MUSKELAKTIVITÄTEN WÄHREND UNTERSCHIEDLICHEN BEWEGUNGSPHASEN IMSKIROLLERLAUF

E. Felsner1, M. Jedelsky1, J. Langer1, M. Postl1, C. Schörg1, L. Weißenböck1

1 Fachhochschule Technikum Wien, Wien, AUT

1 Kurzfassung

Der Skirollerlauf entstand bereits vor mehrerenJahrzehnten. Das ursprüngliche Ziel war es einspezifisches Trainingsgerät für Skilangläufer imSommer zu entwickeln. Dabei entwickelte sich derSkirollerlauf neben einer Trainingsdisziplin auchzu einer eigenen Wettkampfsportart.Das Ziel dieser Arbeit ist die Muskelaktiviäten,von zehn – für den Skirollerlauf – relevantenMuskeln den drei Bewegungsphasen zuzuordnen.Die in der Sportwissenschaft definiertenBewegungsphasen – Abstoß, Schwung- undGleitphase – werden aus dem Skilanglaufübernommen. Aus dieser Zuordnung soll einesportartspezifische kinetische Kraftkette abgeleitetwerden.Die Messung der Muskelaktivitäten erfolgt dabeiüber ein mehrkanaliges EMG-Messsystem.Aufgrund der komplexen Bewegung zählen zu denrelevanten Muskelgruppen die oberen und unterenExtremitäten, als auch Brust- undRückenmuskulatur.Zur Bestimmung der Bewegungsphasen wird ein,am malleous lateralis applizierter, IMU-Sensorverwendet. Dieser erkennt aufgrund des zyklischenVerlaufs von Beschleunigungen undWinkelgeschwindigkeiten, mit Hilfe einesAlgorithmus, eindeutige Muster. Mit diesenMustern können die EMG-Verläufe automatisch indie einzelnen Bewegungszyklen eingeteilt werdenund die Bewegungsphasen indiziert werden.Aufgrund der Analyse aller Bewegungszyklenergibt sich ein hohe Anzahl von Messungen beirelativ geringen Messreihen.Die Messungen wurden mit einem Proband – 24Jahre, gesund, gute sportliche Technik –durchgeführt. Untersucht wurde die Skating-Technik in der Ebene in der 1:1 Technik, als auchbergauf in der asymetrischen 2:1 Technik(beidseitig).Die Ergebnisse zeigen eine graphische Übersichtwelcher Muskel zu welchem Zeitpunkt währendeines Bewegungszyklus aktiv ist, wie auch welcheMuskeln in einer Bewegungsphase aktiv sind.

2 Einleitung

Die Forschungsfrage, die zu diesem Projektgestellt wurde lautet:

Welche Muskeln werden im Skirollerlauf währendder definierten Bewegungsphasen angesprochenund ist es möglich daraus eine kinetische Kraft-Kette abzuleiten?

Die Hypothese zu dieser Forschnungsfrage lautet:

Durch eine elektronisch automatisierteBewegungsphasenerkennung ist es möglich dieEMG-Daten der bewegungsrelevanten Muskelneindeutig zuzuordnen und daraus eine kinetischeKraft-Kette abzuleiten.

Da der Skirollerlauf als spezifischesSommertraining für Skilangläufer entwickeltworden ist, werden für dieses Projekt diesportwissenschaftlichen Definitionen desSkilanglaufs verwendet. Der Skilanglauf ist einAusdauersport bei dem sich ein Athlet durchRückstoß von Ski und Stöcken fortbewegt. DieGesamtbewegung lässt sich dabei nach Schwirtz(2006) in fünf einzelne Bewegungsphaseneinteilen. Mit den Beinen erfolgt eine Abstoßphasegefolgt von einer Schwungphase und eineGleitphase. Zusätzlich gibt es eineArmabstoßphase und eine Schwungphase mit demArm. Da bei diesem Projekt ein IMU-Sensor amSchuh appliziert ist um die Bewegungsphasen zuindizieren und somit keine Bewegung in denArmen erfasst wird, werden im weiteren Verlaufdie Bewegungsphasen der Arme nicht mehrberücksichtigt. Die Muskelaktivitäten der oberenExtremitäten werden daher den Bewegungsphasender unteren Extremitäten zugeordnet.

Bei der untersuchten sportlichen Technik handeltes sich um die Skating-Technik. Von dieser gibt esmehrere Variationen. Die Techniken die in diesemProjekt behandelt sind nach Bilodeau, Boulay, &Roy (1992) wie folgt beschrieben:

Die 1:1 Skating-Technik wird so ausgeführt,dassbei jedem Skating-Schritt einDoppelstockeinsatz gemacht wird. DieBewegungsphasen der Beine bleiben die gleichen

und werden nur andersausgeführt als beimklassischen Langlauf. Die Erklärung der Phasenerfolgt anhand der Abbildung 1. Die Gleitphasebeginnt auch hier mit dem Aufsetzen des Skis wieim ersten Bild. Das Hüft-, Knie- und Sprunggelenksind hierbei leicht flexiert. Nach dem Aufsetzenverlagert der Athlet seinen Körperschwerpunktzentral auf den Gleitski, was im zweiten Bild zusehen ist. Dabei versuchtder Athlet zusätzlichseinen Körperschwerpunkt zu erhöhen und diesgelingt durch eine Extension inHüft-, Knie- undSprunggelenk. Die Abstoßphase beginnt damit,dass die Gelenke wieder flexiert werden und derSchwerpunkt nach vorne verlagert wird. Dannerfolgt wieder die explosionsartige Extension derGelenke mit gleichzeitigem Verlagern desKörperschwerpunkts auf den anderen Ski, der sichzu diesem Zeitpunkt in der Gleitphase befindet.Diese Bewegung sieht man im vierten Bild. DieSchwungphase findet zwischen den Bildern vierund fünf statt. Dabei beschleunigt der Athlet denSki wieder aktiv nach vorne bis er ihn flach undmöglichst sanft aufsetzt um die Gleitphaseeinzuleiten.

Bei der asymmetrischen 2:1 Technik wirdbeijedem zweiten Schritt ein Doppelstockschubausgeführt, der jedoch nicht wie sonst mit beidenStöcken gleichzeitig und symmetrischsondernsowohl zeitlich versetzt, als auchasymmetrisch ausgeführt wird. In Abbildung 2 istderBewegungsablauf abgebildet. Für das rechteBeinist auch hier die Gleitphase auf dem erstenBild zuerkennen. Vom zweiten auf das dritte Bilderfolgtdie Abstoßphase, die im vierten Bildabgeschlossen wird und in die Schwungphaseübergeht. Diese reicht wieder vom höchsten Punktdes Fußes bis zum Aufsetzen des Skis auf demUntergrund.

Aus der Literatur gibt es keine detaillierteDarstellung der Muskelaktivitäten während derBewegungphasen beziehungsweise deren Verlaufin einem Bewegungszyklus. Ansatzweise wurdedies behandelt von Holmberg & Lund (2008). Sievisualisierten eine kinematische Kraftkette beieinem Doppelstockschub, mit Hilfe einermuscoskeletaler Simulation, wie Abbildung 3 zusehnen ist. Dies ist nicht direkt für dieses Projektverwertbar, aber es gibt Hilfestellung im Bezug aufbewegungsrelevanten Muskeln und auf diegraphische Darstellungsmöglichkeit.

Wenger & Wöllzenmüller (1995) beschreiben diefunktionellen Bewegungen während einesBewegungszyklus in der 1:1 Skating-Technik, wiein Abbildung 4 ersichtlich. Dies dient unterstützteebenfalls die Wahl der betrachteten Muskeln.

Abbildung 1: Bewegungsablauf beim 1:1 Skating-Schritt (Bilodeau, Boulay, & Roy, 1992)

Abbildung 2: Bewegungsablauf beim 2:1 Skatingasymmetrisch (Bilodeau, Boulay, & Roy, 1992)

Abbildung 3: Kinematische Kraftkette einesDoppelstockschubs anhand einermuscoskeletarer Simulation (Holmberg &Lund, 2008)

Abbildung 4: Bewegungsstruktur des 1:1 Skating-Schritts (Wenger& Wöllzenmüller, 1995)

3 Methoden

Messtechnik

Um die notwendigen Daten zu erhalten werdenzwei Messsysteme kombiniert. Einerseits wird fürdie Erkennung der Bewegungsphasen eine IMUmit einem Datalogger verwendet, andererseits wirdzum Aufzeichnen der EMG Daten einKomplettsystem verwendet.

Die verwendete IMU ist die SEN-10736 9 Degreesof Freedom von Sparkfun Electronics (Boulder,Colorado, USA). Diese IMU beinhaltet einendreiachsigen Beschleunigungssensor ADXL345,sowie ein dreiachsiges Gyroskop ITG-3200 undeinen dreiachsigen Magnetfeldsensor HMC5883L.Zur Datenverwertung befindet sich zusätzlich einATmega 328 Chip auf der IMU. DieAufnahmefrequenz beträgt 100Hz.

Zur Aufzeichnung der Daten wird ein LogomaticV2, ebenfalls von Sparkfun, als Dataloggerverwendet. Die IMU sendet die aufgezeichnetenDaten über eine serielle Schnittstelle an denDatalogger, wo die Daten auf eine SD-Kartegespeichert werden. Zur Stromversorgung wird einLiPo Akku verwendet. Die IMU-Daten werden imAnschluss an die Messungen via USB mit einemPC verbunden und die übertragenen Daten werdenmittels Matlab (Mathworks, Natick,Massachusetts, USA) analysiert.

Zur EMG-Messung wird das Myomonitor-IV-System von Delsys Inc. (Boston, Massachusetts,USA) verwendet. Mittels bipolarer Elektrodenwird an zehn Muskeln die Aktivität gemessen. Diezusätzliche Referenzelektrode befindet sichwährend der Messungen am siebten Halswirbel.Das Delsys-System zeichnet mit 1000Hz auf undspeichert die Daten mittels eines integriertenDataloggers auf eine SD-Karte. Die Daten werdenim Anschluss an die Messungen mit der Delsys-Software exportiert und ebenfalls mit Matlabanalysiert und mit den IMU-Daten synchronisiert.

Sensorapplizierung

Da das Skirollerlaufen zum Großteil eine zyklischeund symmetrische Bewegung ist vgl. Smith (1992)wurden die Sensoren nur auf der rechten Seite desProbanden appliziert. Um die Bewegungsphasenbeim Skirollerlaufen zu untersuchen wird die IMUaußen am malleolus lateralis appliziert. Bei derOrientierung der IMU zeigt die X-Achse gegen dieFahrtrichtung, die Y-Achse in RichtungErdbeschleunigung und die Z-Achse zeigt nachmedial. Dies ist nur der Fall wenn der Probandgerade steht. Sobald er in Bewegung ist bewegtsich das Koordinatensystem mit. Durch die

Kombination von Beschleunigungssensor undGyroskop in der IMU kann allerdings durch eineMatlab-Funktion ein globales Koordinatensystemerrechnet werden. Dadurch lassen sich dieeinzelnen Bewegungsphasen leichter detektieren.

Die folgende Tabelle beinhaltet die Muskeln, andenen die Elektroden appliziert werden inklusiveder EMG-Kanäle, denen sie zugeordnet werden.Kanal neun wird nicht verwendet, da dieser defektist.

EMG-Kanal Muskel

1 Biceps femoris (BF)

2 Gastrocnemius lateralis (GL)

3 Gastrocnemius medialis (GM)

4 Latissimus dorsi (LD)

5 Pectoralis major (PM)

6 Rectus femoris (RF)

7 Tibialis anterior (TA)

8 Triceps brachii (TB)

10 Vastus medialis (VM)

11 Vastus lateralis (VL)

Tabelle 1: Liste der gemessenen Muskeln und Kanal-Zuordnung

Messablauf

Bei den Messungen werden zwei verschiedeneGeländetypen untersucht. Die erste Messreihe wirdauf einer Ebene durchgeführt, die zweite und dritte

Abbildung 5: Applizierung der IMU, EMG-Elektroden und der Datalogger

auf einem Anstieg. Beim Anstieg werdendeswegen zwei Messreihen durchgeführt, da die2:1 Skatingtechnik bergauf asymmetrisch ist undes dadurch eine Führhand gibt. Jede Messreihe istdrei Mal wiederholt worden und daraus sind jezehn Bewegungszyklen isoliert. Diese sindzeitnormalisiert und arithmetisch gemittelt. Darausergeben sich 300 Bewegungszyklen pro Technikbeziehungsweise Gelände.

Zur Synchronisation von IMU- und EMG-Daten istein Synchronisations-Event definiert welches einBeinstrecken nach vorne und gleichzeitigesAnheben entspricht. Durch die Rotation des IMUSensors ist das Event durch einen Abfall / Anstiegder Graviation in einer Achse sichtbar. In denEMG-Daten macht sich dies als Peak im m. rectusfemoris sichtbar.

Die Belastung und daraus resultierendeGeschwindigkeit wäherend der Messungen ist sokonstant wie möglich im aerob-anaeroberÜbergangsbereich (Laktat-Steady-State) gehalten.

Messstrecke

Messstrecke in der Ebene ist 60m lang, bergauf50m mit einer gleichmäßigen Steigung von 10%.Jeweils gibt es einen zrika 10m langen Bereichdavor um in die gewünschte Geschwindigkeit zuerreichen. Die Strecken sind beide asphaltiert undverfügen über dieselben Rolleigenschaften.

Proband

Der Proband ist männlich, 24 Jahre alt, gesund undhat jahrelange Erfahrung im Skilanglauf. Eskanndavon ausgegangen werden, dass der Probandalle Techniken sehr gut beherrscht undreproduzierbare Messungen ermöglicht.

4 Ergebnisse

Die Ergebnisse sind in zwei Teile geteilt. Der ersteTeil zeigt eine graphische Übersicht welcherMuskel zu welchem Zeitpunkt während einesBewegungszyklus aktiv ist. Daraus kann die diekinematische Kraftkette abgelesen werden. Imzweiten Teil wird der prozentuale Anteil, derMuskelaktivität während eines Bewegungszyklus,den Bewegungsphasen zugeordent.

Die folgenden graphischen Übersichten sindzeitnormalisiert. Die vertikalen, roten Linienindizieren die Bewegungsphasen. Die blauenBalken zeigen den Zeitraum, während einesBewegungszyklus, in dem der jeweilige Muskelaktiv ist. Ein Muskel zählt dann als aktiv wenn seinEMG-Wert über 50% der maximalen Amplitudeentspricht.

In Abbildung 6 sind die Muskelaktivitäten dersymmetrischen 1:1 Skating-Technik ersichtlich.

Zu erkennen ist, dass die Muskulatur der oberenExtremität und des Oberkörpers in der Mitte derSchwungphase bis zu Beginn der Gleitphase aktivist. Der m. pectoralis major zeigt darüber hinausAktivität zu Beginn und Ende des Zyklus wasdurch das schnelle nach vorne Schwingen derArme zu erklären ist, was in der Technik essentiellist. Die Muskulatur der Beine ist in der Gleitphaseaktiv, da in dieser eine der Kniebeuge ähnlicheBewegungausgeführt wird aus welcher dann derAbstoß ensteht. Der m. tibialis anterior zeigtzusätzlich Aktivität in der Abstoßphase. In derPhase muss der Skiroller durch anziehen der Zehenwaagrecht gehalten werden.

In Abbildung 7 sind die Muskelaktivitäten derasymmetrischen 2:1 Skating-Technik mit rechts alsführende Hand ersichtlich.

Die Oberkörper- und Armmuskulatur zeigt hocheAktivität in der zweiten Hälte der Schwungphaseund am Beginn der Gleitphase. Der m. pectoralismajor zeigt keine Aktivität über demSchwellenwert da die Armbewegung in dieserTechnik deutlich langsamer ist. DieOberschenkelmuskulatur ist ebenfalls in demBereich aktiv, reicht allerdings weiter in dieGleitphase hinein. Die Muskulatur desUnterschenkels ist vom Ende der Abstoßphase bis

Abbildng 6: Muskelaktivitäten in der 1:1 Technik

Abbildung 7: Muskelaktivitäten der 2:1 Technik mit rechterFührungshand

zur ersten Hälfte der Gleitphase aktiv. Dies istdamit zu erklären, dass aufgrund des höherenAnstellwinkels vom Skiroller beziehungsweise Fußeine höhere Stabilisierung erforderlich ist.

In Abbildung 8 sind die Muskelaktivitäten derasymmetrischen 2:1 Skating-Technik mit links alsführende Hand ersichtlich.

Aufgrund der Asymmetrie in dieser Technikkommt es zu sehr unterschiedlichenMuskelaktivitäten obwohl es die selbe sporttlicheTechnik ist. Die Muskulatur der oberen Extremitätund des Oberkörpers zeigt eine deutlich längereAktivität an. Durch die Asymmetrie desOberkörpers und er Arme muss, im Fall einerlinken Führungshand, der rechte Arm einenweitern Weg zurück legen und kann dabei längerKraft auf den Stock aufbringen. Dadurch muss erauch schneller zurück nach vorne gebracht werden,was eine Aktivität des m. pectoralis major währendder Gleitphase zeigt. Zusätzlich zurMuskelaktivität der Beine in der Gleitphase kommtes zu einer Muskelaktiviät in der Abstoßphase.Obwohl sich zu dem Zeitpunkt das Bein in derLuft ist kommt es in dem Fall zu einerMuskelaktivität über dem Schwellenwert da, dassBein duch die Asymmetrie höher gehoben undlänger in der Luft gehalten werden muss.

Die folgenden prozentualen Aufteilungen beziehensich pro Muskel, wo die Gesamtaktivität währendeines Zyklus als 100% angenommen wird.

Tabelle 2 zeigt die prozentualen Anteile derMuskelaktivitäten in der 1:1 Technik. Wie in dergraphischen Übersicht zuvor zeigt der Oberkörperden Großteil der Aktivitäten in der Schwungphaseund die Beinmuskulatur in der Gleitphase.

Muskel AS[%]

SW[%]

GL[%]

TB 0 75 25

PM 14 67 19

LD 0 62 38

VL 0 0 100

RF 0 11 89

VM 0 0 100

BF 0 0 100

TA 29 12 59

GL 0 0 100

GM 0 0 100

Tabelle 2: Prozentuale Aufteilung der Muskelaktivitätenauf die Bewegungsphasen in der 1:1 Technik

Tabelle 3 zeigt die prozentualen Anteile derMuskelaktivitäten in der asymmetrischen 2:1Technik mit rechter Führungshand.

Muskel AS[%]

SW[%]

GL[%]

TB 0 61 39

PM 0 100 0

LD 0 95 5

VL 0 52 48

RF 0 20 80

VM 0 53 47

BF 0 52 48

TA 28 38 34

GL 5 75 20

GM 17 54 29

Tabelle 3: Prozentuale Aufteilung der Muskelaktivitätenauf die Bewegungsphasen in der 2:1 Technik mit rechterFührungshand

Bei fast allen Muskeln befindet sich der größeAnteil der Muskelaktivität in der Schwungphase.

Abbildung 8: Muskelaktivitäten der 2:1 Technik mit linker

Abbildung 8: Muskelaktivitäten der 2:1 Technik mit linkerFührungshand

Ausnahme bildet der m. rectus femoris der denGroßteil seiner Aktivität in der Gleitphase hat.

Tabelle 4 zeigt die prozentualen Anteile derMuskelaktivitäten in der asymmetrischen 2:1Technik mit linker Führungshand.

Muskel AS[%]

SW[%]

GL[%]

TB 23 77 0

PM 13 65 22

LD 0 100 0

VL 43 0 57

RF 75 0 25

VM 40 0 60

BF 48 7 45

TA 8 41 51

GL 70 30 0

GM 67 33 0

Tabelle 4: Prozentuale Aufteilung der Muskelaktivitätenauf die Bewegungsphasen in der 2:1 Technik mit linkerFührungshand

Die Arm- und Oberkörper zeigt neben dem großenAnteil in der Schwungphase auch einen un derAbstoßphase. Wie zuvor erklärt kommt dies duchdie Asymmetrie der Armbewegung zustande. Auchdie Bein Muskulatur zeigt zirka einen halbenAnteil der Muskelaktivität in der Abstoßphase.

5 Diskussion

Die Hypothese, dass durch eine elektronischautomatisierte Bewegungsphasenerkennung undmit EMG-Daten von bewegungsrelevantenMuskeln es möglich ist, eindeutig deren Aktivitätzuzuordnen und daraus eine kinetische Kraft-Ketteabzuleiten kann verifiziert werden. Ebensoverifiziert werden kann die Zuordnung derMuskelaktivitäten zu den einzelenBewegungsphasen.

Allerdings gibt es auch Anmerkungen zu dengewonnen Ergebnissen.

Wie in Abbildung 9 ersichtlich war die Angabe derStandardabweichung der Muskelaktivitäten wenigsinnvoll da diese nicht normalverteilt sind. Es ist

einfach unmöglich eine negative Muskelaktivitätzu erhalten.

Um eine Vergleichbarkeit mit mehreren Probandenbei zukünfigen Untersuchungen zu ermöglichen,war eine MVC-Normalisierung angedacht. Dieseerwies sich allerdings in der Praxis als nichtumsetzbar da im Feld es einfach unmöglich istreproduzierbare MVC-Übungen zu realisieren. InAbbildung 10 ist zu sehen wie groß dieAbweichung der MVC-Messung, anhand des m.rectus femoris, ist. Die zwei linken Messungenwurden vor der eigentlichen Messungdurchgeführt, die beiden rechten danach.

Zu beachten galt es auch die Zeitdifferenzzwischen EMG-Signal und der kinematischenBewegung des Körpers zu definieren. Dabeiwurden Werte aus der Literatur herangezogen.

Abbildung 9: Muskelaktivitätsverlauf mit Standardabweichung des m.gastrocnemius lateralis in der 1:1 Technik

Abbildung 10: Vergleich der MVC-Messungen des m. rectusfemoris

Stallkamp (1999) definierte für seine EMG-Untersuchungen mit Roller-Skates eineZeitdifferenz von 100ms für die Beinmuskulatur.Rapp et al (2008) führte im Rahmen seiner Studieeine Messung zwischen Stockkraft und EMG-Singal durch und ermittelete so den Wert von 90msfür den Oberkörper und die Armmuskulatur (sieheAbbildung 11).

6 Literatur

Schwirtz, A. (2006). DSV LehrplanSkilanglauf,Technik-Methodik-Training. Planegg:Deutscher Skiverband

Bilodeau, B., Boulay, M. R., & Roy, B. (1992).Propulsive and gliding phases in four cross-countryskiing techniques. Medicine and Science in Sports andExercise, S. 917-925.

L. Joakim Holmberg, A. M. Lund. A musculoskeletalfull body simulation of cross country skiing (2008).‐ ‐Proc. IMechE Vol. 222. Sports Engineering andTechnology (222), 1, 11-22.

U. Wenger, F. Wöllzenmüller. Skilanglauf: klassischeTechnik und Skating (1995). sportinform VerlagMünchen.

Smith, G. A. (1992). Biomechanical analysis of cross-country skiing techniques. Medicine and Science inSports and Exercise, S. 1015-1022.

W. Rapp et al. Biomechanics in classical cross-countryskiing-past, present and future (2008). Science andSkiing, S.630-640. Meyer & Meyer Sport Verlag.

Abbildung 11: zeitlicher Vergleich zwischen Stockkraft,Ellbogenbewegung und EMG-Signal des m. latissimusdorsi und dem triceps brachii (Rapp et al., 2008)