versuchssetups mit der Integration einer Vorwarnung für nachfolgende Störungen denkbar und könnte zu weiteren Erkenntnissen der Bewegungs- und Haltungskontrolle des Menschen beitragen.