Führt die Verwendung einer Gangjustierhilfe zu einer Symmetrisierung von Lastverteilungsmustern beim Gehen?

Schlüsselwörter

Lokomotion - Symmetrie - Druckmesssohle - Walkway

Keywords

locomotion - symmetry - pressure insoles - walkway

Einleitung

Die bipede menschliche Lokomotion hat sich sehr wahrscheinlich vor ca. 3 Millionen Jahren entwickelt [1]. Dabei waren ganz offensichtlich die Vorteile durch die erhöhte Kopfposition und das Freiwerden der Arme stärker als die damit ebenso einhergehende Verringerung der posturalen Stabilität [2], bzw. der ebenfalls erhöhte Aufwand während Lokomotion [3]. Die genannten Nachteile konnten durch weitere evolutionäre Anpassungen wie Verlust der Körperbehaarung, sowie die Entwicklung Schweißdrüsen am Körper und damit die Möglichkeit einer verbesserten Wärmeregulation ausgeglichen werden [4] [5]. Weitere evolutionäre Vorteile der Aufrichtung ergaben sich nicht zuletzt durch die Verringerung der der Sonne direkt ausgesetzten Körperfläche [4] [5]. Diese unvollständige Aufzählung zeigt deutlich, dass die Errungenschaft der Bipedie nicht nur vorteilhaft für die Hominiden war, sondern weitere Anpassungen erforderte.

Jegliche Lokomotion befindet sich immer im Spannungsfeld zwischen Dynamik und Stabilität. Befunde beim Menschen [6] [7] konnten zeigen, dass externe Beeinträchtigungen der Standstabilität bereits beim nächstfolgenden Schritt ausgeglichen werden und danach wieder die ungestörte Situation erreicht wird. Eine eintretende Störung wird also prompt beantwortet und korrigiert. Daraus erwächst die Erkenntnis, dass bei permanent auftretenden Störungen also genauso andauernd Korrekturbedarf besteht, der entsprechend erfüllt werden muss. Entsteht die Störung aus einer orthopädischen oder anderen permanenten Ursache, führt sie also bei jedem Schritt zu einer Kompensationsanforderung der Gegenseite. Damit besteht die Gefahr einer Dekompensation, wenn die funktionellen Reserven der kompensierenden Seite, beispielsweise aufgrund muskulärer Ermüdung zumindest temporär aufgebraucht sind. Dadurch kann sich ebenfalls ein Beschwerdebild entwickeln, welches scheinbar paradoxerweise die Gegenseite der Störquelle betrifft. Da jedes Individuum mehr oder weniger asymmetrisch ist, trifft die beschriebene Problematik der Kompensationsanforderung einer Seite praktisch alle Personen. Unter nicht ermüdeten Bedingungen merken wir im Allgemeinen nichts davon, aber bereits der Blick auf den Absatz bzw. die Sohle der Lieblingsschuhe verrät die Wahrheit: hier sieht man so gut wie immer eine mehr und eine weniger abgenutzte Seite. Dabei ist die kompensierende Seite die stärker abgenutzte Seite, da hier der Störimpuls beantwortet werden muss.

Demnach sind Bemühungen, hier Belastungen zu Symmetrisieren funktionell sinnvoll und sollten zu einer Entlastung des lokomotorischen Gesamtsystems führen. Dies gilt neben Personen mit nachweisbaren Störungen also genauso auch für Personen ohne jegliche Beschwerden. Deswegen war die Zielstellung der hier vorgestellten Untersuchung, herauszufinden, ob durch die Verwendung einer Gangjustierhilfe (GJH, Fobagon) eine Symmetrisierung der Druckverteilung beim Gehen erreicht werden kann. Dabei wurde die GJH jeweils beidseits appliziert. Durch diese unspezifisch anmutende Applikationsvariante sollten mögliche Fehlapplikationen bei einseitiger Verwendung durch Fehlidentifikation der zu versorgenden Seite vermieden und gleichzeitig ermittelt werden, ob diese beidseitige Applikation das Druckmuster in der Lage ist zu symmetrisieren.

Methode

Für diese Untersuchung wurden insgesamt 16 gesunde freiwillige Probanden (7 Frauen) im Alter zwischen 19 und 35 Jahren als Teilpopulation einer umfangreicheren Studie untersucht. Die Studie wurde der zuständigen Ethik-Kommission an der Friedrich-Schiller-Universität Jena zur Genehmigung vorgelegt und erhielt ein positives Votum (Referenznummer: 2020-1653-BO, 2020-1653_1-BO). Damit erfüllt die Studie die ethischen Standards für Untersuchungen am Menschen und ist damit konform mit der aktuellen Version der Deklaration von Helsinki.

Die Probanden gingen in jeweils selbst gewählter langsamer, normaler und schneller Gehgeschwindigkeit auf einem 10-m-Walkway. Als Schuhwerk trugen alle Teilnehmer einen neuen, ungetragenen Arbeitssicherheitsschuh in ihrer Schuhgröße (CONNEXIS Safety+GTX, Haix) welcher einmal ohne und dann mit der GJH in der individuell gewichtsadaptierten Ausführung ausgestattet war ([Abb. 1]). Für die Druckmessung verwendeten wir ebenfalls größenangepasste Drucksohlen (GP MobilData WiFi, GeBioM mbH, Abtastrate: 200/s), die in die Schuhe eingebracht waren. Hierüber wurden Druckmessdaten über jeweils 5–7 verwertbare Schritte (ohne Beschleunigung oder Verlangsamung: jeweils erste und letzte zwei Schritte wurden verworfen) erfasst, deren gemittelte Werte in die Analyse eingingen. Die Analyseparameter pro Körperseite waren der mittlere Druck, der maximale Druck, der Quotient aus Impuls (Fläche unter der Druckkurve) des Mittelfußes und des gesamten Fußes, sowie die Kraftrate (entspricht steilstem Anstieg der Druckkurve).

Abb. 1 Abbildung der Gangjustierhilfe an einem Holzmodell.

Für alle Parameter wurde neben der seitengetrennten Auswertung der Symmetrieindex (SI) als Hauptzielparameter berechnet. Für den SI gibt es mehrere Berechnungsvarianten, die sich nicht grundsätzlich aber im Detail unterscheiden [8]. Generell werden die Seitendifferenzen im Zähler gegen einen Referenzwert im Nenner prozentual ins Verhältnis gesetzt. Dabei wird für die etablierten und für die vorliegende Analyse geeigneten Varianten des SI entweder das Maximum [9], die Differenz zwischen Maximum und Minimum [8], sowie der Mittelwert der beiden Werte als Referenz verwendet [10]. In der hier durchgeführten Analyse haben wir uns für die Verwendung des SI nach Robinson entschieden, da hier durch den Bezug auf den Mittelwert aus beiden Seiten Extremwerte weniger stark ins Gewicht fallen. Weiterhin wurde für die Berechnung die ansonsten fixe Seitenzuordnung, die also zu positiven und negativen Werten führen kann nicht verwendet. Wir haben hier nur die absoluten Abweichungen quantifiziert um scheinbar niedrige Werteniveaus durch das Auslöschen von wechselseitigem linkem und rechtem Überwiegen auszuschließen. Damit kann zwar keine Seitenzuordnung mehr erfolgen, da es aber bei dem untersuchten Kollektiv keine krankheitsbedingte Seitenpräferenz gab, war dies analysetechnisch kein Hindernis. Insofern können Niveauänderungen des berechneten SI direkt mit einer entsprechenden Änderung der Symmetrieverhältnisse in Beziehung gebracht werden. Generell gilt, dass kleine Werte einer geringen Abweichung zwischen den Seiten, also einer symmetrischen Verteilung entsprechen. Der SI nach Robinson kann dabei Werte zwischen 0% und 200% annehmen [10].

Für die statistischen Vergleiche zwischen den Applikationssituationen wurde der Wilcoxon Test für verbundene Stichproben gewählt, da für den geringen Stichprobenumfang keine Normalverteilung der Werte nachgewiesen werden konnte. Die korrespondierende Effektstärke wurde ebenfalls berechnet.

Ergebnisse

Die zeitunabhängigen Parameter mittlerer Druck, maximaler Druck, sowie der Impulsquotient wiesen für die selbst gewählte langsame und normale Gehgeschwindigkeit jeweils niedrigere SI Werte bei Verwendung der GJH auf als ohne. Dies war während normaler Gehgeschwindigkeit für den mittleren Druck und den Impulsquotient statistisch signifikant nachweisbar ([Abb. 2]). Allerdings weisen die ebenfalls berechneten Effektstärken für den mittleren Druck durchgängig und für den maximalen Druck außer dem schnellen Gehen mindestens mittlere Effektstärken auf ([Tab. 1]).

Abb. 2 Darstellung der Symmetrieindices für die pedobarographischen Kennwerte ohne und mit Applikation der Gangjustierhilfe. Die Werte sind als Mediane±Quartilsabstände dargestellt. Statistische Unterschiede (p<0,05) zwischen den Applikationssituationen sind durch Sternchen gekennzeichnet.

Tab. 1 Effektstärken der SI Werte für den Vergleich ohne und mit GJH

Parameter	Langsam	Normal	Schnell
Mittlerer Druck	0,427	0,582	0,401
Maximaler Druck	0,465	0,052	0,013
Impulsquotient	0,271	0,633	0,132
Kraftrate	0,142	0,323	0,132

Beurteilung Effektstärke (ES): ES<0,3: klein, ES 0,3–0,5 mittel, ES>0,5: groß [11] [12]

Anders stellt sich die Situation für die Kraftrate als zeitabhängiger Parameter dar: hier gab es eine generelle Tendenz zu höheren Werten des SI bei Verwendung der GJH. Die berechneten ES wiesen für Gehen mit normaler Gehgeschwindigkeit einen mittleren Effekt auf.

Diskussion

In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss einer in den Schuh eingebrachten Gangjustierhilfe auf das Symmetrieverhalten ausgewählter pedobarographischer Parameter untersucht. Die Arbeitshypothese war, dass es durch die Anwendung der GJH zu einer Symmetrisierung der Druckwerte kommt, die aus funktioneller Sicht erstrebenswert ist. Die Anwendung der GJH erfolgte beidseits, obwohl praktisch immer eine stärker und eine schwächer beanspruchte Seite identifizierbar war. Dies erfolgte, um eine Falschapplikation durch entgegengesetzte Seitenzuordnung auszuschließen. Dies erscheint allerdings zunächst widersprüchlich wenn man der Hypothese folgt, dass es immer eine funktionelle Asymmetrie gibt die es gilt, so effizient wie möglich auszugleichen. Das würde die einseitige Applikation auf der der Kompensation (stärker beanspruchte Seite) gegenüberliegenden Seite nahelegen. Bereits in einer vorangegangenen Studie konnten wir anhand von Oberflächen-EMG Daten der Beinmuskeln Hinweise darauf erhalten, dass auch dort die beidseitige Applikation der GJH keinen Nachteil gegenüber der einseitigen Applikation aufwies [13]. Das kann am ehesten an der Applikation und der sich daraus ableitbaren Wirkungsweise der GJH liegen. Sie wird im medial- ventralen Bereich der Ferse appliziert und ist so konstruiert, dass sie lediglich einen Korrekturimpuls auf den Calcaneus ausübt. Damit wird dieser minimal aufgerichtet und lateral rotiert. Dieses Moment soll zu einer optimierten lokomotionsphysiologischen Orientierung des gesamten Fußes führen und verringert damit den Lokomotionsaufwand. Das konnte in der Studie von Sievers eindeutig anhand von muskulären Aufwandsparametern nachgewiesen werden [13]. Ebenso konnte eine Veränderung der Oberkörperbewegung im Sinne einer verstärkten Aufrichtung nachgewiesen werden [14]. Am ehesten ist also auch auf der der kompensierenden Seite gegenüberliegenden Körperseite dieser Effekt vorhanden. Gleichzeitig sollte die Wirkung auf der gegenüberliegenden Seite stärker ausgeprägt sein, was sich in einer Symmetrisierung assoziierter Parameter zeigen sollte.

Diese Symmetrisierung konnte teilweise signifikant und mehrfach relevant für die ermittelten Druckwerte, sowie die Fläche unter der Druckkurve (Impulsquotient) nachgewiesen werden: bei Applikation der GJH verringerte sich der Wert des SI, es erfolgte also eine Symmetrisierung dieser Werte. Diese Ergebnisse sind insofern bemerkenswert, weil damit neben der bereits nachgewiesenen Aufwandsverringerung durch die Applikation der GJH nunmehr auch eine Angleichung der Druckprofile nachgewiesen werden konnte. In diesem Sinn ist es auch nicht verwunderlich, dass die Kraftrate, also die größte Anstiegssteilheit der Druckwerte bei Applikation der GJH Tendenzen hin zu weniger symmetrischen Werten aufwies: damit gelingt indirekt ein quasi funktioneller Nachweis der differenzierten Wirkungsentfaltung der GJH pro Seite.

Da anhand der vorgestellten Daten ein grundsätzlicher Wirknachweis der GJH in Hinblick auf eine Gangsymmetrisierung vorgenommen werden konnte, sollten weiterführende Untersuchungen an Patienten mit bekannten Symmetrieproblemen während der Lokomotion, beispielsweise an Patienten mit Hüft- oder Knieendoprothese, oder auch an Patienten mit neurologischen Krankheitsbildern durchgeführt werden, um den Wirknachweis auch für dafür zu erbringen. Entsprechende Untersuchungen sind in Vorbereitung.

Auswertungstechnische Überlegungen

Die Anwendung des SI als seitenunabhängiger Parameter bietet gegenüber der seitenbezogenen Verwendung, wie sie standardmäßig verwendet wird gleichzeitig Einschränkungen und Vorteile. Als Einschränkung ist zu erwähnen, dass dadurch keine Seitenzuordnung der Seitendifferenzen vorgenommen werden kann. Da es sich hier aber um beschwerdefreie gesunde Probanden handelte, ist auch keine Seitenpräferenz anzunehmen. Bei der Mittelung von positiven und negativen Differenzwerten besteht immer die Gefahr, dass eine Mittelung scheinverbesserte Ergebnisse erbringt, weil sich die positiven und die negativen Differenzen zumindest teilweise neutralisieren und allein dadurch niedrigere Werte zustande kommen. Dieses Problem besteht bei Verwendung absoluter Differenzen nicht. Damit ist eine Niveauänderung eindeutig einer richtungsgleichen Änderung der Symmetriemaße zuzuordnen. Weiterhin gilt, dass in der Analyse lediglich die Symmetriemaße der jeweiligen Parameter ausgewertet wurden. Aussagen zu deren Niveaus sind damit nicht möglich. Allerdings war dies auch nicht intendiert.

• Literatur

• 1 Lovejoy CO. Evolution of human walking. Sci Am 1988; 259: 118-125
• 2 Johanson DC, Edgar B, Brill D. Lucy und ihre Kinder. Spektrum Akad. Verlag; 1998
• 3 Carrier DR. The Energetic Paradox of Human Running and Hominid Evolution. Curr Anthropol 1984; 25: 483-495
• 4 Wheeler PE. The evolution of bipedality and loss of functional body hair in hominids. Journal of human evolution 1984; 13: 91-98
• 5 Lieberman DE. Human locomotion and heat loss: an evolutionary perspective. Compr Physiol 2015; 5: 99-117
• 6 van Dieën JH, Spanjaard M, Konemann R. et al. Balance control in stepping down expected and unexpected level changes. Journal of biomechanics 2007; 40: 3641-3649
• 7 Muller R, Tschiesche K, Blickhan R. Kinetic and kinematic adjustments during perturbed walking across visible and camouflaged drops in ground level. Journal of biomechanics 2014; 47: 2286-2291
• 8 Queen R, Dickerson L, Ranganathan S. et al. A novel method for measuring asymmetry in kinematic and kinetic variables: The normalized symmetry index. Journal of biomechanics 2020; 99: 109531
• 9 Vagenas G, Hoshizaki B. A Multivariable Analysis of Lower-Extremity Kinematic Asymmetry in Running. Int J Sport Biomech 1992; 8: 11-29
• 10 Robinson RO, Herzog W, Nigg BM. Use of Force Platform Variables to Quantify the Effects of Chiropractic Manipulation on Gait Symmetry. Journal of manipulative and physiological therapeutics 1987; 10: 172-176
• 11 Cohen J. Statistical Power for the Behavioural Sciences. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum; 1988
• 12 Sink CA, Mvududu NH. Statistical power, sampling, and effect sizes three keys to research relevancy. Counseling Outcome Research and Evaluation 2010; 1: 1-18
• 13 Sievers H. Einfluss von Gangjustierhilfen auf die Aktivitätsmuster ausgewählter Beinmuskeln [Dissertation]. Jena: Friedrich-Schiller-Universität; 2024.
• 14 Anders C, Dürrschnabel D. Einfluss einer Gangjustierhilfe auf die Oberkörperbewegung. Physikalische Medizin, Rehabilitationsmedizin, Kurortmedizin 2024;