Altersbedingte Veränderungen: muskuläre Funktionen
Bezüglich der altersdifferenzierten Anpassung des AnyBody Menschmodells zur Bestimmung der muskulären Beanspruchung sowohl von statischen Körperhaltungen als auch von dynamischen Bewegungen bei der Arbeit mit einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm müssen zwei wesentliche Aspekte analysiert und in das Modell integriert werden. So sind neben einem detaillierten Kenntnisstand über die mit dem Alterungsprozess einhergehenden Veränderungen anthropometrischer Maße sowie deren Integration in das Modell (siehe Blogbeitrag Mai), biomechanische Bewegungsmuster sowie muskuläre Veränderungen zu analysieren.
Diese Analyse soll im Rahmen des Forschungsprojektes sowohl auf eigenen empirisch erhobenen Daten (siehe zukünftige Beiträge zur altersdifferenzierten Analyse von Bewegungsbahnen sowie muskulärer Aktivierung) als auch auf literaturanalytisch erhobenen Erkenntnissen basieren. Der aktuelle Beitrag fokussiert literaturanalytisch altersbedingte muskuläre Veränderungen auf dessen Basis die dem AnyBody Modell zugrunde liegenden Muskelmodelle angepasst werden sollen.
Muskelmodelle des AnyBody Menschmodells
Das AnyBody Grundmodell besteht aus 22 Starrkörper, 23 Gelenke und 456 Muskeln. Zur Modellierung der Muskeln differenziert das Modell zwischen drei Muskelmodellen, welche in das Menschmodell integriert und auf dessen Basis die entsprechenden Analysen hinsichtlich muskulärer Beanspruchung ausgeführt werden können.
- Das „einfache“ Muskelmodell definiert eine konstante Beanspruchbarkeit, d.h. eine maximal mögliche Kraft je Muskel.
- Im Rahmen des zweiten Muskelmodells wird die Beanspruchbarkeit basierend auf der aktuellen Muskellänge und Kontraktionsgeschwindigkeit des Muskels definiert.
- Das dritte und „komplexeste“ Muskelmodell basiert auf einer Vielzahl von Parametern:
wie bspw. Elastizität der Muskeln und Sehnen, Winkel zwischen Muskelfaser
und Sehne (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Grafische Darstellung des Aufbaus eines Muskels (Bartels, 2001)
Zur Berechnung der internen Muskelkräfte wird von der AnyBody Software die Methodik der inversen Kinematik angewandt und die Beanspruchung des Menschmodells anhand der Muskelaktivierung, d.h. die vom Muskel erzeugte Kraft in Bezug zur maximal möglichen Kraft, gemessen. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen für die altersdifferenzierte Adaption das erste und zweite Muskelmodell betrachtet und entsprechend angepasst werden. Eine altersdifferenzierte Anpassung basierend auf dem ersten Muskelmodell verlangt umfangreiche Kenntnisse über die Maximalkräfte der verschiedenen involvierten Muskeln bzw. altersbedingte Veränderungen der Muskelkraft. Für eine altersdifferenzierte Adaption des zweiten Modells sind entsprechend Kenntnisse über die mit dem Alter einhergehenden Veränderungen der Muskelgeometrie sowie Kontraktionsgeschwindigkeit nötig.
Im Folgenden wird ein grober Überblick über die in der Literatur diskutierten Ansätze und Erkenntnisse zu altersdifferenzierten Veränderungen von Muskelkräften sowie hinsichtlich Muskelgeometrie und Kontraktionsgeschwindigkeit vorgestellt auf dessen Basis die Adaption der beiden Muskelmodelle vorgenommen werden soll.
Altersdifferenzierte Veränderungen der Muskelkraft
(Anpassung des ersten Muskelmodells)
Bei den meisten Daten bezüglich altersbedingter Veränderungen muskulärer Funktionen handelt es sich um Querschnittsdaten, aber auch durch die wenigen Daten aus Längsschnittsstudien konnte eine altersbedingte Abnahme der Muskelkraft bestätigt werden (Aniansson et al. 1986, Kallmann et al. 1990). Während einige Autoren von einem mit dem Alter einhergehenden relativen konstant abnehmenden Verlauf der Muskelkraft ausgehen, fokussieren die meisten Forscher in diesem Bereich einen anderen Ansatz. Sie gehen davon aus, dass die muskuläre Beanspruchbarkeit bis zu einem Alter von ca. 45 Jahre nahezu konstant bleibt und sich danach jedes Jahrzehnt im Mittel eine 5%ige Abnahme statischer und dynamischer Muskelkraft sowie eine Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit einstellt (siehe bspw. Murray et al.1980).
Auch Asmussen (1980) und Shepard (1987) gehen davon aus, dass sich die muskulären Funktionen bis zu einem Alter von 45 Jahren kaum verändern, insgesamt über das Erwachsenenalter betrachtet jedoch ein Kraftverlust von 30% bis 40% gemessen werden kann. So dass mit 65 Jahren im Mittel von einer Kraftverringerung von 25% auszugehen ist.
Abbildung 2: Altersbezogener Kraftverlauf von drei Muskelgruppen (Brooks & Faulkner 1993)
Abbildung 2 zeigt zusammenfassend, als Ergebnis verschiedener Studien (Asmussen 1980, Larsson et al. 1979, Young & Crowe 1984, Young & Crowe 1985), den mit dem Alterungsprozess einhergehenden Verlauf der isometrischen Muskelkraft bezogen auf drei Muskelgruppen (Rücken-, Arm- und Bein-Muskulatur). Unabhängig von kleinen Unterschieden bezüglich der untersuchten Muskelgruppen sowie durchgeführten Studien kann ein negativer Verlauf der Muskelkraft zwischen einem Alter von 30 bis 80 Jahren von 30% bis 40%. bestätigt werden. Vergleicht man die drei Muskelgruppen untereinander, so ist der altersbedingte Verlust der Muskelkraft in den unteren Extremitäten stärker ausgeprägt als in den oberen Extremitäten.
Allen et al. (1960) sowie Tzankoff & Norris (1977) konnten einen kausalen Zusammenhang zwischen dem Verlust statischer und dynamischer Muskelkraft und einer Verringerung der Muskelmasse ermitteln. Dabei kann die Verringerung der Muskelmassen mit einer verringerten Anzahl von Muskelfasern oder der Fasergröße bzw. beiden Aspekten zusammenhängen. In verschiedenen Studien konnte jedoch gezeigt werden, dass die individuellen Muskelfasern bis zu einem Alter von 60 Jahren nur wenigen Veränderungen unterliegen, so dass insbesondere die Anzahl der Muskelfasern Einfluss auf die abnehmende Muskelmasse haben müssen (Sato & Tauchi 1982).
Altersdifferenzierte Veränderungen der Muskelgeometrie und Kontraktionsgeschwindigkeit (Anpassung des zweiten Muskelmodells)
Die Muskel-Kontraktionsgeschwindigkeit sowie auch die (halbe) Erholungszeit verlängern sich mit ansteigendem Alter. Dieses Phänomen konnte von verschiedenen Autoren für unterschiedliche Muskeln, bzw. Muskelgruppen, d.h. sowohl für große als auch für kleine Muskelgruppen, nachgewiesen werden (siehe bspw. Larsson et al. 1979, Vandervoort & McComas 1986, Davies & White 1983, McDonagh et al. 1984).
Dabei unterliegt die Kontraktionsgeschwindigkeit jedoch im Vergleich zur Abnahme der Muskelkraft geringeren Altersverläufen. So konnte Larsson (1978) bspw. in einer Studie mit 60 bis 69 jährigen Probanden zeigen, dass die maximale Kontraktionsgeschwindigkeit im Knie im Mittel um 7% abnimmt während die Muskelkraft zwischen 26% und 38% abnimmt. Dabei geht Larsson davon aus, dass die Reduzierung der Kontraktionsgeschwindigkeit durch eine Veränderung der Muskelqualität und nicht Veränderungen hinsichtlich der Muskelquantität begründet werden kann.
Diese Annahme konnte auch Aniasson et al. (1980) in einer Studie mit 70jährigen Frauen und Männern bestätigen. Während große geschlechterspezifische Unterschiede bezüglich der Muskelmasse nachgewiesen werden konnten, wurden keine Unterschiede bezüglich der Kontraktionsgeschwindigkeit zwischen den weiblichen und männlichen Probanden ermittelt. Es ist also davon auszugehen, dass die Muskelmasse keinen Einfluss auf die Kontraktionsgeschwindigkeit hat sondern diese von anderen Aspekten bzw. Veränderungen abhängt.
Anpassung des AnyBody Menschmodells basierend auf den ermittelten Daten
Die Adaption des AnyBody Menschmodells hinsichtlich altersbedingter Veränderungen muskulärer Funktionen soll im Rahmen des Forschungsprojektes basierend auf dem ersten und zweiten Muskelmodell vorgenommen werden. Die Anpassung soll insbesondere hinsichtlich der bei der exemplarischen Aufgabenstellung (Pointing-Aufgabe an einem berührungssensitiven großflächigen Bildschirm) involvierten Muskulatur des Schulter-Armbereichs vorgenommen werden. Bei der Anpassung sollen verschiedene Ansätze analysiert, integriert und gegeneinander ab gewägt werden. Da keine altersdifferenzierten Normdaten für Maximalkräfte sowie hinsichtlich der Muskelgeometrie und Kontraktionsgeschwindigkeit vorliegen, wird die Anpassung einerseits basierend auf den hier vorgestellten literaturanalytischen Erkenntnissen sowie andererseits, insbesondere hinsichtlich der Anpassung des ersten Muskelmodells, basierend auf empirischen erhobenen Daten vorgenommen. So sollen mittels Elektromyographie (EMG) Maximalkräfte sowie Muskelaktivitäten bei der Ausführung von Pointing-Aufgaben an einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm für jüngere sowie ältere Probanden erhoben und in das Muskelmodell integriert werden. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass mittels EMG-Analysen ausschließlich die Muskelaktivierung von Oberflächenmuskulatur bestimmt werden kann. Aussagen über „innen liegende Muskeln“ können so nicht gemacht werden.
Literatur
[Allen et al. 1960] Allen, T.H., Anderson, E.C., Langham, W.H. (1960). Total body potassium and gross body composition in realtion to age. Journal of Gerontology 15: 348-357.
[Aniansson et al. 1986] Aniansson, A., Hedberg, M., Henning, G.-B., Grimby, G. (1986). Muscle morphology, enzymatic activity, and muscle strength in elderly men: A follow-up Study. Muscle Nerve 9: 585-591.
[Asmussen 1980] Asmussen, E. (1980). Aging and exercise. In Horvath & Jousef (Eds) Enviromental physiology: aging, heat and altitude, pp. 419-428, Elsevier, New York.
[Bartels 2001] Bartels H. (2001). Physiologie: Lehrbuch und Atlas. München, Wien, Baltimore: Urban und Schwarzenberg.
[Davies & White 1983] Davies, C.T.M., White, M.J. (1983). Contractile properties of elderly human triceps surae. Gerontology 29:19-25.
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[Sato & Tauchi 1982] Sato, T., Tauchi, H. (1982). Age changes in human vocal muscle. Mechanisms of Aging and Development 18: 67-74.
[Shepard 1987] Shepard, R.J. (1987). Physical activity and aging, 2nd ed., Croom Helm Publishing, London.
[Tzankoff & Norris 1977] Tzankoff, S.P., Norris, A.H. (1977). Effect of muscle mass decrease og age-related BMR changes. Journal of Applied Physiology 43: 1001-1006.
[Vandervoort & McComas 1986] Vandervoort, A., McComas, A.J. (1986). Contractile changes in opposing muscles oft he human ankle joint with aging. Journal of Applied Physiology 61: 361-367.
[Young & Crowe 1984] Young, A.M.S., Crowe, M. (1984). Size and strength of the quadriceps muscle of old and young women. Eur. J. Clin. Invest. 14: 282-287.
[Young & Crowe 1985] Young, A.M.S., Crowe, S. (1985). The size and strength of the quadriceps muscles of old and young men. Clin. Physiol. 5: 145-154.
Den Bericht für Mai finden Sie hier: http://blog-becker-stiftung.de/?p=3137
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