Zur Problematik der biomechanischen Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen

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Armin Kibele 81 Zur Problematik der biomechanischen Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen PROBLEMS INVOLVED WITH BIOMECHANICAL PERFORMANCE EVALUATION OF DROP JUMPS Zusammenfassung Die vorliegende
Armin Kibele 81 Zur Problematik der biomechanischen Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen PROBLEMS INVOLVED WITH BIOMECHANICAL PERFORMANCE EVALUATION OF DROP JUMPS Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit betrifft die Diskussion um tradierte biomechanische Untersuchungsverfahren, die zur Beschreibung von Tief-Hoch-Sprung-Leistungen eingesetzt werden. Dabei wird einmal die Frage aufgegriffen, ob ein einfaches Körpersegmentmodell - hier das Modell von DEMPSTER - geeignet ist, um über die Berechnung von Körperschwerpunktskoordinaten die Sprunghöhe zu bestimmen. Zum anderen wird der Frage nachgegangen, ob sich bei einem Niedersprung von der Höhe der Niedersprungplattform auf den Landeimpuls und damit auf eine Zuordnung der Bodenkontaktphase in einen exzentrischen und einen konzentrischen Teil rückschließen läßt. Beide Fragen wurden in einer empirischen Untersuchung mit 7 Versuchspersonen bearbeitet. Die Ergebnisse zeigen einerseits, daß das DEMPSTER-Modell nur bedingt geeignet ist, um präzise Angaben über die Körperschwerpunktserhöhung bei Tief-Hoch-Sprüngen machen zu können. Andererseits wird durch die vorliegenden Daten deutlich, daß bei Niedersprüngen von hohen Plattformen eine Tendenz der Ausführenden vorliegt, den Körperschwerpunkt vor dem freien Fall abzusenken. Daraus folgt, daß sich der Landeimpuls nicht ohne weiteres aus der Plattformhöhe errechnen läßt. Beim Vergleich von Tief-Hoch-Sprüngen aus unterschiedlichen Höhen, für die unterschiedlich hohe Muskeldehnungsmodalitäten unterstellt werden, ist es daher bedeutsam, daß die Versuchspersonen tatsächlich eine für alle Höhen vergleichbare Niedersprungtechnik ausführen. Summary The presented paper refers to the discussion on traditional biomechanical methods that are used for the performance evaluation in drop jumps. In this respect we were concerned with the question on whether simple body segment models - in our case the DEMPSTER model - are adequate for the evaluation of jumping height by means of the center of gravity coordinates. On the other hand we follow the question whether the landing impulse after a depth jump and thus a partitioning of the contact phase into an eccentric and a concentric portion can be evaluated by the platform height from which the depth jump was started. Both questions were evaluated in a study with 7 subjects. On one hand the results show that the DEMPSTER model is only of limited use for a precise evaluation of the rise in center of the gravity in a drop jump. On the other hand it becomes clear by the presented results, that there is a tendency of the jumpers for depth jumps from large heights to lower the center of gravity before the free fall. It follows, that the landing impulse cannot be evaluated by the platform height in general. Therefore, it is important for the comparison of drop jumps from different heights which are supposed to produce respective modes of muscle stretch that the subjects actually do execute comparable dropping techniques. 82 Armin Kibele 1. Einleitung Tief-Hoch-Sprünge oder - nach dem anglo-amerikanischen Sprachgebrauch - Drop Jumps (DJs) werden in der Sprungkraftdiagnostik zur Beschreibung des reaktiven Kraftverhaltens eingesetzt (WERCHOSHANSKIJ 1972, ASMUSSEN/BONDE- PETERSEN 1974, KOMI/BOSCO 1978, BOSCO et al. 1981, BOSCO et al. 1982, SCHMIDTBLEICHER 1983, GOLLHOFER 1987, BÜHRLE 1989). Dabei wird von einer vorgegebenen Auflagenhöhe - meist einem Absprungkasten - ein Niedersprung mit einem unmittelbar anschließenden Hochsprung absolviert. Durch die Landung nach dem Niedersprung soll eine auf die Streckmuskulatur einwirkende Dehnung ausgelöst und deren Auswirkungen auf das Absprungverhalten ermittelt werden. Die Arbeit der Streckmuskulatur erfolgt daher in einem sogenannten Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus. Unterschiedliche Niedersprunghöhen sollen diesbezüglich unterschiedliche Dehnungsmodalitäten und damit ein unterschiedliches Dehnungs-Verkürzungsverhalten bewirken. Neben relativ aufwendigen kinematischen Auswerteverfahren kommen für die biomechanische Beschreibung einer DJ-Bewegung vornehmlich dynamographische Verfahren mit Meßdruckplatten oder Kontaktmatten zum Einsatz (ASMUSSEN/ BONDE-PETERSEN 1974, KOMI/BOSCO 1978, BOSCO et al. 1983). Hier ist besonders die Sprunghöhenbestimmung nach der Flugzeit (FZV = Flugzeitverfahren) zu nennen, da dieses Verfahren mit relativ wenig Aufwand durchgeführt werden kann. Benötigt wird dafür lediglich ein einfaches Kontaktsignal, im einfachsten Fall von einer Kontaktmatte, um die Flugzeit zu bestimmen. Es wird hierbei allerdings vorausgesetzt, daß der aufsteigende und der absteigende Verlauf des Körperschwerpunkts (KSP) in der Flugphase nach dem Bodenkontakt gleich lange dauern bzw. daß sich die KSP- Höhen zu Beginn und zum Ende der Flugphase entsprechen. Bei bekannter Flugzeit t Flug läßt sich die KSP-Erhöhung in der Flugphase (H FZV = Sprunghöhe) durch die Gleichung H FZV = ½ g (½ t Flug ) 2, g = Gravitationskonstante bestimmen. Dieser einfachen Bestimmung der Sprunghöhe steht jedoch die Ungewißheit gegenüber, ob die Voraussetzungen für eine Anwendung des Flugzeitverfahrens in der Individualdiagnose immer erfüllt sind. Nach FRICK et al. (1991) hält sich der mit dem Flugzeitverfahren verbundene Fehler bei geübten Versuchsleitern in Grenzen. Sie sollten in der Lage sein, zu erkennen, ob zu Beginn und zum Ende der Flugphase unterschiedliche KSP-Lagen vorliegen. Versuche, die dieses Kriterium nicht erfüllen, werden danach nicht auswertet. Die externe Validität des Flugzeitverfahrens wurde von FRICK und Mitarbeitern allerdings durch den Vergleich mit einem Körpersegmentmodell in einer Filmanalyse begründet. Die Berechnung von KSP-Koordinaten aufgrund von Körpersegmentmodellen ist jedoch insbesondere bei komplexen Ganzkörperbewegungen durchaus problematisch (GUBITZ 1978). Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Ausholamplitude bei einem Vertikalsprung mit einleitender Gegenbewegung haben beispielsweise KIBELE/SCHWIRTZ (1996) darauf hingewiesen, daß durch das Körpersegmentmodell von DEMPSTER (DEMPSTER 1955) der KSP bei gebeugtem Rumpf zu tief angesiedelt wird. Weitere dynamographische Verfahren zur Sprunghöhenbestimmung bei DJs, die ohne Rückwirkung auf die Versuchspersonen eingesetzt werden können, sind neben dem Flugzeitverfahren nur wenig bekannt. Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen 83 In vielen Biomechaniklabors wird bei der Diagnose von DJs in enger methodischer Anlehnung an die Arbeiten von ASMUSSEN/BONDE-PETERSEN (1974) und KOMI/ BOSCO (1978) vorgegangen. Danach werden die Niedersprünge von Kästen oder Treppen ausgeführt, die außerhalb der Meßdruckplatte aufgebaut sind. Die Sprunghöhenbestimmung erfolgt über das Flugzeitverfahren. Der Landeimpuls (m v Land ) nach dem Niedersprung ist dabei zunächst nicht bekannt. In den Arbeiten von ASMUSSEN/ BONDE-PETERSEN und KOMI/BOSCO wird implizit angenommen, daß aus der Höhe des Niedersprungkastens h Kast über den Energieerhaltungssatz ½ m v Land 2 = m g h Kast, m = Körpermasse auf den Landeimpuls zurückgerechnet werden kann. Es wurde von diesen Autoren jedoch nicht begründet, ob diese Annahme überhaupt gerechtfertigt ist. Unserer Erfahrung nach ist vielmehr davon auszugehen, daß vor allem für Tiefsprünge aus großen Höhen eine Niedersprungtechnik praktiziert wird, bei der der KSP durch eine Rumpfund/oder Kniebeugung zunächst deutlich absinkt, bevor der freie Fall eintritt. Der KSP weist daher bereits vor Beginn des freien Falls eine Vertikalgeschwindigkeit auf, die zusammen mit dem Geschwindigkeitszuwachs während des freien Falls die Landegeschwindigkeit (v Land ) ergibt. Umgekehrt kann über den Energieerhaltungssatz aus dem Landeimpuls (m v Land ) eine fiktive Fallhöhe rückgerechnet werden, die sich rein theoretisch ergäbe, wenn der KSP ohne Anfangsgeschwindigkeit - also aus einer Ruhestellung - frei fallen würde. Diese fiktive Fallhöhe wird im Folgenden als reale Fallhöhe bezeichnet. Die Abweichung der realen Fallhöhe von der Kastenhöhe stellt dabei ein Maß dafür dar, wie deutlich die von ASMUSSEN/BONDE-PETERSEN sowie KOMI/BOSCO implizit unterstellte Annahme verletzt bzw. eine nicht korrekte Niedersprungtechnik praktiziert wird. Viele Arbeiten in der Literatur, die eine vergleichende Untersuchung von DJs aus unterschiedlichen Niedersprunghöhen zum Gegenstand hatten, sind von dieser Problematik betroffen, da sie keinerlei Angaben zur Kontrolle einer korrekten Niedersprungtechnik machen (z.b. ASMUSSEN/BONDE-PETERSEN 1974, KOMI/ BOSCO 1978, BEDI et al. 1987, LEES/FAHMI 1994). Auf das eben beschriebene Phänomen, daß nämlich die reale Fallhöhe nur in Ausnahmesituationen mit der Kastenhöhe übereinstimmt, wurde bereits in einer Arbeit von BOBBERT et al. (1987) hingewiesen. Für Tiefsprünge aus 20, 40 und 60 cm fanden BOBBERT und Mitarbeiter reale Fallhöhen, die im Mittel (N=6) bei 20, 31 und 49 cm lagen. BOBBERT et al. (1987:340) schreiben hierzu: During the execution of DJ40 and DJ60, the subjects preferred to assume a slightly bent posture before jumping down. It was considered irresponsible to prevent them from doing this. Nimmt man den Hinweis von BOBBERT und Mitarbeitern ernst, so wäre es demnach nicht gerechtfertigt, über die Höhe des Niedersprungkastens auf den Landeimpuls zurückzurechnen und auf diesem Weg die Bodenkontaktphase in einen exzentrischen sowie einen konzentrischen Teil aufzuteilen (ASMUSSEN/BONDE-PETERSEN 1974, KOMI/ BOSCO 1978). Für die Routinediagnose mit dem Flugzeitverfahren wirft dieses Phänomen Probleme auf, da neben der Filmanalyse keine Verfahren bekannt sind, um ein Absenken des KSP vor dem freien Fall zu quantifizieren. Wir werden in dieser Arbeit eine Methode vorstellen, mit der dies mit Abstrichen möglich ist. Die eben beschriebenen Problempunkte sind in der Literatur bislang nur wenig diskutiert. Dies verwundert umsomehr, da damit eine wichtige Grundlage der biomechanischen Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen berührt wird. Durch die 84 Armin Kibele Arbeit von FRICK et al. (1991) wurde zur Klärung dieser Frage ein erster Schritt getan. Unseres Erachtens gehen die dort beschriebenen Erkenntnisse jedoch noch nicht weit genug, zumal die Aussagen dieser Autoren gerade auf einer Validierung durch ein Körpersegmentmodell beruhen. Es war daher unser Anliegen, die Diskussion um tradierte biomechanische Diagnoseverfahren zur Beschreibung von DJ-Leistungen durch diesen Beitrag zu ergänzen. Wir beschränken uns dabei auf die Frage nach der Brauchbarkeit des häufig verwendeten DEMPSTER-Modells bei der Bestimmung der KSP-Erhöhung in der Flugphase sowie auf die Frage nach der realen Fallhöhe für Niedersprünge, die von Kästen mit einer fest vorgegebenen Höhe ausgeführt werden. Der Arbeit liegt eine empirische Untersuchung von DJs aus 16 und 56 cm zugrunde. Die Wahl von zwei unterschiedlichen Niedersprunghöhen war in der Absicht begründet, eine Abhängigkeit der Niedersprungtechnik von der Kastenhöhe nachzuweisen. Meßmethodisch wurde dabei bewußt auf Verfahren zurückgegriffen, die bei DJ- Untersuchungen häufig zum Einsatz kommen. 2. Methode An der emipirischen Untersuchung nahmen 5 männliche (Alter: 21.4±1.1 Jahre, Körpergröße: 180±5.7 cm, Körpermasse: 74.2±5.5 kg) und 2 weibliche Sportstudierende (Alter: 20 und 23 Jahre, Körpergröße: 169 und 159 cm, Körpermasse: 58 und 51 kg) teil. Alle Versuchspersonen waren aus früheren Experimenten mit der Bewegungsausführung bei DJs vertraut. Sie erhielten die Anweisung, bei allen Sprüngen eine möglichst große Sprunghöhe (=KSP-Erhöhung in der Flugphase) anzustreben und während der Bewegungsausführung die Hände in die Hüften zu stützen. Die Niedersprungbewegung wurde aus dem ruhigen Stand auf dem Absprungkasten eingeleitet. Dabei wurde ein Bein zur Landevorbereitung vorgehalten und über den Vorderfuß des anderen - gestreckten Standbeines abgerollt. Die Landung und der anschließende Hochsprung erfolgten auf einer KISTLER-Meßdruckplatte (Typ 9281). Wie bei anderen Untersuchungen (ASMUSSEN/BONDE-PETERSEN 1974, KOMI/ BOSCO 1978, BOSCO et al. 1981, BOSCO et al. 1982, SCHMIDTBLEICHER 1983, GOLLHOFER 1987, BEDI et al. 1987, LEES/FAHMI 1994) wurden die Niedersprünge von Kästen ausgeführt, die außerhalb der Meßdruckplatte aufgebaut waren. Den Versuchspersonen standen für beide Niedersprungbedingungen (DJ16: Kastenhöhe = 16 cm, DJ56: Kastenhöhe = 56 cm) mehrere Probeversuche zur Verfügung. Nachdem die Versuchspersonen mit den Ausführungsbedingungen vertraut waren und dies dem Versuchsleiter signalisierten, wurde der nächstfolgende Versuch dynamographisch und filmanalytisch aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Kinematographie Alle Sprünge wurden mit 200 Bildern pro Sekunde mit einer LOCAM-Highspeedkamera (16 mm) aufgezeichnet. Für jedes Filmbild wurden anschliessend 10 Markierungspunkte digitalisiert und mit Hilfe des Freiburger Informationssystems Biomechanik FRISBI (SCHWEIZER 1987) in einer 2D-Analyse zur Berechnung des Körperschwerpunkts (KSP) herangezogen. Als Markierungspunkte wurden Kleberinge verwendet, die nach der Beschreibung von BARHAM (1978) über dem oberen Sprunggelenk, dem Kniegelenk, dem Hüftgelenk, dem Handgelenk, dem Ellbogengelenk und dem Schultergelenk angebracht waren. Weiterhin wurden Kleberinge angebracht über dem 5. Metatarsophalgelenk, der Spitze des kleinen Fingers und über dem Zentrum des Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen 85 Außenohrs. Für die Berechnung der KSP-Koordinaten wurde das Körpersegmentmodell von DEMPSTER (1955) mit angepaßten relativen Teilgewichten (beschrieben in: MILLER/NELSON 1973) verwendet. Zuvor wurden die Bahnkurven der Körpergelenkpunkte mit einem Butterworth-Filter vierter Ordnung gefiltert. Unter Berücksichtigung der Landedynamik und der damit verbundenen Konsequenzen für die Bahnkurven der Körperpunkte wurde für die untere Extremität eine Grenzfrequenz von 15 Hz und für alle weiteren Körperpunkte eine Grenzfrequenz von 5 Hz verwendet. Wir haben uns diesbezüglich für einen Kompromiß entschieden zwischen der von BOBBERT et al. (1986, 1987) vorgeschlagenen Grenzfrequenz von 16 Hz und einer Grenzfrequenz von 5 Hz, die von HUBLEY/WELLS (1983) verwendet wurde. Für die Synchronisation der Filmbilder mit den Daten der Meßdruckplatte wurde eine Schwellwertschaltung für das Kraftsignal eingesetzt (Schwellwert = 5N), die mit einer Lichtquelle im Filmbild verbunden war. In Vorversuchen zeigte sich, daß für den Beginn und das Ende der Flugphase innerhalb einer Millisekunde Kraftänderungen von etwa 10 bis 15 N vorliegen. Die Zeitfehler durch die Schwellwertschaltung liegen daher unterhalb von 1 ms. Durch das Lichtsignal der Schwellwertschaltung wurde für die Absprungphase das letzte Bild mit Lichtquelle und das erste Bild ohne Lichtquelle bestimmt und die über beide Bilder gemittelte KSP-Höhe in die weiteren Auswertungen einbezogen. Für die Landephase nach dem Sprung war dies das letzte Bild ohne Lichtquelle und das erste Bild mit Lichtquelle. Für die Körperwinkel wurde analog verfahren. Der durch die Einzugsfrequenz bedingte absolute Fehler für die Bestimmung der Ortskoordinaten sowie der Körperwinkel wird damit halbiert. Weiterhin wurde die höchste KSP-Lage in der Flugphase bestimmt und die Differenz zur eben beschriebenen mittleren KSP-Höhe beim Abflug festgestellt. Diese Differenz wurde als filmanalytisch bestimmte Sprunghöhe (H FAV ) definiert. Dynamographie Der Meßbereich der KISTLER-Meßdruckplatte lag bei 1000 N/V für 10 V Full-Scale- Output. Das Analogsignal der zugehörigen Elektronik wurde von einem AD-Wandler (DT DATA Translation, USA) bei einer Frequenz von 1000 Hz mit einer Auflösung von 12 bit aufgezeichnet und an ein Sprungkraftdiagnose-Programm weitergegeben. In diesem Programm werden zunächst automatisch durch mehrfach gestufte logische Abfragen an das Kraftsignal der Beginn der Kontaktphase, der Beginn der Flugphase und das Ende der Flugphase ermittelt. Nach einer optischen Kontrolle der gewählten Eckzeitpunkte durch den Versuchsleiter werden Kennwerte der Sprungausführung berechnet. Durch die computergestützte Bestimmung der Eckzeitpunkte für die Bodenkontaktphase läßt sich für die Flugzeit t Flug eine Genauigkeit von etwa 3 bis maximal 4 ms erreichen. Dies entspricht bei Sprunghöhen von beispielsweise 20 bis 40 cm einem relativen Fehler von etwa 1 bis 2 Prozent. Bestimmung der realen Fallhöhe Die Bestimmung der Geschwindigkeits- und Weg-Zeit-Verläufe läßt sich unter den beschriebenen dynamographischen Untersuchungsbedingungen für DJs näherungsweise durchführen, wenn man die Sprunghöhe H FZV aus dem Flugzeitverfahren als 86 Armin Kibele annähernd korrekt annimmt. Aus dieser Sprunghöhe rechnet man über den Energieerhaltungssatz auf den zugehörigen Absprungimpuls (m v Absp ) und die zugehörige Abfluggeschwindigkeit (v Absp ) zurück. Ausgehend von der Abfluggeschwindigkeit wird durch numerische Integration der um den Gewichtsanteil reduzierten Kraftkurve von rückwärts der Geschwindigkeitsverlauf sowie durch doppelte Integration der Wegverlauf des KSPs bestimmt. Der Umkehrpunkt der Bewegung ergibt sich durch den Zeitpunkt, an dem das Integral unter der Kraftkurve - abzüglich des Körpergewichtsanteils - dem eben genannten Absprungimpuls (m v Absp ) entspricht (Abb. 1). Durch weitere Integration bis zum ersten Bodenkontakt werden der Landeimpuls sowie die Landegeschwindigkeit bestimmt und über den Energieerhaltungssatz die reale Fallhöhe abgeschätzt. Von dem Zeitpunkt an, an dem die Kraftkurve in der Bodenkontaktphase die Gewichtslinie schneidet, bis zum Umkehrpunkt wird der KSP abgebremst. Die KSP-Verschiebung in diesem Zeitraum wird von uns als Bremsweg bezeichnet (Abb. 1). Für alle Integrationsschritte wurde von uns das Trapez-Verfahren eingesetzt. Diesbezüglich spielt es angesichts der hohen Anzahl von Stützstellen bei einer Einzugsfrequenz von 1000 Hz keine Rolle, ob anstatt des Trapez-Verfahrens für die Berechnung der realen Fallhöhe ein anderes Integrationsverfahren wie etwa das Simpson-Verfahren zum Einsatz kommt. Für den inferenzstatistischen Vergleich zwischen den einzelnen Verfahren zur Sprunghöhenbestimmung sowie zwischen KSP-Höhen und Körperwinkeln im Abflugund Landezeitpunkt wurden zweiseitige T-Tests für gepaarte Stichproben eingesetzt. Das Signifikanzniveau war dabei auf 5 Prozent festgelegt. Leistungsdiagnostik von Tief-Hoch-Sprüngen 87 88 Armin Kibele 3. Ergebnisse Im Vergleich der Bestimmungsverfahren für die KSP-Erhöhung in der Flugphase liefert das Flugzeitverfahren (FZV) im Vergleich zum Filmanalyseverfahren (FAV) für DJ16 durchwegs geringere oder gleiche Werte (Tab. 1). Tab. 1: Individuelle Werte, Mittelwerte (MW) und Standardabweichungen (SD) für die realen Fallhöhen (rfh) für DJ16 und DJ56 sowie für die Sprunghöhen (H FAV, H FZV ), berechnet nach dem Filmanalyseverfahren (FAV) und nach dem Flugzeitverfahren (FZV) Die Differenzen sind signifikant von Null verschieden (p 0.02) und liegen im Gruppenmittel bei 1.2±1.0 cm. Für drei Vpn (S1, S3, S5) waren dabei nur geringe Unterschiede festzustellen ( 0.5 cm), während die Differenzwerte für die vier anderen Versuchspersonen zwischen 1.8 und 2.2 cm liegen. Für DJ56 lag der Gruppenmittelwert für H FZV unsignifikant höher (p 0.5) als für H FAV. Abgesehen von Vp S1 liegen hier jedoch alle individuellen Differenzen unter ±1.0 cm. Der Kennwert H FAV wurde im filmanalytischen Bestimmungsverfahren festgelegt durch die Differenz zwischen dem Mittelwert der KSP-Höhen in dem letzten Filmbild mit und dem folgenden Filmbild ohne Bodenkontakt beim Abflug sowie der KSP-Höhe im Scheitel der Flugparabel. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß in der Absprungphase zwischen den eben genannten Filmbildern sowohl für DJ16 als auch für DJ56 eine KSP-Erhöhung von 1.4±0.2 cm vorlag. Für die Landung nach dem Sprung lagen die Absolutbeträge der diesbezüglichen Differenzen in einer vergleichbaren Größenordnung (DJ16: -1.4±0.2 cm, DJ56: -1.3±0.2 cm). Für die Bewertung des Flugzeitverfahrens war nun wichtig, ob die KSP-Höhen zu Beginn der Flugphase und zum End
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