Veröffentlichungen: zu Gleichgewichtsleistung im Rahmen der HIS-Aktivitäten

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1 Forschungsprojekte der Hamburger Inline-Skating Schule (HIS e.v.) am Fachbereich Bewegungswissenschaft der Universität Hamburg: Prof. Dr. Volker Lippens Volker Nagel Entwicklung und Evaluation eines Überprüfungsverfahrens für raum-zeitliche Koordinations-Leistungen Zur Meßproblematik einer dynamischen Gleichgewichts-Leistung in Kooperation mit Dr.-Ing. J. Wagner (Technische Universität Hamburg-Harburg, AB Mechanik und Meerestechnik) und Prof. Dr. M. M. Morlock, Dip.-Ing. M. Vollmer (Technische Universität Hamburg-Harburg, AB Biomechanik) Projekt "Fit ab 50" (Skilanglauf) der Hamburger Inline-Skating Schule (HIS) am Fachbereich Sportwissenschaft der Universität Hamburg Zur Rehabilitation und Umknickprophylaxe des Sprunggelenks an der Universität Oldenburg Supra-posturale Aufgaben und Gleichgewichts-Leistung in Kooperation mit Prof. Dr.-Ing J. Wagner (Universität Stuttgart, Inst. für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtsysteme) Stand: November 2006

2 Veröffentlichungen: zu Gleichgewichtsleistung im Rahmen der HIS-Aktivitäten LIPPENS; V.; NAGEL, V., et al. (2006): An emerging area of elderly-research: Functional integration of action instead of central competition of resources? In: Mechling, H.; Bracht, M.; Eichberg, S.; Preuss, P. (Hg.): Xth International Conference Physical Activity and Successful Aging. Book of Abstracts. Köln, (2006): Smart balance performance facilitates suprapostural activity. In: Mechling, H.; Bracht, M.; Eichberg, S.; Preuss, P. (Hg.): Xth International Conference Physical Activity and Successful Aging. Book of Abstracts. Köln, (2006): Was heißt balancierbar? Gleichgewichts-Leistungen im Handlungsbezug! Vortrag auf der gemeinsamen Tagung der dvs-sektionen Trainingswissenschaft, Motorik und Biomechanik in Bad Sassendorf (2006): Wenn schon, denn schon! Zentrale Ressourcen oder funktionale Integration von supra-posturalen Aufgaben beim Balancieren? In: Kibele, A. (Hg.): Unbewusste Handlungssteuerung im Sport. Schorndorf: Hofmann, (2006): Zur Messproblematik der Koordinations-Leistung bei älteren Senioren. In: Witte, K., Edelmann-Nusser, J.; Sabo, A.; Moritz, E.F. (Hg.): Sporttechnologie zwischen Theorie und Praxis IV, Aachen: Shaker, (2005): Reading Can Facilitate Balancing on the Gyro. In: Benguigui, N.; Fontayne, P.; Desbordes, M.; Bardy. B. (Eds.) : Recherches Actuelles en Science du Sport. Actes du 11 th Congrès International de l ACAPS.Monts:EDP Sciences, (2005): In for a Penny, in for a Pound! Do we use central resources or a functional integration while balancing? In: European Workshop of Movement Science EWOMS Mechanics, Physiology, Psychology. Book of Abstracts. June Köln: Strauß, (2004): Steigert Skilanglauf das Selbstvertrauen von Seniorensportler/innen? Selbst- und Fremdwahrnehmungen. In: Stoll, O.; Lau, A. (Hg.): Abstractband zur 36. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Sportpsychologie. Belastung und Beanspruchung. Halle, (2003): Zur Verbesserung der Gleichgewichts-Leistung (auf dem Turnkreisel). In: Krug, J.; Müller, T. (Hg.): Messplätze Messplatztraining Motorisches Lernen. Sport und Wissenschaft, Beihefte zu den Leipziger Sportwissenschaftlichen Beiträgen, Band 9, (2003): An Instrument Quantifying Human Balance Skills: Attitude Reference System for an Ankle Exercise Board. In: International Journal of Computer Science in Sport, Special Edition 1, (2001): Ausbalanciertes Bewegen statt Still-Stand! In: Seiler, R. et al. (Hg.): Sportpsychologie Anforderungen Anwendungen Auswirkungen. Köln 2001, Literaturverzeichnis 47 Drucknachweise 51 1

3 EGREPA Xth INTERNATIONAL CONFERENCE "Physical Activity and Successful Aging" , Cologne, Germany An Emerging Area of Elderly-Research: Functional Integration of Action instead of Central Competition of Resources? Volker Lippens, Dep. of Sportscience, University of Oldenburg, Germany; Volker Nagel, Dep. of Sportscience, University of Hamburg, Germany. Redemanuskript Our research is settled in cooperation with the HIS - Hamburger Inline-Skating Schule. We try to evaluate the efficacy of the courses, not only inline-skating, but also cross-country skiing, coordination and mobilisation, especially for older participants. So the objective here is how to measure exactly postural control. 1. Objective: Motor performance always becomes integrated in the specific aims of human actions (Newell, 1996; c.f., Nitsch, 1985). Human performance is finite, and performance abilities are known to decline with age. Krampe et al. (2003, p. 212) postulated older adults must invest increasing amounts of their cognitive resources into the co-ordination of bodily functions such as balance and gait. Nevertheless, this older collogue - Der Bücherwurm painted by Spitzweg does smartly control his posture while searching for a text in his library. But what is his problem: Are there to many tasks at the same time? So the allocation of his resources has to be managed! Or is this guy just reading and postural control runs functional integrated? 2

4 In contrast to the concept of resources (e.g., Kahneman, 1973; Lindenberger et al., 2000; Krampe et al. 2004; Guardiera et al., 2002), postural control and suprapostural activity e.g. reading - may not compete for central processing resources (e.g., Woollacott/Shumway-Cook 2002). The difference between the paradigm of dual-task and of suprapostural-postural task has to be seen (cf., Mitra 2004)! Rather, postural control may be modulated to facilitate the performance of supra-postural tasks (visual: Stoffregen et al., 1999, 2000; tactile: Holden et al., 1987, Riley et al., 1999; precise: Balasubramaniam et al., 2000; cf., Oullier et al., 2004, 176f). In our experiments we will show that postural control does not decrease while special supra-postural activities are worked out. So the concept of functional integration should be considered when examining motor control. For example: Krampe - a former co-worker of Baltes - postulated: Older adults must invest increasing amounts of their cognitive resources into the co-ordination of bodily functions such as balance or gait. Lindenberger et a., 2000: Stop talking, while walking! cf., Lundin-Olsson et al., 1997 In great respect for their model of selection, optimization, and compensation (SOC), originally articulated by Paul and Margret Baltes (1990) one question remains: Why should you not be able to think while balancing? Research Report : Stop thinking, while balancing? Doubts on a quiet-stance paradigm are reasonable while the controlled experimental subjects should sway as little as possible during the measurement (cf. 3

5 Fearing, 1925; Ehrenfried et al. 2003). In our opinion, postural control is not autonomous but part of a specific action-perception system (cf., Mitra, 2004, 28f.). Our aim was to investigate possible facilitative influences of supra-postural tasks (Riccio & Stoffregen, 1988) when standing on a balance disc. Moving Room: Standing Still? e.g., Bertenthal & Bai, 1989; cf., Ehrenfried et al., 2003 (SMD): Testing the ground! 2. Methods: Elderly participants (N= 8; mean age: 58.9 years) took part in a course of coordination practice of the Hamburger-Inline-Skating School (HIS e.v.). We evaluated the effect of body sway or postural control on a balance disc by calculating the quotient of the time the subject stood on the balance disc and the deviation (RMS) of the angular position of the gyro [t bal., netto /RMS (ωx, ωy, ωz) ]. ρ M d C ξ φ A g ζ η input u reality filter vehicle kinematics motion state x aiding system measurements y ψ z x y ζ P η φ roll θ pitch ψ yaw ξ model of kinematics estimation model of estimation ^ aiding - x y^ control + Wagner et al., 2001, 2002, 2003: Kinematic model of balance disc, Sensor assembly, Integration schema: Kalman filter 4

6 RB 2: t Bal./RMS xyz: Search: near (t 1= 7.39) - far (t 2= 3.78) angle [ ] 0-5 familiariz. searchign task: near target target switch searching task: far target time [s] The task setting was similar to that used by Stoffregen et al. (1999, 2000). Subjects were asked to focus on two different targets while balancing on an ankle-exercise board (gyroscope; cf., Wagner et al., 2003). In Inspection trials the goal was to look at the targets (which were blank). In Search trials subject were asked to count certain letters in a text. Targets were either near (small sheets of paper) or far (posters). Each trial took 45 seconds. Sequences of targets and tasks were randomised. The procedure was repeated five times (one baseline: without task; four treatments: supra-postural task Inspection vs. Search). Trial 1: baseline without task Trial 2: e.g.* search task (near-far) Trial 3: e.g.* inspection task (near-far) Trial 4: e.g.* search task (far-near) Trial 5: e.g.* inspection task (far-near) The subjects were given a 5-second period to get used to the balance disc, then they did either the Inspection, or the Search task for 15 seconds (t1) before the target switches from near to far (paper to poster) or the other way round. Another 10 sec period for rearrangement was given, before the next task started (t2). Balance performance was measured in two intervals t1 (5-20 sec) and t2 (30-45 sec). We evaluated body sway by calculating the quotient of the time the subject stood on the gyroscope (t bal., net [s]) and the deviation of the angular position of the balance disc (RMS phi, theta, psi. [ ]) 3. Results: The dependent variable was performance of balance (t Bal., n. /RMS phi, theat, psi ). An ANOVA (2x2) revealed significant main effects of target distance (F(1,14)= 14.66; p<.002) and of task (F(3,42)= 3.17; p<.034). There were no effects of task sequence or of trials (learning). Neither the supra-postural tasks, nor the different targets decreased the balance performance of the elderly adults on the balance board compared with the baseline measuring without any tasks! The Search task was associated with reduced sway, relative to the Inspection task. Subjects tend to sway less when they fixated the near target or searched for letters. 5

7 8 MANOVA distance: F(1,14)=14.655; p<.002 task: F(3,42)=3.168; p< t Bal. /RMS xyz near far TRIALS search t1 TRIALS inspection t1 TRIALS search t2 TRIALS inspection t2 DISTANCE 4. Conclusions: Smart balance performance emerged during the current, task-specific demand without apparent strain of central resources. There is no competition for central processing resources. Rather, postural control may be modulated to facilitate the performance of supra-postural tasks. Postural stabilization of looking (Stoffregen et al., 1999)... of touching (Riley e al., 1999)... to facilitate visual performance (Stoffregen et al., 2000; Lippens, 2005)... of precision task (Balasubramaniam et al., 2000) The reduction in sway during the Search task may have facilitated the demanding shifts of gaze required. We found the same effect in a study of one-leg-stance on the normal ground with elderly adults by using a motion analysis system (Lippens, Nagel, Schröder, 2006: one-leg stance sway of head and hip (SD) main effect of task). These results are in accordance with previous studies of supra-postural tasks (e.g., Stoffregen et al., 1999, 2000) and of balance performance of elderly (Lippens/Nagel, 2004: bi-pedal stance on the balance disc ; Stoffregen et al., 2006: CoP RMS, CoP mean speed main effect of task). We suppose - in accordance with van Wegen & van Emmerik (2002, 81): Postural Control might not be a distinct goal and ( ) the focus should be on the role of tasks that constrain the postural system - e.g.: breathing, reaching, grasping, reading, intentional head movements, etc. (cf., Riley et al., 1999), that you cannot examine postural control without reflecting the specific aims of action. Posture is not an end in itself (Stoffregen, 1996) neither in general, nor in the Elderly! So supra-postural tasks should be an emerging area in general and particularly in the elderly research! May be that the functional-integration could be a predictor or indicator of successful aging - as Spitzweg has known already !? 6

8 EGREPA Xth INTERNATIONAL CONFERENCE "Physical Activity and Successful Aging" , Cologne, Germany Smart balance performance facilitates supra-postural activity V. Lippens, University of Oldenburg, V. Nagel, University of Hamburg, J. Schröder, University of Hamburg Objective: Dexterous postural control is neither the goal of conscious actions nor the result of unknown behavior. It might be conceptualized in terms of affordance exploitation (Stoffregen, 2004). The type of control that is optimal depends upon specific constraints of the person, task and environment (Newell, 1996; cf., Nitsch, 1982). Human postural control is not an end in itself. It is integrated within a functional context of various supra-postural goals (cf., Riccio, Stoffregen, 1988). In our opinion, postural control is not autonomous but is part of a broader actionperception system (cf., Mitra, 2004, 28f.; Bootsma, 1998, 58: information-movement coupling!!). We report an experiment in which we examined the influence of suprapostural tasks on postural control in elderly adults. Methods: Elderly adults (N=62; age > 60) took part in a study of different interventions to improve their general motor performance. They underwent two trials in the pre- and post-measurement. We used a motion analysis system with opticelectronic markers (AS 200 LUKOtronic) to record the three-dimensional sway of head and hip (Lippens, Nagel, 2006). In the first trial the participants were asked to maintain a one-leg stance on normal ground as a baseline. In the second trial they executed an additional, supra-postural task, searching for and counting symbols within a block of text on a poster (distance: 60 cm). The duration of each trial was 45 seconds. The sway of hip and head was measured by the motion analysis system (100 Hz). We evaluated body sway by calculating the deviation of position of body segments (SDx, y, z [mm]). Results: A MANOVA (3x2) revealed a significant main effect of task (F(1,61): 7.421; p<.008). There were also effects of body segment (head vs. hip) (F(1,61): ; p<.000) and of sway direction (x, y, z) (F(2,122): ; p<.000) as well. Sway in y- direction of the head (12.56 vs [mm]) and the hip (3.93 vs [mm]) was generally smaller during the search task than in the baseline condition. Conclusions: Smart balance performance refers to the concept of functional integration (cf., Oullier et al., 2004). In searching for target letters, sway in the med.- lat. direction may have decreased to support the supra-postural task (cf., Smart et al., 2004). These results are in accordance with previous studies of supra-postural tasks (e.g., visual oriented: Stoffregen et al., 1999, 2000; tactile oriented: e.g., Holden et al., 1987, Riley et al., 1999; precise oriented: Balasubramaniam et al., 2000) and of balance performance in the elderly (Lippens, Nagel, 2004; Stoffregen et al., 2006). In our study, reduced body sway appears to have afforded more optimal visual search: Dexterous balancing was functional integrated to facilitate supra-postural task while standing. 7

9 Gemeinsame Tagung der dvs-sektionen Trainingswissenschaft, Motorik und Biomechanik in Bad Sassendorf 2006 Was heißt balancierbar? Gleichgewichts-Leistungen im Handlungsbezug! Volker Lippens 1, Volker Nagel 2, Imke Ruge 1, Dirk Wolf 1,3 1 Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 2 Universität Hamburg, 3 Grundschule Haarentor, Einleitung Geschickte Gleichgewichts-Leistungen sind weder das Ziel bewusster Handlungen noch das Ergebnis ungewussten Verhaltens. Sie lassen sich angemessener als Affordanz-Extraktion konzeptionieren und unterliegen im jeweiligen Koordinations- Modus den spezifischen Zwängen von Person-, Aufgaben- und Umgebungs- Bedingungen. Methoden In einer Reihe aufeinander bezogener Studien untersuchen wir, ob supra-posturale Aufgaben (Fixieren vs. Suchen; Rechnen vs. Suchen) auf dem Messkreisel (Wagner et al. 2003) in unterschiedlichen Altersgruppen die Koordinations-Leistung beeinflussen. Nach dem Konzept der zentralen Ressourcen müssten insbesondere bei älteren Erwachsenen und jüngere Kinder die Ressourcen aus ihrem Intelligenzkonto auf die motorischen und kognitiven Aufgaben verteilt werden. Ergebnisse Wir konnten diese Ergebnisse weder in einer Studie auf dem Messkreisel mit Senioren (Durchschnittsalter: 58,9 Jahre), die seit einiger Zeit an einem Koordinations-Training im Rahmen der Hamburger Inline-Skating Schule teilnehmen, noch in einer Reihe von Untersuchungen Oldenburger Schulkinder (Lippens 2005), die die 1. bzw. 2. und 4. Klasse besuchten, replizieren. Weder die Zusatzaufgaben (fixieren vs. suchen; rechnen vs. suchen) noch die unterschiedlichen Entfernungen (nah vs. fern) verschlechtern die Gleichgewichts-Leistungen im Vergleich zur Eingangsmessung ohne Aufgaben! Eine ANOVA (Klasse: 1. vs. 4.; Aufgabe: Rechnen vs. Suchen; Reihenfolge: Rechnen/Suchen vs. Suchen/Rechnen) zeigt u.a. einen Haupteffekt für die Aufgabe (F(1,35)=23,63; p<0,000). Die Probanden stehen ruhiger, um leichter ein nahes Ziel fixieren bzw. im nahen Text Buchstaben suchen zu können (Scheffé-Test). Die kognitiven Aufgaben unterscheiden sich nicht wesentlich (Fehler rel. : Suchen= 2.96 vs. 3.12; Rechnen (nur 4.Klasse!): 0,68 vs. 1,08). Diskussion Die menschliche Gleichgewichts-Leistung wird so nie nur für sich erbracht, sondern ist immer auch in den funktionalen Zusammenhang der jeweiligen übergeordneten Ziele eingebunden. Im Unterschied zum Ressourcen-Konzept (Woollacott; Shumway-Cook 2002) beeinflussen Zusatzaufgaben in dieser Sichtweise die Gleichgewichts-Leistung nicht zwangsläufig negativ, sondern können diese sogar positiv anregen (visuell: Stoffregen et al. 1999, 2000; taktil: Riley et al. 1999; präzise: Balasubramaniam et al. 2000; vgl. a. Mitra 2004). So lassen sich zu Recht, Bedenken an einem quiet-stance -Paradigma vorbringen, in dem die untersuchten Versuchspersonen während der Messung möglichst wenig schwanken sollen. Wir 8

10 gehen davon aus, dass die posturale Kontrolle nicht autonom, sondern als Teil eines spezifischen Bewegungs-Wahrnehmungs-Systems integriert funktioniert. 9

11 In: Kibele, A. (Hg.): Unbewusste Handlungssteuerung im Sport. Schorndorf: Hofmann, Wenn schon, denn schon! Zentrale Ressourcen oder funktionale Integration von supra-posturalen Aufgaben beim Balancieren? Volker Lippens, Universität Oldenburg & Jan Schröder, Universität Hamburg Geschickte Gleichgewichts-Leistungen als Beispiel für die Bewegungskontrolle sind weder das Ziel bewusster Handlungen noch das Ergebnis unbewussten Verhaltens. Sie lassen sich angemessener als Affordanz-Extraktion konzeptionieren (Riccio & Stoffregen, 1988) und unterliegen im jeweiligen Koordinations-Modus den spezifischen Zwängen von Person-, Aufgaben- und Umgebungs-Bedingungen (Nitsch, 1982, 1985; Newell, 1996). Groeben und Scheele haben 1993 in ihrem "strukturierenden Entwurf eines Schemas von Bewußtseinsstufen" (S. 141) die zu grobe Unterscheidung von Handeln und Verhalten als Gegenstandseinheiten auch im Sport kritisiert und eine notwendige Zwischen- und Übergangskategorie des Tun ausdifferenziert. Wir verstehen in der Folge das Wissen über das eigene Tun bei der Gleichgewichts-Leistung "als Kombination von 'Aufsteigen' und 'Absteigen' in den Bewußtseinsstufen" (S. 148). Das ausdifferenzierende Aufsteigende ( vor-bewusst ) und das integrierende Absteigen ( nach-bewusst ) findet im Gemenge von praktischen Üben und Trainieren und theoretisierenden "Nach-Denken" und "Nach- Fühlen" (Nagel & Wulkop, 1992, 61) statt. Im Zusammenhang der Gleichgewichts- Leistung ist insbesondere der Übergang vom Verhalten zum Handeln bedeutsam, da dort zwischen "Nicht-Wissen" ("ungewusst") und "Wissen" ("Innesein", "Gewahrsein", "Bewusstheit") unterschieden wird (Groeben & Scheele, 1993, 145; vgl.a. Lippens, 2002). In (re-)konstruierten Subjektiven Theorien kann dieser Übergang anhand quasi-automatisierter oder routinisierter Bewegungen nachvollzogen werden, wenn aus den unterschiedlichen Perspektiven der Eigen- und Fremdsicht das Phänomen einer stimmigen Bewegungsausführung ("Wenn Alles stimmt!") thematisiert wird (Lippens, 1993b). Innerhalb der Bewusstseinsstufen von Groeben und Scheele (1993, 144f) wären damit die nächsten Stufen der Metakognitionen (Reflexion, Meta- Reflexion) erreicht, sobald die Sportler ihre bewegungsrelevanten Gefühle und Gedanken anhand ihrer Subjektiven Theorien auf den Begriff gebracht haben (Lippens 1993a). 1. Einleitung Die menschliche Gleichgewichts-Leistung wird so nie nur für sich erbracht, sondern ist immer in den funktionalen Zusammenhang der jeweiligen übergeordneten Ziele und Handlungen eingebunden (Riccio & Stoffregen, 1988). Im Unterschied zum Ressourcen-Konzept (Woollacott & Shumway-Cook, 2002; vgl. Mitra & Frazier, 2004, 17)1 beeinflussen supra-posturale Zusatzaufgaben in dieser Sichtweise die Gleichgewichts-Leistung nicht zwangsläufig negativ, sondern können diese funktional 1 Bemerkenswert ist, dass Woollacott und Shumway-Cook in ihrem Review-Artikel nicht auf die Arbeiten von Stoffregen et al. (1999; 2000) eingehen! Zu fragen bliebe auch, ob bei ihrer Diskussion des Doppelaufgaben-Paradigmas nicht ein veraltetes Konzept zugrunde liegt, das in der Nachfolge von Allport (1980) eine wesentliche Erweiterung gefunden hat (vgl. z.b. Neumann, 1993; Manzey, 1993; Pellecchia, 2003)? 10

12 integriert auch positiv unterstützen (vgl.a. Oullier, Bardy, Stoffregen, & Bootsma, 2004, 176f). Verschiedene Studien aus der Arbeitsgruppe um Stoffregen haben dies für visuelle und taktile, supra-posturale Aufgaben nachgewiesen (Stoffregen, Smart, Bardy, & Pagulayan, 1999; Stoffregen, Pagulayan, Bardy, & Hettinger, 2000; Riley, Stoffregen, Grocki, & Turvey, 1999). Visuelles Suchen von Buchstaben in einem Text und taktiles Berühren eines Vorhanges mit einem Finger reduzieren das Schwanken des Körpers, um die jeweilige Aufgabe ungestörter lösen zu können. Dieser Effekt tritt auch auf, wenn z.b. mit einem Laserpointer ein Zielpunkt möglichst genau fixiert werden soll (Balasubramaniam, Riley, & Turvey, 2000) oder wenn die Schwierigkeiten einer Zählaufgabe zunehmen (Riley, Baker, & Schmit, 2003; vgl. aber auch Pelecchina 2003). Andererseits erfüllen Körperschwankungen bei reduzierten visuellen Informationen durchaus auch eine positive, explorierende Funktion für die Einschätzung der eigenen Position und sollten nicht negativ in Bezug auf die Gleichgewichts-Leistung interpretiert werden (Riley, Mitra, Stoffregen, & Turvey, 1997; Ehrenfried, Guerraz, Thilo, Yardley, & Gresty, 2003). So lassen sich zu Recht Bedenken an einem quiet-stance -Paradigma vorbringen, in dem die untersuchten Versuchspersonen während der Messung möglichst wenig schwanken sollen (vgl. Fearing 1925; Riley et al., 1999). Wir gehen davon aus, dass die posturale Kontrolle nicht autonom, sondern als Teil eines spezifischen Bewegungs- Wahrnehmungs-Systems funktional integriert abläuft (vgl. Mitra, 2004, 28f). In einer Reihe aufeinander bezogener Studien untersuchen wir, ob supra-posturale Aufgaben auf dem Messkreisel (Wagner, Lippens, Nagel, Morlock, & Vollmer, 2003) in unterschiedlichen Altersgruppen die Koordinations-Leistung beeinflussen (Tab. 1). Nach Baltes müssten insbesondere bei älteren Erwachsenen die notwendigen Ressourcen aus einem Intelligenzkonto auf die motorischen und kognitiven Aufgaben verteilt werden (vgl. Rötger, 2002). Allerdings sollen dafür nicht unbegrenzte Mittel zur Verfügung stehen. Krampe, Rapp, Bondar und Baltes (2003, 211) haben gezeigt, dass im Alter ein zunehmender Anteil der kognitiven Ressourcen in die Koordination des Körpers investiert wird. Wir konnten diese Ergebnisse in einer Studie auf dem Messkreisel mit Senioren (Durchschnittsalter: 58.9 Jahre), die seit einiger Zeit an einem Koordinations-Training im Rahmen der Hamburger Inline-Skating Schule (HIS e.v.) teilnehmen, nicht replizieren (Lippens & Nagel, 2004; vgl. Stoffregen, Prado, & Duarte, 2005). Tab. 1: Synopse der Untersuchungen über den Einfluss supra-posturaler Aufgaben auf die Gleichgewichts-Leistung von Erwachsenen G- Studie N Erfahrg. Aufgabe Distanz t [s] Versuche Leistung Haupteffekt HH- Fixieren, nah, 70 tbal./ nah, Colloqu. 5 Ja Suchen weit (2x30) 3 RMS xyz Suchen OL- Fixieren, nah, 70 tbal./ nah, ThPProj. 6 Ja Suchen weit (2x30) 4 RMS xyz Suchen HH- Fixieren, nah, 45 tbal./ nah, Senioren 8 Ja Suchen weit (2x15) 5 RMS xyz Suchen Weder die Zusatzaufgaben (fixieren vs. zählen) noch die unterschiedlichen Entfernungen (nah vs. fern) verschlechtern die Gleichgewichts-Leistungen von jüngeren (Studierende der Uni HH bzw. OL) und älteren (HH-Sen.) Erwachsenen im Vergleich zur Eingangsmessung ohne Aufgaben! Die Probanden stehen ruhiger, um leichter ein nahes Ziel fixieren bzw. im nahen Text Buchstaben suchen zu können. Die Gleichgewichts-Leistung wird im Zusammenhang der aufgabenbezogenen Anforderungen funktional integriert erbracht, um das Lösen der aktuellen, 11

13 übergeordneten Aufgaben zu erleichtern (vgl.a. Smart, Mobley, Otten, Smith, & Amin, 2004). 2. Methode In der ersten Phase der Untersuchung von supra-posturalen Aufgaben haben wir uns am Design von Stoffregen orientiert (Tab. 1). Kindern werden allerdings durch den Distanz-Wechsel vom nahen zum weiten Ziel in ihrer Aufmerksamkeit abgelenkt, so dass wir uns auf ein festes, nahes Ziel begrenzen mussten. Darüber hinaus können Schülern in der ersten Klasse i.d.r. Buchstaben im Text nicht sicher unterscheiden. Nach einem Vorversuch (vgl. Tab. 2: OL-Blo Kl. 1) haben wir für die Such-Aufgabe Symbole (Wingdings) statt Buchstaben gewählt. Die Hauptuntersuchung2 fand an einer Oldenburger Grundschule (Tab. 2: OL-HT, Kl.1, 4) statt. Nach dem Feststellen der Eingangs-Leistungen (motorisch: pre: ohne Zusatz; kognitiv: sitzend) waren von den Schülern auf dem Kreisel jeweils zwei Aufgaben in zufälliger Reihenfolge zu bewältigen. Die Aufgaben bestanden darin, im Kopf zu rechnen oder Symbole in einem Text zu suchen und zu zählen. Nach einer Eingewöhnung auf dem Messkreisel wurde die jeweilige Aufgabe (Rechnen bzw. Suchen) gestellt. Abschließend wurde die Ausgangs-Leistung (post: ohne Zusatz) auf dem Kreisel festgehalten. Die motorische Leistung maßen wir mit einen Messkreisel, der die Zeitverläufe von Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen um die drei Raumachsen erfassen kann. Als Integrations-Schema verwendeten wir (normalerweise) einen Kalman-Filter und können so anschließend die Winkellagen rekonstruieren (Wagner Lippens, Nagel, Morlock, & Vollmer, 2003). Alle Gleichgewichts-Messungen dauerten 45 Sekunden. Die Abtastfrequenz betrug 100 Hz. Die Gleichgewichts-Leistung bestimmten wir mit dem Quotienten aus der Balancier-Zeit (t Bal, netto [s]) und dem Streuungsmaß der Winkelgeschwindigkeiten in den drei Raum-Richtungen (RMS phi, theta, psi [ /s]). Die kognitiven Leistungen bewerteten wir anhand der durchschnittliche Dauer und dem relativen Fehler der jeweiligen Lösungen im Sitzen bzw. Stehen auf dem Messkreisel. In die Auswertung der Rechenaufgaben gingen nur die Daten der 4.Klasse ein, da in der 1. Klasse noch keine ausreichenden Rechenkenntnisse vorausgesetzt werden können. Es bleibt allerdings fraglich, ob die Zeitreihen von Gleichgewichtsdaten ein lineares, deterministisches Verhalten aufweisen und daher konventionelle Auswerteverfahren in Form von Streuungsmaßen angemessen sind. Eine Reihe von Autoren haben entsprechende Verfahren aus der nicht-linearen Dynamik vorgeschlagen und auch zur Unterscheidung von unterschiedlichen Strategien der Gleichgewichts-Leistung erfolgreich heranziehen können (z.b. Collins & de Lucca, 1994; Witte & Blaser 1998; Sasaki, Gagey, Ouaknine, Martinerie, le van Quyen, Toupet, & L Heritier, 2001; Blaszczyk & Klonowski 2001). Aus kapazitären Gründen müssen wir uns aber bisher (noch) auf einfache Auswerteverfahren beschränken. Die statistischen Analysen wurden mit dem Programmpaket STATISTICA 5.0 (Stat Soft Inc.) durchgeführt. Eine dreifaktorielle Varianzanalyse ergibt einen Haupteffekt für die Gruppen (1. HE: Klasse 1 vs. Klasse 4) und zwei Messwiederholungseffekte (2. HE: Abfolge suchen-rechnen vs. rechnen-suchen ; 3. HE: Messwiederholungen pre: ohne Zusatzaufgabe suchen rechnen post: ohne Zusatzaufgabe ). Im Falle eines signifikanten Haupteffekts haben wir post-hoc einen multiplen Mittelwertstest 2 Die Untersuchung haben Imke Ruge und Dirk Wolf im Rahmen eines Theorie-Praxis-Projektes an der Universität Oldenburg durchgeführt. 12

14 (Scheffé-Test) gerechnet. Interaktionseffekte blieben uninterpretiert. Signifikanz wurde für die Gleichgewichts-Leistungen auf dem 1 %-Niveau (p 0.01) und für die kognitiven Leistungen auf dem 5 %-Niveau angenommen (p 0.05). 3. Ergebnisse Die Gleichgewichts-Leistung der Schulkinder aus beiden Klassen wird von der supraposturalen Aufgabe des Symbol-Suchens beeinflusst (Abb. 1). Die Ergebnisse einer dreifaktoriellen Varianzanalyse (1.HE: Klasse: 1. vs. 4.; 2.HE: Reihenfolge: Rechnen - Suchen vs. Suchen - Rechnen; 3.HE: Wiederholung: Messung) zeigen einen Haupteffekt für die Klasse (F(1,35) = 23.63; p 0.000) und die zeitliche Entwicklung (F(3,105) = ; p 0.000). Das richtige Lösen der kognitiven Aufgaben im Sitzen auf einem Stuhl oder im Stehen auf dem Messkreisel unterscheidet sich nicht wesentlich (rel. Fehler: Suchen = 2.96 vs. 3.12; Rechnen (nur 4. Klasse!) = 0.68 vs. 1.08). Die multiple Mittelwerttestung für den 3. HE (Scheffé-Test) zeigt, dass sich die Faktorstufenmittelwerte zum Zeitpunkt pre: ohne Zusatzaufgabe (1.79) hochsignifikant (p 0.001) von der Suchaufgabe (3.31), nicht signifikant (p = 0.128) von der Rechenaufgabe (2.23) und hochsignifikant (p 0.001) von der abschließenden Messung post: ohne Zusatzaufgabe (3.02) unterscheiden. Die Faktorstufenmittelwerte der Suchaufgabe (3.31) unterscheiden sich hochsignifikant (p 0.001) von der Rechenaufgabe (2.23), jedoch nicht signifikant von der Abschlussmessung post: ohne Zusatzaufgabe (3.02). Ein hochsignifikanter (p 0.001) Unterschied besteht zwischen dem Faktorstufenmittelwert der Rechenaufgabe (2.23) und der Abschlussmessung post: ohne Zusatzaufgabe (3.02). Über die abgebildete Tendenz eines Lerneffektes im Verlauf wiederholter Messungen hinaus lässt sich eindeutig ablesen, dass die Kinder ruhiger stehen, um im Text Symbole suchen zu können. Rechenaufgaben auf dem Kreisel beeinträchtigen die Gleichgewichts-Leistung nicht. Der Haupteffekt für die unterschiedliche Abfolge ist nicht signifikant (F(1,35) = 1.36; p < 0.25) HT: Class 1 and 4 Zeit: F(3,105)=29,265; p<.0000 post-hoc: search-calculate sequence 1 search-calcul. sequence 2 calcul.-search t bal./ RMSxyz without task without task without task searching calculating without task searching calculating Class 1 Class 4 Abb. 1: Ergebnisse der Varianzanalyse in der Untersuchung Schule Haarentor, Klasse 1 und 4 Die kognitiven Leistungen wurden unter den verschiedenen Bedingungen gesondert geprüft. Die Ergebnisse der Varianzanalysen (Klasse: 1. vs. 4.; Reihenfolge: rechnen 13

15 vs. Suchen; Aufgabe: motorisch vs. kognitiv) zeigen lediglich in der 4. Klasse einen Haupteffekt für die Geschwindigkeit des Suchens: Rechenaufgaben vor Suchaufgaben verursachen eine höhere Geschwindigkeit (F(1,19)= 5.47; p < 0.05). Die Suchaufgaben auf dem Messkreisel werden langsamer als im Sitzen auf einem Stuhl absolviert (F(1,20)=5.47; p < 0.05). 4. Diskussion Das geringere Schwanken des Messkreisels bei der visuellen Zusatzaufgabe verweist auf eine funktionale Integration, wenn visuell orientierte, supra-posturalen Aufgaben gelöst werden sollen (vgl.a. Oullier et al. 2004). Die Gleichgewichts- Leistung wird im Zusammenhang der aktuellen, aufgabenbezogenen Anforderungen ohne besondere Belastung der zentralen Ressourcen erbracht. Im Bemühen um das Erkennen von Symbolen bzw. Buchstaben wird die Gleichgewichts-Leistung notwendig besser, um das Suchen von Symbolen in einem Text zu erleichtern (vgl. Smart, Mobley, Otten, Smith, & Amin, 2004)! Tab. 2: Synopse der Untersuchungen über den Einfluss supra-posturaler Aufgaben auf die Gleichgewichts-Leistung von Schulkindern Studie N Erfahrg. Aufgabe Distanz t [s] Versuche G-Leistung Haupteffekt OL-Blo Kl ja Rechnen, Suchen nah, weit 45 6 tbal./ RMS xyz nahe Distanz OL-Blo Kl ja! Rechnen, Suchen nah 45 5 tbal./ RMS xyz Suchen OL-HT Rechnen, tbal./ Suchen, 3 Kl. 1, 4 41 nein Suchen nah 45 4 RMS xyz Zeit OL-HT Kl (ja) Rechnen, Suchen nah 45 4 tbal./ RMS xyz Suchen, Zeit Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit unseren bisherigen Untersuchungen supraposturaler Aufgaben von Schulkindern (Tab. 2). In einer Retentionsuntersuchung in der 2. Klasse konnten wir bei 18 Kindern der 1. Klasse den Effekt der supraposturalen Aufgabe (Suchen) replizieren. Der Aufgabeneffekt lässt sich noch deutlicher vom Messwiederholungseffekt (Zeit) isolieren, wenn die Kinder vorher im Unterricht systematisch üben, Lese- und Rechenaufgaben auf Turnkreiseln 4 zu lösen (vgl. Tab. 2: OL-Blo, Kl. 2). Wenn also Gleichgewichts-Leistungen angemessen beurteilt werden sollen, dann müssen sie im funktionalen Zusammenhang der jeweiligen übergeordneten Ziele und Handlungen untersucht werden. So sind sich z.b. Sportstudierende beim erstmaligen Lösen der Buchstaben-Such-Aufgabe durchaus darüber im Klaren, dass Kopfbewegungen während des Zeilensprungs Auswirkungen auf die Schwankungen des Messkreisels um die Hochachse (SD psi [ /s]) haben können ( vor-bewusst: Irgend etwas stört hier! ; Abb. 2) und schränken in den anschließenden Versuchen entsprechend die Freiheitsgrade durch eine starre Körper-Segment-Strategie (vgl. 3 Aufgrund eines technischen Defekts konnten wir nur die Winkelgeschwindigkeiten auswerten. 4 Der notwendige Klassensatz an Turnkreiseln wurde uns freundlicherweise von der Fa. Sport-Thieme zur Verfügung gestellt! 14

16 Smart et al. 2004, 778) wieder ein ( nach-bewusst : Jetzt stimmt es wieder! ; Abb. 3). Vermutlich manifestiert sich hier ein körperbezogenes Wissen um die stimmige Bewegung, die im Nach-Sinnen durch das Zusammenspiel von Nach-Denken und Nach-Fühlen konstituiert wird. HH Sa. 2: Suchen (RMSxyz: 5.83; SDz: 4.84) Winkellagen phi [ ] theta [ ] psi [ ] Zeit Abb. 2: Gleichgewichts-Leistungen auf dem Messkreisel mit supra-posturaler Aufgabe (HH: Sa. Versuch 2: SD psi : 4.84 [ ] mit Kopfbewegung beim Wechsel der Zeile HH Sa. 4 Suchen (RMS xyz : 2.98; SD z : 0.58) Winkellagen phi [ ] theta [ ] psi [ ] Zeit Abb. 3: Gleichgewichts-Leistungen auf dem Messkreisel mit supra-posturaler Aufgabe (HH: Sa. Versuch 4: SD psi : 0.58 [ ]) nach Unterdrücken der Kopfbewegung Im Zusammenhang der supra-posturalen Aufgabe auf dem Messkreisel verstehen wir dies als entsprechende Passung zwischen den Auf- und Anforderungen der Umgebungs- und Aufgabenbedingungen (affordances) sowie den individuellen Bewegungsmöglichkeiten des Individuums (effectivities). Dabei kann zumindest die Gleichgewichts-Leistung mit dem Konzept der funktionalen Integration besser als mit dem Konzept der zentralen Ressourcen erklärt werden. Für das Tagungsthema Unbewusste Handlungssteuerung im Sport haben wir damit einerseits ein weiteres entsprechendes Phänomen innerhalb der Bewegungskontrolle vorgestellt, andererseits mit dem Konzept der funktionalen Integration eine theoretische Erklärung für die Gleichgewichts-Leistung vorgeschlagen. Es kann also keine Gleichgewichts-Leistung an (und für) sich geben, sondern nur geschicktes, funktionales Bewegen in der jeweiligen Situation, wenn Alles im Lot ist! 15

17 In: Witte, K., Edelmann-Nusser, J.; Sabo, A.; Moritz, E.F. (Hg.): Sporttechnologie zwischen Theorie und Praxis IV, Aachen: Shaker, VOLKER LIPPENS 1 ; VOLKER NAGEL 2 1 Carl von Ossietzky Universität Oldenburg; 2 Universität Hamburg Zur Messproblematik der Koordinations-Leistung von älteren Senioren 1. Einleitung: Alles im Lot? Im Rahmen von Sportreisen der Hamburger Inline-Skating Schule am Fachbereich Sportwissenschaft der Universität Hamburg evaluieren wir die Verbesserung der Koordinations-Leistung von Senioren u.a. im Bereich der Gleichgewichtsregulation. Dazu benutzen wir einen Messkreisel, der die Zeitverläufe von Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen um die drei Raumachsen erfassen kann. Als Integrations-Schema verwenden wir einen Kalman-Filter und können so anschließend die Winkellagen rekonstruieren (Wagner et al., 2003). In den kinematischen Daten lassen sich dann längerfristige Auswirkungen auf den monopedalen Stand nachweisen (Lippens et al., 2003). Mit zunehmendem Alter von Senioren gestaltet sich aber vor allem die Eingangs- Messung auf dem Messkreisel problematisch (vgl.a. Slobounov et al., 1998). Nicht alle Teilnehmer können auf Anhieb auf dem relativ anspruchsvollen Messgerät ihr Gleichgewicht halten. Daher erproben wir z. Z. ein Bewegungsanalyse-System (LUKOtronic: AS 200), das es erlaubt, die Kinematik des Sportlers mittels optoelektronischer Marker auf normaler Unterstützungsfläche zu erfassen. 2. Koordinations-Leistung: Vom ruhigen Stand zum bewegten Stehen! Innerhalb der Gleichgewichtsforschung hat sich ein Paradigmen-Wechsel vom standing-still zum moving-platform Konzept vollzogen. Lee & Lishman (1975) haben innerhalb des standing-still Ansatzes die besondere Bedeutung der visuellen Informationen im sog. moving room nachgewiesen, indem sie die Stellung der Wände und Decke manipulierten, ohne dass es den Versuchspersonen bewusst wurde. Der optische Flow der sich annähernden bzw. entfernenden Wand suggerierte eine Abweichung aus dem senkrechten Bezugssystem der Person und wurde mit einer entsprechenden Ausgleichsbewegung beantwortet, die dann zum eigentlichen Schwanken des Körpers führte (vgl.a. Bertenthal & Bai, 1989). Inzwischen muss aber das zunehmende Schwanken bei gestörten bzw. fehlenden visuellen Anteilen der Sinnesinformationen als Versuch interpretiert werden, sich anhand taktiler bzw. propriozeptiver Informationen zusätzliche Hinweise über das eigene Bewegungsverhalten zu verschaffen (Ehrenfried et al., 2003, 150). Horak & Nashner (1974, 1986) haben den Ansatz des moving-room zur movingplatform weiterentwickelt und durch gezielte Plattformbewegungen die posturalen Synergien von Fuß- und Hüftgelenken gefunden (vgl.a. Maki & McIlroy, 1997). Der unterschiedliche Einfluss sensorischer Informationen kann vor allem für den klinischen Bedarf in einer Weiterentwicklung der Firma NeuroCom mit dem Sensory- Organization Test für den klinischen Gebrauch diagnostiziert werden. Während auf den perturbation-platform Messplätzen die Anpassungsleistung des posturalen Systems an artifizielle Störungen gemessen werden (vgl.a. Maki et al., 1987), 16

18 erfordert die Bauweise unseres Messinstrumentariums an sich eine geschickte Gleichgewichts-Leistungen als Bewältigung der relativ anspruchsvollen Balance- Anforderungen auf dem Turnkreisel. Abb. 1 Beispiele für Komponenten der Gleichgewichts-Leistung (Horak 1997, 79, Fig. 1) Die Koordinations-Leistung menschlichen Bewegens wird von unterschiedlichen Subsystemen bestimmt. Horak (1997) führt als Komponenten des Gleichgewichts biomechanische, motorische und sensorische Koordination auf (Abb. 1). Im interoder transmodalen Zusammenspiel der Sinne werden visuelle Informationen über die Orientierung im Raum mit vestibulären Informationen über die Stellung des Kopfes im Raum und kinästhetischen Informationen über die Stellung des Kopfes zum Körper sowie propriozeptive Informationen über den Kontakt zur Unterstützungsfläche im Raum integriert (Allum et al., 1998; Keshner & Allum, 1990). So kann eine vertikale Körper-Referenz aufgebaut werden (Hlavacka et al., 1995), die es erlaubt, adaptive Gleichgewichts-Strategien als reaktive bzw. antizipative posturale Synergien zu entwickeln. Wie hochkomplex dieses System funktioniert, zeigen Experimente, in denen das Zusammenspiel von vestibulären und propriozeptiven Informationen durch elektrische Reize bzw. mechanische Vibrationen manipuliert und die Auswirkungen auf die posturale Kontrolle untersucht werden (vgl. Roll et al., 1998, Wierzbick et al., 1998). Ob die Änderung der Gleichgewichts-Leistung bei älteren Senioren an einer altersbedingten Beeinträchtigung der strukturellen (multiplen sensorische Information, motorische Produktion) oder funktionale Komponenten (zentrale Integration) liegen (vgl.a Speers et al., 2002, 20), ist in der Literatur noch umstritten (vgl. Alexander 1994; Vaillancourt & Newell, 2002). Einerseits lassen sich mit vibrierenden Einlegesohlen, die als Rauschen unterhalb der taktilen Wahrnehmungsschwelle im Fuß in die intermodale Sinnessynthese eingehen, Körperschwankungen vor allem bei älteren Erwachsenen reduzieren (Priplata et al., 2002), andererseits spielen Aufmerksamkeitsrichtung und Ressourcenzuteilung eine bedeutsame Rolle bei der posturalen Stabilität (Weeks et al., 2003). Wir konnten z.b. zeigen, dass auch bei älteren Senioren die Gleichgewichts-Leistung auf dem Messkreisel trotz Hinzufügen einer visuell-orientierten Zusatzaufgabe (Buchstaben- Suchen) nicht schlechter wurde (Lippens & Nagel, 2004). 17

19 3. Methoden: Kinematik des monopedalen Stehens Für die Adressatengruppe der Senioren wird in der Literatur fast ausschließlich auf Messungen des bipedalen Stands auf einer Kraftmessplattform verwiesen (van Wegen et al., 2002). In nur wenigen Studie wird der monopedalen Stand thematisiert (Vellas et al., 1997). Im Alltag müssen aber eine Vielzahl von Aufgaben bewältigt werden, die auf einen sicheren einbeinigen Stand angewiesen sind (vgl.a. Riccio; Stoffregen, 1988). So ist das quasi-statische bzw. dynamische monopedale Gleichgewicht nicht nur eine sinnvolle Reaktion bei internalen oder externalen Störungen sondern auch eine notwendige Voraussetzung für die Gehbewegung (Burleigh et al., 1994, 2892). Monopedales Stehen zeichnet sich im Unterschied zum bipedalen Stand durch größere Amplituden in sagitaler und vertikaler Richtung (Nashner & Horak, 1985) und genereller Zunahme lateraler Bewegungen (Maki & McIlroy, 1996) aus. Insgesamt sind höhere Geschwindigkeiten im Knie- und Fußgelenk festzustellen (Kejonen 2002) Mit dem Bewegungsanalyse-System AS 200 der Fa. LUKOtronic lassen sich Bewegungsabläufe dreidimensional opto-elektonisch rekonstruieren (Abb. 2) und in eigens angepassten Auswerteroutinen darstellen (z.b. relative Phasen spez. Gelenkwinkel) sowie für die Weiterverarbeitung in anderen Programmpaketen (z.b. Excel) aufbereiten. Mit 5 Markern können wir die 3-dimensionalen Bewegungen der Körperpunkte von Fuß, Knie, Hüfte, Schulter und Kopf messen und die entsprechenden Gelenk- und Kopfbewegungen beim monopedalen Stand in der Ebene berechnen (vgl.a. Kejonen & Kauranen; 2002). Die Marker werden an den jeweiligen Körperpunkten mit handelsüblichen Kleberingen fixiert. Die Abtastrate beträgt 100 Hz, die Messdauer jeweils 45 Sekunden und die Probanden stehen im Abstand von ca. 2 m vom Ausnahmesystem (3 Video-Kameras). Abb. 2 Benutzeroberfläche des Bewegungsanalyse-Systems AS 200 (Markerpositionen, Gelenkwinkel etc) 18

20 Als Parameter für die Bestimmung der Gleichgewichts-Leistung prüfen wir vorerst nur die Kopf- und Hüftbewegungen mittels des Root-Mean-Squares (RMS) sowie die Gelenksbewegungen in der sagitalen Ebene mittels der relativen Phase zwischen den jeweiligen Winkeln (Fußgelenk vs. Hüftgelenk) im Verhältnis zur Netto- Balancierzeit (monopedales Stehen ohne Abstützen oder Festhalten mit dem kontralateralen Bein bzw. den oberen Extremitäten). 3. Ergebnisse: Defiziente vs. sub-optimale Strategien! Zur Verfügung stehen uns die Daten der Senioren aus der Eingangsuntersuchung (N= 90; Alter 60,4 J.), die wir im Rahmen einer von der GEK geförderten Interventions-Studie über die Auswirkungen unterschiedlicher Bewegungsprogramme (nordic-walking vs. allgem. Koordinations-Training) erhoben haben. Anhand eines Extremgruppen-Vergleichs können wir signifikante Unterschiede zwischen suboptimalen und defizitären Strategien feststellen (Abb. 3). Dazu greifen wir vorerst nur die dreidimensionalen Bewegungen des Kopf- bzw. Hüftpunktes zurück. Sowohl für den linken als auch für den rechten monopedalen Stand unterscheiden sich die Mittelwerte in den dreidimesionalen Kopf- und Hüftpositionen (t-test: links: Kopf p < 0.04, Hüfte p < 0.02; rechts: Kopf p < 0.00, Hüfte p < 0.01). In den weiteren Auswerteschritten soll versucht werden, diese Unterschiede auch in den relativen Phasen der Gelenkwinkel aufzufinden. Kopf- und Hüftbewegungen beim monopedalen Stand (GEK t1) t Bal.,n. /RMS xyz Kopf (li B) Hüfte (li B) Kopf (re B) Hüfte (re B) Cla Ho Ste Sti Schw mean sub Vo Are Thu Ass Fra mean def suboptimale Personen defizitäre Abb. 3: Darstellung der Gruppenunterschiede (sub-optimale vs. defizitäre Strategien) anhand der monopedalen Gleichgewichts-Leistung (t Bal., n. /RMS xyz ) mittels Kopf- bzw. Hüftbewegung. 19

21 4. Diskussion: Interventionseffekte? Die Koordinations-Leistung von älteren Senioren kann anhand kinematischer Parameter in funktionshomogenen Gruppierungen unterschieden werden. Für eine endgültige Beurteilung einer möglichen Verbesserung der Gleichgewichts-Regulation nach Bewegungsprogrammen müssen aber drei weitere Problembereiche diskutiert und beachtet werden: Beruhen messbare Interventionseffekte auf dem durchgeführten Training oder werden u.u. Artefakte verursacht, die vom Messinstrumentarium ausgehen? So verändern sich die gemessenen Gleichgewichts-Leistungen ja nach Instruktion und Lenkung der Aufmerksamkeit deutlich (vgl. Mitra 2004). Lassen sich Gleichgewichts-Leistungen unabhängig von supra-posturalen Aufgaben im Sinne von Stoffregen et al. (1999, 2000) überhaupt erfassen? Eine Reihe von Untersuchungen deuten daraufhin, dass sich die Gleichgewichts-Leistung immer dann in dienender Funktion verbessert, wenn die entsprechende Aufgabe (Suchen, Präzision, etc) im Handlungskontext ein ruhigeres Stehen erfordert (vgl. Bardy 2004). Die Gleichgewichts-Leistung ist kein Selbstzweck des sensomotorischen Systems und muss unter den Aspekten der Affordanz-Extraktion (Riccio & Stoffregen 1998; vgl.a. Newell et al., 1989: Personen-, Aufgaben- und Umgebungs-Zwänge; vgl.a. ) betrachtet werden. Ist der Quotient aus der Netto-Balancierzeit und dem Streuungsmaß der Winkellagen ein angemessener Indikator für die Gleichgewichts-Leistung? Es ist fraglich, ob die Zeitreihen von Gleichgewichtsdaten ein lineares, deterministisches Verhalten aufweisen und daher konventionelle Auswerteverfahren angemessen sind. Eine Reihe von Autoren haben entsprechende Verfahren aus der nicht-linearer Dynamik vorgeschlagen und auch zur Unterscheidung von unterschiedliche Strategien der Gleichgewichts-Leistung erfolgreich heranziehen können (z.b. Collins & de Lucca 1993, 1994; Witte & Blaser 1998; Sasaki et al., 2001; Blaszczyk & Klonowski 2001). 20

22 Recherches Actuelles en Science du Sport. Actes du 11 th Congrès International de l ACAPS Paris : Reading can Facilitate Balancing on the Gyro Volker Lippens Department of Sport Science *, University of Oldenburg, volker.lippens@uni-oldenburg.de Scope Postural control is not an autonomous system. It is integrated into a specific functional context, which is determined by tasks or goals that are super-ordinate to the control of posture (Stoffregen et al. 2000, c.f. Mitra, 2004). Krampe et al. (2003, 211) claim that humans have only a limited capacity of cognitive resources. Their experiments have shown that especially elderly people spent an increasing amount of their cognitive resources on motor control (cf. Woollacott; Shumway-Cook 2002). Our goal was to find out, how supra-postural tasks influence the coordination of 1st and 4th grade students of a primary school. Method The participating students (class 1: N=21; class 4: N=20) underwent several trials. During the first and fourth trials the students were asked to maintain standing balance on an ankle-exercise board (gyro; cf., Wagner et al. 2003). In the second and third trials, the students executed extra tasks, while standing on the gyroscope. One task involved mental arithmetic, while in the other task subjects searched for and counted symbols within a block of text. The duration of each trail was 45 seconds, during which data were collected from the gyroscope (ankle exercise board). We evaluated body sway through the quotient of the time the child stood on the gyroscope (t Bal., netto, [s]) and the deviation of the angular rates (RMS phi, theta, psi. [ ]). We assessed cognitive performance twice, once during stance on the gyroscope and a second time while the student was seated. Cognitive performance was judged by the average time and the relative error. Results The performance of postural control 1st and 4th graders was influenced by the visual search task. An ANOVA (Grade: 1st vs. 4th; sequence: arithmetic vs. searching) revealed main effects for age and task (F(1,35)=23,633; p<0,000). Stability was greater during the search task. Mental arithmetic has no effect on stance (post-hoc-test: Scheffé). The reduction of body sway, during the performance of a visual supra-postural task, is consistent with the idea of functional integration. Cognitive performance did not differ between standing and sitting conditions (error rel. : searching= 2.96 vs. 3.12; arithmetic (only 4th grade!): 0,68 vs. 1,08). Postural control was not an end in itself: Dexterously balancing can facilitate visual performance! * in collaboration with V. Nagel, FB 19, University of Hamburg, and the Primary School Haarentor, Oldenburg 21

23 European Workshop of Movement Science EWMS Mechanics, Physiology, Psychology. Wien June IN FOR A PENNY, IN FOR A POUND! Do we use central resources or a functional integration while balancing? V. Lippens, University of Oldenburg, Institute of Sport Science * in collaboration with V. Nagel, University of Hamburg, and the Primary School Haarentor, Oldenburg INTRODUCTION The human postural control is not an end in itself. It is integrated within a functional context of the respective supra-postural goals. In contrast to the concept of resources (e.g., Kahneman, 1973), additional tasks do not inevitablely influence the postural control in a negative way (e.g., Woollacott; Shumway-Cook 2002), but could positively have animative effects (visual, tactile, precise: cf. Oullier et al., f). Therefore, doubts on a quiet-stance paradigm are reasonable while the controlled experimental subjects should sway as little as possible during the measurement. In our opinion, postural control is not autonomous but part of a specific actionperception system (cf., Mitra, 2004, 28f.). Our goal was to find out, how suprapostural tasks influenced the coordination of first and fourth grade students. METHOD The participating students (grade 1: N= 21; grade 4: N= 20) underwent four trials: During the first and fourth trial the students were asked to maintain standing balanced on an ankle-exercise board (gyroscope; cf., Wagner et al., 2003). In the second and third trial, the students executed extra tasks (calculating vs. searching), while standing on the gyroscope. One task involved mental arithmetic, while in the other task subjects were searching for and counting symbols within a block of text (Fig. 1: Searching on the Gyroscope). The duration of each trial was 45 seconds, during which data were collected from the gyroscope. Fig. 2: Example of performance of postural control (left: calculating; right: searching) Balance control (Fig.2) was evaluated by the quotient of time the child stood on the gyroscope and deviation of the angular position (t bal.,net. /RMS phi, theta, psi [s/ ]). Cognitive performance (relative error, averaged time of task) was assessed twice, once while the student was seated and a second time during stance on the gyroscope. * 22

24 RESULTS The performance of postural control first and fourth graders was influenced by the visual search task. A MANOVA revealed significant main effects for grade (F(1,35): 23.63; p 0.001) and repeated measurement (F(3,105): ; p 0.001). The main effect of different sequences was not statistically significant (F(1,35 ): 1.36; p 0.25). A decomposition of the main effect of repeated measurement (post-hoc-test: Scheffé) showed (Fig. 3): Stability was significantly greater during the search task when compared with with-out tasks. Mental arithmetic had no effect on stance. The reduction of body sway, during the performance of a visual supra-postural task, is consistent with the idea of functional integration. Cognitive performance of the extra task did not differ consistently between standing and sitting conditions in average time resp. relative error. 5,0 4,5 4,0 3,5 t bal./ RMSxyz 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 sequence 1 search-calcul. sequence 2 calcul.-search 0,5 without task searching calculating without task without task searching calculating without task grade 1 grade 4 Fig. 3: Results of MANOVA for performance of postural control (t Bal., netto,/ RMS phi, theta, psi. ) DISCUSSION During the visual task of additional orientation the small sway of the gyroscope referred to the functional integration of postural control (cf., Oullier et al., 2004, 184). The postural control emerged during the current, task-specific demand without particular strain of central resources. In attempting to recognize symbols or letters, the sway was necessarily decreasing in order to support the search for symbols in a text (cf., Smart et al., 2004, 778). These results were in accordance with previous studies of supra-postural tasks (cf., Stoffregen et al., 2000). No postural control emerged just for an end in itself but in functional integration of smart dexterous movement! Altogether, dexterously balancing could facilitate visual performance! 23

25 Vortrag auf der Tagung der Arbeitsgemeinschaft Sportpsychologie. Belastung und Beanspruchung Halle 2004 V. Lippens 1, V. Nagel 2, A. Bund 3 ( 1 Universität Oldenburg) ( 2 Universität Hamburg) ( 3 TU Darmstadt) Steigert Skilanglauf das Selbstvertrauen von Seniorensportler/innen? Selbst- und Fremdwahrnehmungen Die Frage, inwieweit allgemeines Bewegungstraining und sportliche Betätigung ganzheitliche Wirkungen entfalten kann, gerät zunehmend in den Focus der Diskussion über präventiven, rehabilitativen bzw. therapeutischen Wert von Sport und Bewegung. Der alarmierende Anstieg der Krankheitskosten sowie die voranschreitende Alterung der Gesellschaft geben zusätzlichen Anlass für solche Diskussionen und entsprechende Nachforschungen. Einleitung: Am Fachbereich Sportwissenschaft der Universität Hamburg wird diesen Fragen u.a. in Form begleitender Forschung zum Dienstleistungsprojekt fit ab 50? Fit bis 100! nachgegangen. Unter diesem bewusst launigen Motto können Senioren/-innen für Kursgebühr an einem Bewegungstrainings-Programm teilnehmen, in dessen Zentrum sanfte Ausdauerbelastungen mit Gleichgewichtskomponente stehen. Inline- Skating und Skilanglauf sind die zentralen Säulen dieses Programms. Letzteres ist Inhalt zweiwöchiger Reisen nach Norwegen in ein landschaftlich reizvolles wie koordinativ herausforderndes Gelände. Senioren Lillehammer 03 - Kurs I (N= 7) tbal., netto links rechts Eingang Ausgang Retention Zeitpunkte Abb. 1: Ergebnisse der Gleichgewichts-Leistung der Senioren LH 2003 I (t 1-3 ) Bisherige Begleituntersuchungen in den Jahren 1999 bis 2002 konnten nachweisen, dass durch ein zweiwöchiges Skilanglauf-Training deutliche Steigerungen der Gleichgewichtsleistung erreicht werden (Lippens/Nagel Lippens/Nagel/Wagner 2003). So auch 2003, die auch in der Retentions-Untersuchung anhielt (vgl. Abb. 1). Vortrag auf der asp-tagung 2004 in Halle/S.. 24

26 Im Jahr 2003 fand die Begleituntersuchung zusätzlich unter sportpsychologischer Perspektive statt: Zeitigt das beschriebene Programm neben den hinlänglich nachgewiesenen und dokumentierten Effekten bzgl. koordinativer Leistung auch psychische Veränderungen? Methoden: Dieser Frage nach der Selbstwirksamkeitsüberzeugung wurde auf der Basis des Modells nach Bandura (vgl. Bund 2001.) nachgegangen. Dessen Untersuchungsverfahren wurde dabei um die Dimension der Experten-Fremdeinschätzung der Leistungsfähigkeit erweitert. Nach einer zu Beginn der Reise per Fragebogen erhobenen allgemeinen Selbsteinschätzung der Teilnehmer (N= 15 (w: 12, m: 3!); Alter: 61,9 Jahre; SD: 4,68), sollten diese jeweils ihre persönliche Leistungsprognose vor einem am Anfang (2. Tag) wie vor einem am Ende (13. Tag) der Reise durchgeführten Test - in Beantwortung eines Fragebogens - dokumentieren. Dieser fragt danach, welche skilanglaufspezifische (Test-) Leistungen die Testteilnehmer sich zutrauen bzw. prognostizieren. sportartspezifische Selbstwirksamkeit Einführung Methode Ergebnisse Diskussion/Perspektive Ich bin zuversichtlich, dass ich am Ende der Skireise... - auf einen leicht abfallenden Hang auf einem Ski über 2 (5 bzw. 10) m fahren kann: Schaffe ich nie... Schaffe ich immer - auf einen leicht abfallenden Hang eine Kurve 90 O (bzw. 180 O ) mit Bogentreten fahren kann:... - in der Ebene mit Doppelstock-Schub 50 (bzw. 100) m in einem Stück fahren kann:... - in der Ebene mit Diagonalschritt 50 (bzw. 100) m in einem Stück fahren kann:... - in einer leicht abfallenden Loipe bei mittlerem Tempo durch einbeiniges Stemmen (...) nach 2 (5 bzw. 10) m zum Stehen komme (bremsen kann):... Abb. 2: Fragebogen zur sportartspezifischen Selbstwirksamkeitsüberzeugung Ohne diese Selbstprognosen zu kennen, leisten die betreuenden Skilehrer (im vorliegenden Fall SportwissenschaftlerInnen mit Schwerpunkt-Ausbildung im Skilanglauf: N= 3) zeitgleich ebenfalls eine Leistungsprognose bzw. eine Fremdeinschätzung. Selbst- wie Fremdeinschätzung beziehen sich dabei auf einen Skilanglauf-Test, der zentrale Elemente des Skilanglaufs sowie skilangläuferische Geländesicherheit und damit Handlungsfähigkeit prüft (einbeiniges Fahren, Bogentreten, Doppelstock-Einsatz, Diagonal-Schritt, einbeiniges Bremsen). Die Bewertung des Test wurde videogestützt durchgeführt. Ergebnisse: Betrachten wir zunächst die Leistungsentwicklung der Seniorensportler/ innen im Kursverlauf. Uns lagen die Daten zur motorischen Leistung (lediglich) auf dichotomen 25

27 Niveau vor, d.h. für jeden der insgesamt 12 Einzeltests der Testbatterie war festgehalten worden, ob er erfolgreich absolviert wurde oder nicht. Motorische Leistung Einführung Methode Ergebnisse Diskussion/Perspektive Belastung und Beanspruchung Erfolgreiche Einzeltests ,67 *** d=1.61 9,33 0 Eingangstest Ausgangstest Abb. 3: Erfolgreich absolvierte Einzeltests im Eingangs- und Ausgangstest Die Summe der erfolgreich absolvierten Einzeltests vom Eingangs- zum Ausgangstest signifikant von 5,67 auf 9,33 nimmt zu (t(14) = -6.04, p <.01).). Als Effektmaß ausgedrückt entspricht das einem Wert von 1.61, was einen starken Effekt des Kurses hinsichtlich der motorischen Leistungsfähigkeit der Teilnehmer/innen ausweist. Der prozentuale Leistungsanstieg liegt im Gruppenmittel bei etwas über 160%. Es sei angemerkt, dass wir hier - wie prinzipiell bei jeder Prä-Post-Messung - mit einem Ausgangswertproblem konfrontiert sind, das im Kern darin besteht, dass Personen, die bereits im Eingangstest über ein gutes Leistungsniveau verfügen, weniger Spielraum nach oben (Leistungsverbesserung) haben als Personen, die den Kurs auf einem niedrigen Leistungsniveau beginnen. Objektiv betrachtet kommt es also zu einem Leistungsanstieg während des Kurses. Wie sehen nun die Wahrnehmungen der Teilnehmer/innen und die der Experten, also der Skilehrer aus? Eine zweifaktorielle ANOVA mit den Faktoren Selbst- vs. Fremdeinschätzung und Messwiederholung indiziert eine divergierende Entwicklung von Selbst- und Fremdwahrnehmung über die Zeit (F(28) = 3.95, p =.057, η 2 p =.12). Selbst- und Fremdeinschätzung Einführung Methode Ergebnisse Diskussion/Perspektive Belastung und Beanspruchung Score Selbsteinschätzung Fremdeinschätzung 60 Eingangstest Ausgangstest Abb. 4: Selbst- und Fremdeinschätzungen der motorischen Leistungsfähigkeit im Eingangs- und Ausgangstest 26

28 Die Selbsteinschätzungen können als Selbstwirksamkeitsüberzeugung nach Bandura interpretiert werden. Es ergibt sich eine überraschende Entwicklung: Während die Experten das motorische Niveau der Seniorensportler/innen zum Kursende höher einschätzen als zu Kursanfang und damit die tatsächliche Leistungsentwicklung richtig bewerten, schätzen die Seniorensportler/innen selbst ihre Leistungsfähigkeit - nicht zutreffend! - zu Kursende als schlechter ein als zu Kursanfang! Statistisch betrachtet liegt damit ein Interaktionseffekt über die Zeit vor, der allerdings mit d=0,38 recht schwach ausfällt. Dieser negative Verlauf der Selbstwirksamkeitsüberzeugung der Seniorensportler/innen ist natürlich unerwartet. Die Selbsteinschätzungen verringern sich insbesondere in den Skalen des einbeinigen Fahrens und des Bremsens. Dies könnte auch auf einen Effekt aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen (Loipen-Beschaffenheit) hinweisen mean Ein mean A us einb 2m einb 5m einb 10m BoT 90 BoT 180 DSt 50m DSt 100 m Diag 50m Diag 100 m brem 2m brem 5m brem 10m Abb. 5: Skalen-Ergebnisse des sportartspezifischen Fragebogen Motorische Leistung Ein Motorische Leistung Aus Selbsteinschätzung Fremdeinschätzung Eingang Ausgang Eingang Ausgang.739**.517*.734**.908** Tab. 1: Korrelationen zwischen Selbst- bzw. Fremdeinschätzung und motorischen Leistung Abschließend haben wir die Zusammenhänge zwischen den Selbst- und Fremdeinschätzungen einerseits und der motorischen Leistungsfähigkeit im Eingangs- und Ausgangstest berechnet. Sie fallen durchweg signifikant aus, es bestehen also starke Zusammenhänge. Wie sie sehen, besteht auch ein hoher Zusammenhang 27

29 zwischen der Selbsteinschätzung der Seniorensportler/innen und ihrer tatsächlichen motorischen Leistung im Ausgangstest (r=.734). Das zeigt, dass sich die Seniorensportler/innen relativ durchaus richtig einschätzen: Diejenigen, die im motorischen Ausgangstest gut abschneiden, geben zuvor höhere Selbstwirksamkeitswerte an als diejenigen, die im Ausgangstest schlechte Leistungen erbringen. Die beiden Messreihen korrespondieren also miteinander (und erzeugen so den hohen Korrelationskoeffizienten). Nur was das absolute Niveau ihrer Selbsteinschätzung betrifft, liegt es im Verhältnis zu ihrer tatsächlichen Leistungsfähigkeit viel zu tief! Die Verbesserung ihrer skilanglaufspezifischen Leistungsfähigkeit nehmen die Seniorensportler/innen entweder gar nicht wahr oder sie geben - angesichts des bevorstehenden Abschlusstests - bewusst eine extrem defensive (vorsichtige) Selbsteinschätzung ab! Diskussion: Untersuchungsartefakt oder Alterseffekt? Der deutliche Leistungsanstieg im Trainingsverlauf zeigt, dass bei Seniorensportler/innen auch im koordinativen Bereich erheblich Steigerungspotentiale vorhanden sind. Um so überraschender ist der Befund, dass die Seniorensportler/innen selbst (unzutreffend) schlechtere Leistungen annehmen - übrigens, gerade in jenen Einzeltests, die in erster Linie koordinative Anforderungen stellen wie das Fahren auf einem Ski oder das Bremsen mit der Halbpflug-Technik. Wir halten prinzipiell zwei Erklärungen für möglich: Wie bereits angedeutet, könnten die Senior/innen aufgrund des bevorstehenden Abschlusstests ihr Leistungspotential sowie ihre aktuelle Leistungsfähigkeit extrem zurückhaltend und defensiv bewertet haben, um sich nicht selbst unter Druck zu setzten. Senior/innen sind Testsituationen im Gegensatz zu den sonst häufig verwendeten Studentenstichproben nicht gewohnt; insofern könnten sie sich dazu veranlasst gesehen haben, ihre Erwartungen aus Gründen des Selbstwerterhalts herunterzuschrauben. In diesem Fall müsste der Befund einer im Trainingsverlauf abnehmenden Selbstwirksamkeitserwartung als Untersuchungsartefakt interpretiert werden und es wäre sicherlich interessant, wie eine Selbsteinschätzung zu Kursende ausfallen würde, wenn es keinen Ausgangstest gibt bzw. das Wissen um diesen Ausgangstest nicht gegeben ist. 28

30 In: Krug, J.; Müller, T. (Hg.): Messplätze Messplatztraining Motorisches Lernen. Sport und Wissenschaft, Beihefte zu den Leipziger Sportwissenschaftlichen Beiträgen, Band 9, Volker Lippens 1, Volker Nagel 2, Jörg Wagner 3 1 Universität Oldenburg; 2 Universität Hamburg; 3 Universität Stuttgart Zur Verbesserung der Gleichgewichts-Leistung (auf dem Turnkreisel) Ausbalanciertes Bewegen: Alles im Lot? Lässt sich eine geschickte(re) Koordinations-Leistung durch Üben provozieren gerade auch dann, wenn die alltäglichen Bewegungsmöglichkeiten aufgrund unterschiedlicher, auch kapazitärer Einschränkungen geringer werden? Ziel der Untersuchung ist es, am Beispiel der Gleichgewichtsregulation die individuelle Bewegungskompetenz zu erweitern und zu überprüfen. Kann die Gleichgewichts- Leistung auch im höheren Alter und weit jenseits aller sogenannten 'sensitiven Entwicklungsphasen' noch verbessert bzw. trainiert werden? 1 Bewegungs-Kompetenz Die Bedeutung einer geschickten Gleichgewichts-Leistung für die motorische Kontrollen und Koordination ist unbestritten. Ayres (1984, 108) vermutet, dass die Schwerkraftsicherheit in der Kindesentwicklung sogar mehr Bedeutung als der Muter-Kind-Beziehung hat. Das Erleben der eigenen Handlungs-Kompetenz als ausbalanciertes Bewegen beim Lernen wird sich auch auf die eigene Befindlichkeit auswirken müssen (vgl. Bund 2001). Allerdings bewirkt die Gleichgewichts-Regulation keine posturale Balance als Selbstzweck. Sie ist immer für das spezifische Bewältigen von Situationen in entsprechenden Handlungs-Mustern eingebunden und interagiert mit übergeordneten Aufgaben (vgl. Stoffregen et al., 2000). Im Unterschied zum Ressourcen-Konzept (Woollacott & Shumway-Cook, 2002) beeinflussen Zusatzaufgaben in dieser Sichtweise die Gleichgewichts-Leistung nicht zwangsläufig negativ, sondern können diese funktional positiv unterstützen. So konnten wir in einer Replikation der Stoffregen-Experimente auf dem Messkreisel zeigen, das Schwankungen durch übergeordneten Aufgaben (z.b. Buchstabenauszählen: Anova (2x2) F task (1,10): 5.58, p.04) reduziert werden. 2 Zur Operationalisierung der Gleichgewichts-Leistung Die Gleichgewichts-Leistung sollte wie skizziert in den übergeordneten Zusammenhängen gemessen werden. Eine Gleichgewichtsaufgabe muss deshalb für die Teilnehmer als ausreichend anspruchsvoll bzw. sinnhaft erscheinen. Wir benutzen daher einen Turnkreisel, dessen Metall-Halbkugel sphärisch abgedreht wurde, damit kein punktuell erhöhte Rollreibung aufgrund von Unebenheiten der Oberfläche auftreten kann. Die Kontrolle des labilen Gleichgewichts auf diesem Sportgerät stellt auch für Sportstudierende noch einen hohen motivationalen Anreiz dar und ist nicht ohne weiteres auf Anhieb zu realisieren. Für die Untersuchung von älteren Teilnehmern haben wir zusätzlich ein umlaufendes Geländer vorgesehen, das etwa in Hüfthöhe die Möglichkeit bietet, sich sowohl beim Aufsteigen als auch beim Verlust der Balance festzuhalten. 29

31 Die Gleichgewichtsleistung kann einerseits durch die Zeitdauer, die die Teilnehmer auf dem Turnkreisel frei stehen, und anderseits durch dass Schwankungsverhalten des Kreisels selbst abgebildet werden. Schwankungen in der posturalen Balance sollten durchaus als funktionale Variabilitäten angesehen und nicht im Sinne eines traditionellen, quiet-stance Paradigmas als Fehler interpretiert werden (van Emmerik & van Wengen, 2002). 3 Messinstrumentarium: Speziell ausgerüsteter Turnkreisel Der Turnkreisel kann als einfaches Fahrzeug verstanden werden, dessen Bewegung anhand von Winkelgeschwindigkeit- und Beschleunigungsmessungen sowie einem speziellen kinematischen Modell ermittelt wird (Wagner et al., 2001). Die dazu erforderlichen Sensoren sind unterhalb der Standfläche angebracht und bezüglich ihrer Position innerhalb des Geräts vermessen. Die Messsignale werden über eine Datenerfassungskarte und mit Hilfe einer speziellen Software in einen PC überführt und dort gespeichert. Anschließend erfolgt mit Hilfe eines angepassten Messdatenfilters die Berechung der Winkellage. Parallel zum Messvorgang erfasst eine manuelle Indizierung diejenigen Zeitbereiche, in denen die Teilnehmer auf Erleichterungsstrategien wie Festhalten oder Absteigen vom Messkreisel zurückgreifen mussten. Aus der Brutto-Messzeit kann die effektive Balancierzeit (t Bal.,netto ) mittels der gekennzeichneten Datenbereiche rekonstruiert werden. Als Leistungsindikator berechnen wir den Quotienten aus der effektiven Balancierzeit und dem Streuungsmaß der Winkellagen RMS x,y,z (vgl.a. Lippens/Nagel, 2001). Z.Z. reicht der benutzte Quotient aus, um eine Verbesserung der Gleichgewichts-Leistung in den Untersuchungen nachweisen zu können. 4 Anwendung und Ergebnisse Die Untersuchungsergebnisse stammen aus einer Reihe kleinerer verzahnter Studien (Erdmann 1988, 281), mit denen wir versuchen, das Gleichgewichts- Problem aufzuhellen. So evaluieren wir einerseits die Auswirkungen von Skilanglaufkursen mit Senioren ( Fit ab 50! ) auf die Gleichgewichts-Leistung und prüfen andererseits Maßnahmen zur Umknickprophylaxe von Sportstudierenden ( Training des zweitbesten Beins! ) (Lippens/Nagel 2001) Fit ab 50! In Zusammenarbeit mit der Hamburger Inline-Skating Schule untersuchen wir seit drei Jahren Senioren anlässlich eines aktiven Bewegungsurlaubs (Skilanglaufen) zu Beginn und am Ende des Kurses ( t: 2 Wochen). Die Gleichgewichts-Leistung wird auf dem Messkreisel einbeinig gemessen. Nach einer Gewöhnungsphase (max. 45 s) sollen die Senioren jeweils links und rechts 45 Sekunden balancieren. Zwischen den beiden Versuchen liegt eine Pause (ca. 45 s). 12 tbal., netto/rmsxyz links rechts 0 Eingang Ausgang Retention Abb. 1: Gleichgewichts-Leistung (monopedal: t Bal., /RMS xyz ) der Senioren (N= 12) 30

32 Die Gleichgewichts-Leistung der Senioren (N= 26; Alter: 57,8 Jahre; SD 6,53) verbessert sich signifikant (t-test: t re = 2.204, t li = 2.565; p:< 0.05). Dabei erzielt die Untergruppe diejenigen Teilnehmer (N= 12; Alter 58,6 Jahre; SD 4,43), die schon im Jahre 2001 an der Veranstaltung teilgenommen hatte, höhere Werte und kann eine Verbesserung auch noch nach ca. 6 Wochen reproduzieren (Abb. 1: Anova (2x3) Haupteffekt Zeit: F(2,44)=9.05; p<.0005). Deren Gleichgewichts-Leistung wird dabei weniger von einer längeren Balancier-Zeit als vielmehr von einem ruhigeren Stand auf dem Messkreisel bestimmt. 4.2 Training des zweitbesten Beins! Um eine Maßnahme zur Umknickprophylaxe (Zähneputzen auf dem Turnkreisel) kontrollieren zu können, haben wir zwei Lehrveranstaltungen (Sportspiel: Rückschlagspiele vs. Projekt: Inline-Skaten: je N=12) miteinander verglichen (Tapper 2002). Nach der Bestimmung der Eingangs-Leistung in beiden Gruppen erhielt jeder Rückschlagspieler für vier Wochen einen Kreisel mit der Maßgabe, darauf das tägliche Zähneputzen zu verrichten. Die Datenerhebung erfolgte analog zum o.a. Vorgehen. Mit einem t-test lassen sich im Unterschied zur Inlne-Skating-Gruppe in der Sportspiel-Gruppe signifikante Interventionseffekte (tl&r= 7,13; p < 0,001) nachweisen (Abb. 2). tbal./rmsxyz Rückschlagspieler Inline-Skater 1.0 Eingang Ausgang Abb. 2: Gleichgewichts-Leistung (monopedal: t Bal., /RMS xyz ) der Sportstudenten (N= 12) Es bleibt fraglich, ob die nachgewiesenen Interventionseffekte auch handlungswirksam werden können (vgl. Handoll et al., 2002) und erhalten bleiben. Dies konnten wir bisher nur in einer Retentions-Studie (Uni OL: N= 6; t 1-3 : 10 Wochen) nachweisen (t-test: t t1-t3 ): 2.485; p < 0,05). 5 Problembereiche: Die benutzten Auswertemethoden müssen hinsichtlich ihrer Relevanz für die Abbildung einer dynamischen Gleichgewichts-Leistung überdacht (z.b. movingwindows SD) oder u.u. um komplexere Verfahren der Signalanalyse (Phasen-, bzw. Frequenz-Darstellungen etc) erweitert werden, um die zugrunde liegenden sportart- /aufgabenspezifische Kontroll-Strategien (vgl. Vuillerme et al., 2001) in der individuellen Variabilität auf dem Messkreisel abbilden zu können. So zeigen z.b. Joga-erfahrene Senioren ein in den Raumebenen deutlich unterschiedliche Frequenzspektren (ant-post: breitbandiges Rauschen; lat: differenzierte Peaks). Die aufgezeigten Möglichkeiten, so eine geschicktere Koordinations-Leistung zu erhalten bzw. auch im höheren Alter zu verbessern, sollten in ihrer Bedeutung für eine Stabilisierung des Selbstwertgefühls diskutieren werden. Die von den jeweiligen Kursleiter konstatierte Veränderungen der Befindlichkeit bei den teilnehmenden Senioren könnten mit einer Befragung auch empirisch dokumentiert werden. Für die nächsten Untersuchung (LH 2003) beabsichtigen wir daher, Fragebögen zur 31

33 sportspezifischen Selbstwirksamkeitsüberzeugung (Skilanglauf, Balancieren auf dem Kreisel) einzusetzen (vgl. Bund 2001). Abstract: The ankle exercise board can be used as an instrument quantifying human balance skills. However, this requires an appropriate recording of the board movement. Using the theory of generalizing integrated navigation systems, we apply a corresponding motion measurement system. The increase of balance performance on the ankle disk ( t: 45 sec.) is indicated by the quotient of net balance time (t bal.,net ) and the standard deviation of the angle positions of phi, theta and psi (RMS xyz ). To illustrate the application and the utility of the measurement system, some aspects of investigating the balance skills of elderly adults and students of physical education are presented. In the first experiment elderly adults (N= 26) are investigated during a cross-country journey. The measurements are taken at the beginning and the end of the course. The improvement of the balance performance on the measure disk confirms the efficiency of motor exercise in the elderly. In the second experiment we study the relation between prevention of ankle sprain and the postural control of students (N= 24). Participants are asked to stand daily on an ankle exercise board while they brush their teeth. The results show the efficiency of the interventions in the treatment group compared to the control group. Finally, it is argued that our research on balance performance can add new tools and methodologies to describe the results of interventions in postural control more precise. Keywords: Postural control; supra-postural tasks; measurement system; interventions in balance performance; 32

34 In: International Journal of Computer Science in Sport, Special Edition 1, (internet-publication: Zugriff am AN INSTRUMENT QUANTIFYING HUMAN BALANCE SKILLS: ATTITUDE REFERENCE SYSTEM FOR AN ANKLE EXERCISE BOARD Jörg F. Wagner Technical University of Hamburg-Harburg, Section of Mechanics and Ocean Engineering, Hamburg, Germany Volker Lippens University of Oldenburg, Institute for Sport Science, Germany Volker Nagel University of Hamburg, Department of Sports Science and Human Movement, Germany Michael M. Morlock, Matthias Vollmer Technical University of Hamburg-Harburg, Section of Biomechanics, Germany Abstract The ankle exercise board can be used as an instrument quantifying human balance skills and learning strategies. However, this requires an appropriate recording of its movement. Using the theory of integrated navigation systems as well as simulation and experimental data, a corresponding motion measurement system was developed and qualified: Modelling the vehicle kinematics is an essential design task of such integrated systems. It has to consider both the vehicle motion and the mechanical meaning of the used measurements. Up to now, a rigid body with three translational and three rotational degrees of freedom represents the typical model applied. However, for an ankle exercise board, which is in fact a hemisphere oscillating on the floor, the design of a special attitude measurement system is possible. It is based on a model with only three rotational degrees of freedom and on considering spatially distributed accelerometers. The utilised data fusion employs nevertheless the same principle as for integrated navigation systems. It comprises additionally three micro-mechanical gyros as well as a Kalman filter estimating the three Euler angles of the board and sensor calibration values. To illustrate the application of the system, aspects of observing the rehabilitation process after ankle ligament injuries conclude the paper 33

35 Introduction It is a well-known fact that during the last decades the technology of inertial navigation systems has experienced extraordinary changes. The importance of the classical mechanical sensors decreased in favour of optical and micro-mechanical devices, strapdown systems replaced in many cases stabilised platforms, and satellite navigation provides meanwhile accurate complementary measurements. Thus, by also profiting from modern microprocessor technology, integrated navigation systems based on inertial sensors became significantly cheaper and are no longer left for a limited section of users. One essential element of the system design remained unchanged during this time. It concerns the mathematical model describing the vehicle kinematics as well as the mechanical meaning of the measurements: For spatial movements, a rigid body with three translational and three rotational degrees of freedom is usual, and for the motion on a surface, particularly car navigation systems, a rigid body with two translational and one rotational degree of freedom is applied. In addition, all measurements are normally referenced to one vehicle point (Farrell & Barth, 1999). However, neither the restriction to the two mentioned model types, nor the spatial sensor accumulation are mandatory: The ankle exercise board, being in fact a hemisphere oscillating on the floor and with a footboard attached, is a special vehicle with (only) three rotational degrees of freedom. It can be used as an instrument quantifying human balance skills and learning strategies. Yet, this requires an appropriate recording of its movement. Thus, using the technology of integrated navigation systems a particular attitude measurement system is was designed, which employs spatially distributed accelerometers. The intention of the paper is to introduce the measurement system and to illustrate its use. The next chapter explains the principle of integrated navigation systems, and outlines the special system design and test. Afterwards, by observing the rehabilitation process after ankle ligament injuries, an illustration of the system application follows. Measurement Method Principle of Integrated Navigation Systems The basic idea of integrated navigation systems is to fuse measurements with different mechanical meaning. Figure 1 shows the basic scheme of such systems (bold letters denote vectors). The upper left block represents the vehicle with an input u (like angular rates) causing the vehicle movement. This motion is described by a certain set of state variables x. Based on x, the upper right block provides a first set of data, the aiding measurements. A second set of data (representing u ) forms the output of a device denoted by inertial measurement unit (IMU), which comprises especially inertial sensors. Based on u, the block vehicle model, containing a mathematical representation of the vehicle kinematics, determines an estimate xˆ for the unknown state x. The block marked with aiding model describes the meaning of the first measurement group to derive estimates ŷ from xˆ. Finally, the control 34

36 input u vehicle state x, u aiding device measurements y reality filter IMU vehicle model estimation xˆ u aiding model estimation + y ˆ - control Figure 1. Basic data fusion principle of integrated navigation systems. block has the task to minimise the differences between x by xˆ using the aiding of the comparison result y ŷ. (Wagner & Wieneke (2002) give additional background information.) Typically, the design of the control device is part of an extended Kalman filter layout (Gelb, 1989). Following usual notations for the filter, the general estimation formulation of the vehicle model is a set of nonlinear differential equations x & ˆ = f(xˆ, u), (1) which have to be solved numerically. The aiding model reads accordingly: y ˆ = h(xˆ, u). (2) The main design task for the measurement system of the ankle exercise board is to choose the vectors u and y and to formulate the functions f and h as given below. Measurement System Design The ankle exercise board is in fact an oscillating hemisphere. Approximately, there is no sliding movement, where the device contacts the floor. Thus, it is possible to model the board as a rigid body with only (three) rotational degrees of freedom. This means that the motion measurement system has solely to determine the attitude of the board. As the angular rate of the board is rather high, the use of classical inclinometers is not advisable (see below). Instead, the system design started out from the following assumptions: - recording of the angular rate vector by 3 low cost micro-mechanical gyros, - considering the direction of gravity measured by 3 low cost accelerometers, - estimation of approximately constant scale factor corrections for all sensors. These points mean that the attitude determination includes an aiding of the tilt angles by processing the accelerometer signals. In addition, an online calibration of the low cost sensors shall improve the accuracy. 35

37 ρ d C M ξ φ A g ψ Z X Y ζ P η φ roll θ pitch ψ yaw To derive the functions f and h, Figure 2 contains the essential geometric variables and parameters of the board: At first, two co-ordinate systems are introduced the body fixed ξηζ-frame and the floor fixed XYZ-frame. Because of moderate accuracy requirements ( 1 ) and the use of low cost sensors, the latter shall be regarded as an inertial system. P is the point where the hemisphere touches the floor, M and ρ are the middle and the radius of the section circle, C is the board s centre of gravity, and the distance between C and M is d. g marks the gravity (direction of the local vertical), and A the position of an accelerometer. Following usual definitions of mechanics, three Euler angles φ, θ and ψ describe the attitude of the board. (The θ-rotation axis is intermediate between the Y- and the η-axis and is not depicted in Figure 2.) These angles are the first three state variables. Wertz (1985) provides the relation between the time derivatives of the angles and the measured angular rate vector u = ω (expressed in body fixed coordinates [ω ξ, ω η, ω ζ ] T ). The additional inclusion of scale factor corrections x 4,, x 9, which are, as mentioned, approximately constant and equal to one, leads to f : φ& x 4ωξ + x5ωη sin φ tan θ + x6ωζ cosφ tan θ θ& ω φ ω φ x5 η cos x6 ζ sin ψ& &x = = x5ωη sin φ / cosθ + x 6ωζ cosφ / cosθ (3) x& 4 0 Μ Μ x& 0 9 The accelerometers are the aiding signal sources. To obtain the corresponding function h, the rolling motion of the hemisphere on the floor is authoritative. Denoting for instance the inertial velocity vector of point A with v A and for example the vector from M to A with r MA, the corresponding derivation reads: v v P A = v = v M M Figure 2. Geometry and co-ordinate frames of the ankle exercise board. + ω r + ω r MP MA = 0 v& M = ω& rpm (as rmp is constant and rpm = rmp ), v& = v& + ω& r + ω ( ω r ). A M MA Eliminating v& M from the second differential equation by the first one leads to the acceleration of point A. As an accelerometer senses also the negative gravity, the measurement vector is: a = v& g = ω& r + ω ω r ) g (4) A A PA ( MA MA 36

38 Only that component of a A is of interest, which coincides with the relevant sensor input axis. This results in a scalar equation. The function h consists of such relations (one for each of the accelerometers) and considers herewith their spatial distribution. It must also include the scale factor corrections x 7,, x 9 and is a function of ω &= u&. (Within the bounds of the design, the determination of ω& is achieved by numerical differentiation.) Testing the Measurement System A plain way of testing the system approach is filtering artificial measurements generated by means of simulating the board dynamics. Thus, falsified sensor signals of u and y, using wrong scale factors and additional white noise according to sensor specifications, were the basis for the adjustment and testing of the Kalman filter. The error parameters were consistent with the data sheets of the sensors chosen for the system realisation: - Gyros: Murata ENV 05D (range: ± 80.s -1, order of relative accuracy 10%) - Accelerometers: Seika B1 (range: ± 3 g, order of relative accuracy 1%) Typically, such a simulation consists mainly of numerically integrating a certain system of ordinary differential equations. For the derivation of the required mathematical relations (which is a classical task of mechanics), the principle of d Alembert for nonholonomic systems was used (Müller & Schiehlen, 1985; Schiehlen, 1986). Denoting with m the mass of the board, and with c a damping coefficient (to model a slight friction), the result for free oscillations of the board on the floor reads: with: 0 G = G G φ& θ& ψ& ω& x ω& y ω& z (cos ψ ωx + sin ψ ωy )/ cos θ = sin ψ ωx + cos ψ ω y, ( cos ψ ωx + sin ψ ωy) tan θ + ωz T 1 T = ( J + ml L) (ml ( g Gω) cω ( ω Jω)), sin ψ sin φ + cosψ sin θcosφ T J = J + = ψ φ + ψ θ φ J 2jj, j cos sin sin sin cos, cosθcosφ 0 ρ + d cos θcos φ d( cos ψ sin φ sin ψ sin θcos φ) L = L 0 d(sin ψ sin φ + cos ψ sin θcos φ) 12, L13 L23 0 d((cosψsin φ sin ψsin θcosφ) ωx d(cosθcosφ ωx + ( sin ψ sin φ + cosψ sin θ cosφ)ωy ) ( sin ψsin φ + cosψsin θcosφ)ω d(cosθcosφ ωy 0 + ( cosψsin φ sin ψsin θcosφ)ω G 0 23 As the yaw angle is not aided by the direction of gravity, it is the most critical estimation variable. Thus, the following test results confine themselves to ψ. Based on simulation parameters typical for a customary ankle exercise board, Figure 3 (5a) (5b) z z ). ) 37

39 0 yaw angle [ ] simulation filter filter without scale factors filter with simplified equation (4): a A = g time [s] Figure 3. Yaw angle estimation with different filter variants. presents a filtering outcome. The lines of the chosen filter configuration (dotted) and of the simulation reference (solid) differ only little. The deviations have an order of 0.1 and illustrate the suitability of the chosen system approach. However, omitting the estimation of the scale factor corrections (which means to reduce the number of state variables of equation (3) to 3), leads to a significant deterioration. Simplifying equation (4), which corresponds to replacing the accelerometers by inclinometers, has even a more adverse effect. Necessarily, simulation based tests require actually a completion by processing real measurement data. For this, six sensors of the types given above were assembled as depicted in Figure 4. The signal recording was made by a PCMCIA-card of a laptop, which included an analog-digital-converter of six channels as well as the sensor power supply. To check the quality of the real data filtering, an independent, optical test procedure was applied. It consisted mainly of a high-speed camera with a picture rate of 60 Hz and a picture-processing tool. Figure 5 illustrates the experimental arrangement to check the estimation of ψ. In parallel to the camera, the inertial sensors recorded the manually excited board motion with a sample rate of 100 Hz. 38

40 Figure 6 contains the result of such a comparing measurement. The solid line represents the filter estimation for ψ, the dotted line corresponds to the pictureprocessing outcome. The difference between both curves is small (it is mainly caused by an incomplete sensor bias compensation due to the limited stability and the resolution of the used analog-digital-converter). Thus, the measurement system performance is sufficient for the intended use. (Wagner, Lippens, Nagel, Morlock & Vollmer (2001) present some more details about the system design, especially regarding a favourable sensor placement.) As an example of the normal use of the measurement system, Figure 7 shows finally a typical time series of the three Euler angles, which were generated during the test phase by an unpractised subject. Application Examples ζ gyro η accelerometer ξ Figure 4. Realised sensor assembly. high-speed camera (60 Hz) ψ Figure 5. Independent reference measurement. 39