23.01.2012 •

EINFLUSS VON AUSRÜSTUNGSGEGENSTÄNDEN AUF DIE MUSKULÄRE AKTIVIERUNG, DAS GANGBILD UND DIE KÖRPERHALTUNG VON SOLDATEN*

Influence of Military Equipment on Muscular Activation, Gait and Posture of Soldiers



Aus der Orthopädischen Klinik und Poliklinik¹ der Universität Rostock (Leiter: Prof. Dr. W. Mittelmeier), dem Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie², Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universität Rostock, , Leiter: Prof. Dr. Dipl.-Ing. R. Bader), der Sanitätsstaffel Bad Sülze³ (Staffelchef: Oberstabsarzt Dipl.-Med. C. Sonnenberg) und dem Fachsanitätszentrum Rostock⁴(Leiter: Flottenarzt Dr. S. Andresen)



Christoph Schulze¹·²·³, Katharina Schulz¹·², Sandra Woitge¹·²·⁴ und Tobias Lindner¹·²



* Nach einem Vortrag, für den Oberstabsarzt Dr. Schulze im Rahmen des 42. Kongresses der DGWMP am 14. Oktober 2011 in Erfurt mit dem Heinz-Gerngroß-Förderpreis 2011 ausgezeichnet wurde.

Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss dienstlich gelieferter Ausrüstungsgegenstände auf Soldaten über die Veränderung messbarer Parameter wie Gelenkwinkel, Kräfte, Drücke oder Muskelaktivität mittels biomechanischer Analyseverfahren zu bestimmen.

Die Ergebnisse sollten Aufschluss über Ursachen der Entstehung von Erkrankungen oder Veränderungen am Bewegungsapparat geben, die auch in der truppenärztlichen Sprechstunde auftreten und die Einsatzfähigkeit der Soldaten mindern. Außerdem sollte mögliches Potenzial zur Prävention von negativen Veränderungen und Materialweiterentwicklung aufgezeigt werden.

Methoden:

Die Soldaten durchliefen eine Laufbandanalyse mit verschiedenen dienstlich gelieferten Schuhen und mit steigender Belastung durch Ausrüstungsgegenstände. Für die Untersuchung der muskulären Aktivierung wurde eine dynamische Oberflächenelektromyographie durchgeführt. Gelenkbewegungen wurden mit Hilfe der Videoanalyse und eines eindimensionalen elektromechanischen Goniometers ermittelt. Unabhängig von der Laufbandanalyse wurden die wirkenden Kräfte und Drücke an der Fußsohle mittels Pedobarographie erfasst. Darüber hinaus wurde eine statische Körperachsenmessung durchgeführt.

Ergebnisse:

Dienstlich geliefertes Schuhwerk führt zu muskelspezifischen Veränderungen in der Elektromyographie, die mit der Entstehung von Überlastungssyndromen in Verbindung gebracht werden können. Eine steigende Belastung mit Ausrüstungsgegenständen bewirkt ansteigende Kraft- und Druckmaximalwerte an der Fußsohle, wobei Unterschiede bei der Belastungsverteilung auffällig waren, welche mit Beanspruchungssyndromen der unteren Extremität in Verbindung stehen.

Schlussfolgerungen:

Es konnten Verbindungen zur Entstehung von Überlastungssyndromen durch das Tragen dienstlich gelieferter Ausrüstungsgegenstände hergestellt werden. Eine weitere Materialoptimierung ist notwendig, um das Auftreten dieser Beschwerden zukünftig zu vermindern.

Summary

Background:

The aim of this study was to identify the influence of military equipment on soldiers by measuring changes in detectable parameters of biomechanical analysis, range of motion, pressure, strength and muscle acti - vity. Latter are linked with the genesis of injuries as presented by soldiers in military medical centers reducing operational capabilities. Investigations should also help to identify possibilities for improvement.

Methods:

Soldiers underwent gait analysis on a treadmill wearing several shoes and parts of equipment consecutively in a weight increasing manner. To detect muscular activ - ation we did dynamic surface electromyography. Range of motion of different joints was detected by electric goniometry and video analysis. The vertical power and pressure on the foot sole were detected by podographical analysis without using the treadmill. Body axes were measured by using digital static photographs.

Results:

Footwear provided by the army leads to specific changes in electromyography of the lower extremity resulting in the genesis of stress related injuries. Increasing weight of military equipment leads to increasing values of vertical power and pressure on the foot sole. The values are also dependent on the distribution of the equipment connected with genesis of stress related injuries of the lower extremity, too.

Conclusions:

The genesis of stress related injuries is connected to military equipment and shoes. Further improvements of used materials for military equipment are necessary to decrease such injuries in future. 

Einleitung

Bei Soldaten treten durch die starke körperliche Beanspruchung sowohl während der Ausbildung als auch im täglichen Training und Einsatz häufig funktionelle Beschwerden und traumatische Läsionen des muskuloskeletalen Systems auf [1]. Hierbei sind Frauen etwa doppelt so häufig betroffen wie Männer und im Bereich der unteren Extremitäten ereignen sich die meisten Verletzungen [1]. Im Vergleich zur Normalbevölkerung ist das Risiko für das Auftreten von Verletzungen bei Sportlern etwa viermal höher. Für Soldaten während der Ausbildung ergibt sich ein etwa zehnfach erhöhtes Risiko gegenüber der Normalbevölkerung [1, 2]. Dabei ist die Ursache dieser muskuloskeletalen Beschwerden häufiger in einer Überbeanspruchung durch Laufen und Tragen von großen Gewichten zu sehen, als dass diese durch ein Unfallereignis bedingt sind [1, 3].

Neben allgemeinen Risikofaktoren wie zum Beispiel Rauchen, sportliche Aktivität oder Alter gibt es biomechanische Risikofaktoren für das Auftreten solcher Erkrankungen. Hierzu zählen unter anderem ein hoher Fußrücken, eine eingeschränkte Dorsalextension im oberen Sprunggelenk und ein abgeflachtes Fußgewölbe [4, 5, 6]. Vor allem für die Entstehung von ausbildungs- und übungsbedingten Verletzungen sind biomechanische Veränderungen des Fußes von Bedeutung [7]. Mit Hilfe der Pedobarographie ist es möglich, Störungen der Biomechanik der Fußsohle nachzuweisen, die auf verschiedene Schmerzsyndrome oder Verletzungsmuster der unteren Extremität bis hin zu Schmerzen der Lendenwirbelsäule zurückgeführt werden können [8, 9]. Die Elektromyographie (EMG) zeigt Aktivierungsunterschiede, die als Ursache von Beanspruchungssyndromen der unteren Extremität mit diskutiert werden müssen [10].

Ziel der Untersuchungen war es daher, den Einfluss der Schuhe, des Gewichtes und der Gewichtsverteilung von Ausrüstungsgegenständen auf den Bewegungsapparat von Soldaten zu erfassen. Dabei galt es zu analysieren, inwieweit die Entstehung von Überlastungssyndromen, wie sie in der truppenärztlichen Sprechstunde häufig sind, auf eine Veränderung der untersuchten Parameter zurückzuführen sein könnte.

2. Methoden

2.1 Probanden

An dieser Studie nahmen 37 Soldaten (36:1 = männlich:weiblich) auf freiwilliger Basis teil. Fünf Soldaten nahmen an der Analyse nicht vollständig teil. Bis zum Abbruch gewonnene Daten wurden in der Auswertung berücksichtigt. Der Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Rostock (AZ: A 2009 36) ein positives Votum erteilt. Alle Teilnehmer unterzeichneten die Einverständniserklärung nach entsprechender Aufklärung über den Ablauf der Studie. Durch eine Anamneseerhebung wurden akute Erkrankungen ausgeschlossen und stattgehabte Verletzungen erfasst. Anschließend erfolgte noch eine körperliche Untersuchung, um die Bewegungsumfänge der großen Gelenke sowie körperbauliche Besonderheiten zu registrieren. Die Teilnehmer waren zwischen 20 und 53 Jahre alt (Mittelwert: 29,03 Jahre, Median: 26 Jahre), zwischen 62,5 und 112 kg schwer (Mittelwert: 81,57 kg; Median: 81 kg) und zwischen 163 und 193 cm groß (Mittelwert: 177,84 cm; Median: 179 cm). Die BMI-Werte lagen zwischen 21 und 34 kg/m2 (Mittelwert: 25,86 kg/m2; Median: 26 kg/m2).

Die Soldaten trugen nacheinander die in Tabelle 1 aufgeführten Schuhe. Der zweite Versuchsabschnitt bestand in einer stufenweisen Aufbelastung mit Ausrüstungsgegenständen (Tab 1). Zusätzlich wurden bei neun Soldaten privat beschaffte und beim Tragen als angenehm empfundene Sportschuhe analysiert, die in einer Gruppe zusammengefasst wurden. Die EMG-Analyse erfolgte während des Gehens bei konstanter Geschwindigkeit von 3,2 km/h auf einem Laufband.

2.2 Untersuchungsmethoden

Bei der Ganganalyse wurden verschiedene Untersuchungsmethoden wie EMG, Pedobarographie, Körperachsenvermessung, Videoanalyse und eindimensionale elektromechanische Goniometrie eingesetzt. Dafür benötigte Messinstrumente, Ausstattung und personelle Unterstützung wurde durch das Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie der Universität Rostock zur Verfügung gestellt. Im Folgenden werden die Methoden genauer beschrieben, deren Ergebnisse in der Folge gezeigt und diskutiert werden.

EMG-Messung
Die dynamischen Oberflächen-EMG des M. peroneus longus, M. tibialis anterior, M gastrocnemius medialis und lateralis wurden mit dem Noraxon Telemyo 2400T wireless EMG System (Fa. Noraxon, Scotsdale, Arizona, USA) abgeleitet. Die Elektrodenanlagepunkte wurden vor dem Aufkleben der Einwegelektroden (Fa. Ambu, Blue Sensor P, Bad Nauheim, Deutschland) rasiert und mit Alkohol gereinigt, getrocknet sowie leicht aufgeraut. Die Elektroden wurden jeweils longitudinal und mittig über dem jeweiligen Muskelbauch in einem Elektrodenabstand von circa 45 mm (Mitte- zu-Mitte) platziert. Die EMG-Daten wurden mit einer Messfrequenz von 1 500 Hz aufgenommen. Das Signal wurde über einen Wireless- Transmitter an einen Rechner übermittelt und dort aufgezeichnet. Mit der Software MyoResearch Version 1.08. (Fa. Noraxon, Scotsdale, Arizona, USA), wurden die EMGAufnahmen nach der Aufzeichnung gleichgerichtet, geglättet und amplitudennormiert. Während der EMG-Messungen wurden immer mindestens 5 Doppelschritte erfasst. Nach jeder Belastungssteigerung oder nach jedem Schuhwechsel erfolgte ein Einlaufen für circa zwei Minuten auf dem Laufband.

Pedobarografie
Für die dynamische Pedobarographie absolvierten die Probanden mit einer in jedem Durchgang sukzessiv ansteigenden Last eine 10 m lange Laufstrecke mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Am Ende der Strecke (nach circa 7 m) befand sich eine Druckmessmatte (HR Mat Clinical 6.11TM; Fa. Tekscan, South Boston, M.A. USA). Die restliche Wegstrecke von etwa 2 m diente als Auslaufstrecke, um den frühzeitigen Abbruch der Bewegung und den damit verbundenen Einfluss auf die Fußdruckmessung zu verhindern. Beide Füße wurden in separaten Durchläufen gemessen. Während der statischen Messung stand der Soldat mit beiden Füßen auf der Sensormatte und ihm wurden die Ausrüstungsgegenstände (siehe Tab 1) nacheinander gereicht. Wenn der Proband einen sicheren Stand eingenommen hatte, wurde die Messung gestartet. Die verwendete Druckmessmatte HR-Mat (Breite x Länge x Tiefe: 487 x 447 x 5,7 mm) verfügt über 8 448 resistive Drucksensoren, die über die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt sind (4 Sensoren/cm²). Die Scanfrequenz betrug bei allen Messungen 185 Hz. Die Auswertung erfolgte mit der zugehörigen Software zum HR Mat Clinical 6.11TM System. Die folgenden Parameter können hiermit bestimmt werden: Auflagefläche und mittlerer Auflagedruck der Füße, gesamte vertikal wirkende Kraft unter den Füßen, lokales Maximum der vertikal wirkenden Kraft (FZmax) und lokales Maximum des Auflagedruckes (PGmax).

2.3 Statistische Methoden

Für alle Messwerte wurde die deskriptive Statistik ermittelt (Mittelwert, Standardabweichung, Minimum, Maximum). Die Testung auf Signifikanz wurde mit dem Friedmann-Test und dem Wilcoxon-Test für abhängige Variable durchgeführt. Alle p-Werte resultierten aus zweiseitigen statistischen Tests, wobei Werte von p < 0,05 als signifikant angesehen wurden. Alle Daten wurden mit Hilfe des Statistikprogrammes SPSS Version 15.0 (Fa. SPSS Inc. Chicago, Illinois, USA) gespeichert und analysiert.

3. Ergebnisse

3.1 EMG-Untersuchung der unteren Extremität (dienstlich geliefertes Schuhwerk)

In der Elektromyographie (EMG) erfolgte die Beurteilung der Muskelaktivität anhand der Parameter mittlere Amplitude, Maximum und Integral. Der Barfußgang wurde hierbei als Ideal und Kontrolle herangezogen. Es ließen sich muskelspezifisch schuhtypische Aktivierungsmuster nachweisen. Bei der Untersuchung des M. gastrocnemius lateralis ergab sich bei allen dienstlich gelieferten Schuhen eine Verminderung der Aktivität (p < 0,05; Abb 1). Beim M. tibialis anterior zeigte sich bei allen Schuhen mit Ausnahme des neuen schwarzen Outdoor-Sportschuhes eine Erhöhung der Muskelaktivität (p < 0,05;  Abb 2). Bei der Messung am M. rectus femoris konnte grundsätzlich eine Steigerung der Muskelaktivität beobachtet werden. Insbesondere beim Kampfstiefel (p = 0,002) aber auch beim neuen Outdoor-Sportschuh ließ sich eine Steigerung der Muskelaktivität feststellen (Abb 3). Die Untersuchung des M. peroneus longus brachte keine signifikanten Unterschiede hervor (p > 0,05). Dennoch zeigte sich eine Steigerung der Muskelaktivität beim alten blauen Outdoor-Sportschuh, die von klinischer Bedeutung ist und diskutiert werden muss (Abb 4).

3.2 Statische Pedobarographie (Ausrüstungsgegenstände)

Bei der Auswertung der Pedobarographie wurden die Parameter Auflagefläche, Auflagedruck und vertikal wirkende Kraft sowie deren lokale Spitzenwerte erfasst. Abbildung 5 zeigt die Entwicklung der lokalen Maximalwerte des Auflagedruckes. Mit steigender Gewichtsbelastung stiegen die Werte dieses Parameters an (p < 0,001). Ebenso verhielten sich die lokalen Spitzenwerte der vertikalen Kraftmessung (p < 0,001; Abb 6). Bei beiden fällt auf, dass die Belastung auf dem linken Fuß stärker ist als auf dem rechten. Signifikant wird dieser Unterschied allerdings erst bei höherer Gewichtsbelastung mit dem Rucksack (p = 0,033). Erst bei Verlagerung des Gewichtes durch Veränderung der Trageweise der Waffe von „Vorhalte“ auf „rechts geschultert“ kam es zu einer Art Ausgleich. Man kann erkennen, dass die Belastungsverteilung einen Einfluss auf die Beanspruchung der Fußsohle hat.

4. Diskussion

Bei unseren Untersuchungen konnten wir in allen Versuchsanordnungen belastungs- und schuhspezifische Veränderungen bei den Messwerten feststellen. Diese Veränderungen stehen in Verbindung mit der Entstehung von Überlastungssyndromen, die in der truppenärztlichen Sprechstunde häufig auftreten [1]. Eine Steigerung der Muskelaktivität des M. tibialis anterior wird direkt mit der Entstehung von shin splints (Überlastungssyndrome des ventralen Unterschenkels, wie zum Beispiel Tibialis-anterior-Syndrom, Schienbeinvorderkanten- Syndrom) assoziiert. Eine vermehrte Beanspruchung des M. rectus femoris wird mit der Entstehung funktioneller Knieschmerzen in Verbindung gebracht, insbesondere dann wenn muskuläre Dysbalancen im Oberschenkel zu finden sind [10].

Der hier beobachtete Anstieg beim Kampfstiefel kann eine Erklärung sein, warum vor allem junge untrainierte Soldaten Knieschmerzen entwickeln, obwohl kein Trauma in der Anamnese zu eruieren ist. Die beobachtete Steigerung der Muskelaktivität beim M. peroneus longus beim alten Outdoor-Sportschuh war aufgrund der geringen Probandenzahl (9 Probanden hatten noch diesen Schuh) nicht signifikant. Dennoch kann das Ergebnis als klinisch relevant eingeordnet werden, da eine Steigerung der Muskelaktivität bei diesem Muskel für vermehrte Stabilisierungsarbeit im Bereich des oberen Sprunggelenkes stehen kann. Legt man dies zu Grunde, könnte man postulieren, dass dieser Schuh die Entstehung von Distorsionen begünstigt. Der neue Outdoor-Sportschuh zeigt diese Veränderung nicht so ausgeprägt und kann somit in dieser Hinsicht als Weiterentwicklung gesehen werden.

In der Pedobarographie können sich Gangstörungen widerspiegeln, deren Ursache nicht unbedingt im Fuß liegen muss. Bei der Untersuchung der Ausrüstungsgegenstände zeigte sich eine Abhängigkeit der auswertbaren Parameter sowohl vom Gewicht der Zuladung als auch von deren Verteilung. So kann zum Beispiel durch die Trageweise der 3,63 kg schweren Waffe die Kraft- und Druckverteilung an der Fußsohle beeinflusst werden. Eine ungleichmäßige Belastung, messbar in der Pedobarographie, kann ebenfalls zur Entstehung von Überlastungsschäden beitragen. Parallel hierzu ließ sich bei der hier durchgeführten Belastungssteigerung auch eine ungleichmäßige Aktivierung der Rumpfmuskulatur nachweisen (Daten nicht aufgeführt). Dies zeigt, dass die Auswirkungen der Belastung mit Ausrüstungsgegenständen den gesamten Körper betreffen.

5. Schlussfolgerungen

Die oben genannten Ergebnisse zeigen, dass es noch Potenzial zur Weiterentwicklung und Verbesserung der Ausrüstungsgegenstände gibt. Insbesondere in der Materialforschung können große Reserven liegen. Positive Entwicklungen wie der neue Outdoor- Sportschuh sind bereits verfügbar. In anderen Bereichen wie zum Beispiel auf dem Gebiet der Tragesysteme gibt es noch Verbesserungspotenzial. Hier sollte in der Entwicklung mit Methoden gearbeitet werden, die möglichst viele Bereiche der Gang- und Bewegungsanalyse umfassen. Neben der Gewichtsreduktion durch gezielte Materialforschung kann besonders in der Lastverteilung ein Schlüsselelement in der Weiterentwicklung gesehen werden. Hierbei sollten die Zweckmäßigkeit und der Tragekomfort als wichtige subjektive Parameter aber nicht außer acht gelassen werden, um neben den wissenschaftlichen Methoden der biomechanischen Analyse alle Facetten der Bedürfnisse der Soldaten widerspiegeln zu können.

Literatur:

  1.  Kaufman KR, Brodine S, Shaffer R: Military Training-Related Injuries: Surveillance, Research, and Prevention. Am J Prev Med 2000; 18 (3S): 54-63.
  2. Lindblad BE, Hoy K, Terkelsen CJ, Helleland HE: The socioeconomic consequences of sports injuries in Randers, Denmark. Scand J Med Sci Sports 1991; 1:221– 224.
  3. Taanila H, Suni J, Pihlajamäki H, Mattila VM et al.: Musculoskeletal disorders in physically active conscripts: a one-year follow-up study in the Finnish Defence Forces. BMC Muskuloskelet Disord 2009; 10: 89- 100.
  4. Kaufman KR, Brodine SK, Shaffer RA, Johnson CW, Cullison TR: The relationship of foot structure and range of motion on musculoskeletal overuse injuries. Am J Sports Med 1999; 27:585–593.
  5. Cowan DN, Jones BH, Robinson JR: Foot morphologic characteristics and risk of exercise-related injury. Arch Fam Med 1993; 2: 773–777.
  6. Cowan DN, Jones BH, Frykman PN et al. Lower limb morphology and risk of overuse injury among male infantry trainees. Med Sci Sports Exerc 1996; 28: 945–52.
  7. Willems TM, De Clercq D, Delbaere K, Vanderstraeten G, De Cock A, Witvrouw E: A prospective study of gait related risk factors for exercise-related lower leg pain. Gait Posture 2004; 23: 91-98.
  8. Becker HP, Rosenbaum D, Claes L, Gerngroß H: Measurement of plantar pressure distribution during gait for diagnosis of functional lateral ankle instability. Unfallchirurg 1997; 100: 133-139.
  9. Thijs Y, Van Tiggelen D, Roosen P, De Clercq D, Witvrouw E: A prospective study on gait-related intrinsic risk factors for patellofemoral pain. Clin J Sport Med. 2007; 17(6):437-445.
  10. Ribeiro AC, Grossi DB, Foerster B, Candolo C, Monteiro-Pedro V: Electromyographic and magnetic resonance imaging evaluations of individuals with patellofemoral pain syndrome. Rev Bras Fisioter. 2010 Jun; 14(3):221-8.

Weitere Literatur beim Verfasser verfügbar.

Datum: 23.01.2012

Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2012/1

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