Zur Bedeutung passiver Muskeleigenschaften für die menschliche Bewegungskoordination: Simulationsexperimente mit einem biomechanischen Armmodell und aktiver Muskelsteuerung
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München
Utz, Wiss.
2001
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| Series: | Medizin
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis VII
INHALTSVERZEICHNIS
1 BEWEGUNGSKOORDINATION UND MUSKELEIGENSCHAFTEN 1
1.1 Zur Bedeutung der Koordination I
1.2 Bernsteinsansatz 4
13 Muskeltonus 12
1.4 muskelst1ffness 23
1.5 Fazit zum Stand der Forschung 26
2 FRAGESTELLUNG 28
3 METHODIK 31
3.1 Biomechanisches Modell 35
3.1.1 Anatomisch-physikalisches Mehrkörpermodell 36
3.1.2 Neuro-physiologisches Muskelmodell 57
3.2 Bewegungsanalyse 87
3.2.1 Meßsysteme SS
3.2.2 Versuchsbeschreibung 91
3.2.3 Auswertung der Bewegimgsanalyse 95
3.3 Simulation 99
3.3.1 Simulationssoftware 100
3.3.2 Simulationen von Armbewegungen 103
3.3.3 Auswertung der Simulationen 109
4 ERGEBNISSE 112
4.1 Vergleich von Bewegungsanalyse und Simulation 112
4.2 Simulationsexperimente 124
4.2.1 Tonusänderung aller Muskeln 124
4.2.2 Selektive Tonusänderung von Beuge- und Streckmuskulatur 135
4.2.3, Stiffnessbetrachtung 142
4.2.4 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse 145
5 DISKUSSION 147
5.1 Methodisches Vorgehen 147
5././ Modellbildung 147
5.1.2 Generelle Methodik 151
5.2 Passive Muskeleigenschaften und Koordination 155
5.3 Theorien der Bewegungskoordination 162
5..?. / Klassische Programmtheorie 162
5.3.2 Schematheorie 163
5.3.3 Equilibrium Point Hypothese 164
5.3.4 Bernsteins Hypothesen 166
5.4 Lernen 168
6 ZUSAMMENFASSUNG 172
ANHANG 177
VIII Inhaltsverzeichnis
A.l Berechnung der Koordinaten des Armmodells 177
Annahmen für die Koordinatenberechnungen 177
Anpassung der Koordinaten 177
Berechnung weiterer Koordinaten ISO
Bestimmung der entgültigen Koordinaten 180
A.2 Berechnung der Muskelumlenkpunkte und Momenten arme 181
Bizeps 181
Trizeps 183
Delta 186
A.3 Muskellängenberechnungen 190
A.4 Muskelgleichungen 199
Kraft-Längen-Geschwindigkeits-Zusammenhang 199
Herleitung der Muskelgleichung nach Van Soest (1992) 203
LITERATUR 206
Abbildungsverzeichnis IX
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abb. 1: Open-Loop-System (a) und Closed-Loop-System (b) 5
Abb. 2: Das Sarkomer in Ruhelage (oben) und in kontrahiertem Zustand
(unten) (aus de marees, 1989) 15
Abb. 3: Reflexmechanismen (in Anlehnung an McMahon, 1984) 16
Abb. 4: EMG des Dehnungsreflex (aus Matthews, 1991) 17
Abb. 5: Simulationsprinzip 36
Abb. 6: Armmodell schematisch: lOA: Länge des Oberarms; lUA: Länge
des Unterarms; lHA: Länge der Hand; rCM: Abstand des
Massenschwerpunktes vom proximalen Gelenk; SG-Winkel:
Schultergelenkwinkel; EG-Winkel: Ellenbogengelenkwinkel 37
Abb. 7: Muskelzüge mit Umlenkungen (schematisch) 49
Abb. 8: Modellierung der „Teilmuskeln des Trizeps (schematisch) 50
Abb. 9: Momentenarme des vorliegenden Armmodells 53
Abb. 10: Literaturdaten der Momentenarme von Bizeps und Trizeps (nach
Murray et al. 1995) 54
Abb. 11: Einfaches Mehrkörpermodell 55
Abb. 12: Zentrale Stellung der Bewegungsgleichungen im
simulationsprozeß 56
Abb. 13: Komponenten des Muskelmodells 59
Abb. 14: Stimulation u(t), freie Kalziumionenkonzentration t(t),
Aktivität q(t) im Simulationsmodell 62
Abb. 15: Kraft-Längen-Zusammenhang nach Ramsey Street(1940) 63
Abb. 16: Kraft-Längen-Zusammenhang nach Gordon et al. (1966) 64
Abb. 17: Kraft-Längen-Beziehung des kontraktilen Elements (CE) 65
Abb. 18: Kraft-Geschwindigkeits-Zusammenhang nach Hill (1938) 66
Abb. 19: Kraft-Geschwindigkeits-Zusammenhang in Abhängigkeit von
der länge und der aktivität des kontraktilen elements 70
Abb. 20: Der gemessene Kraft-Geschwindigkeits-Zusammenhang in
Abhängigkeit von der Impulsfrequenz (Joyce Rack. 1969). Dif.
Darstellung erfolgt hier im Vergleich zur Abbildung 19 um die y-
achse gespiegelt 71
Abb. 21: Kraft-Längen-Beziehung des seriellen Elements (SE) 77
Abb. 22: Kraft-Längen-Zusammenhang des parallelen Elements (PE) 78
Abb. 23: Zusammenhang von Muskelmodell und Mehrkörpermodell; SE
= SERIELLES ELEMENT. PE = PARALLELES ELEMENT, CE = KONTRAKTILES
Element, AE = Aktivierungselement 79
Abb. 24: Kraft-Geschwindigkeits-Zusammenhang mit Linearisierung
(hier zur Verdeutlichung mit lin=0,97 dargestellt) 83
Abb. 25: Auswirkung der Änderung von f)a, 86
Abb. 26: Bewegungen und Schablonen 92
Abb. 27: Laboraufbau und Kameraposition 94
Abb. 28: EMG (links) und Bang-Bang-Stimulation (rechts) von Bizeps
und Trizeps 98
Abb. 29: Ablauf von Simulation und Experiment (die gepunkteten Groben
wurden in dieser arbeit nicht berechnet) 100
i Abb. 30: Prinzipieller Aufbau von S1MPACK (DLR) 101
I
X Abbildungsverzeichnis
Abb. 31: Trajektorien des Fingermarkers (links Experiment, rechts
Simulation, von oben nach unten: GK, KK, HK) 114
Abb. 32: Winkel-Winkel-Diagramme (links Experiment, rechts
Simulation, von oben nach unten: GK, KK, HK; Der
Bewegungsbeginn befindet sich jeweils links in der Nähe der
Ordinatenachse) H5
Abb. 33: Geschwindigkeit verlauf des Ellenbogengelenkwinkels (links
Experiment, rechts Simulation, von oben nach unten: GK, KK, HK) 116
Abb. 34: Geschwindigkeitsverlauf des Schultergelenkwinkels (links
Experiment, rechts Simulation, von oben nach unten: GK, KK, HK) 117
Abb. 35: Verlauf der Bahngeschwindigkeit des Fingerpunktes (links
Experiment, rechts Simulation, von oben nach unten: GK, KK, HK) 118
Abb. 36: Bewegungsdauer des Fingermarkers in den Phasen (von oben
nach unten: GK, KK, HK) 120
Abb. 37: Vergleich der Muskelstimulation von GK (gestrichelt:
Phaseneinteilung) 121
Abb. 38: Vergleich der Muskelstimulation von KK (gestrichelt:
Phaseneinteilung) 122
Abb. 39: Vergleich der Muskelstimulation von HK (gestrichelt:
Phaseneinteilung) 123
Abb. 40: Trajektorien des Fingermarkers bei der groben Kreisbewegung
(oben: Ausgangsbewegung, die prozentuale Änderung des
Muskelparameters ffa( ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 126
Abb. 41: Trajektorien des Fingermarkers bei der kleinen Kreisbewegung
(oben: Ausgangsbewegung, die prozentuale Änderung des
Muskelparameters ffac ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 127
Abb. 42: Trajektorien des Fingermarkers bei der Umkehrbewegung (oben:
Ausgangsbewegung, die prozentuale Änderung des
Muskelparameters FFAr ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 128
Abb. 43: Räumliche Differenz des Fingermarkers zur Ausgangsbewegung
bei der großen kreisbewegung (die prozentuale änderung des
Muskelparameters FFAr ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 129
Abb. 44: Räumliche Differenz des Fingermarkers zur Ausgangsbewegung
bei der kleinen kreisbewegung (die prozentuale änderung des
Muskelparameters ffa1- ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 129
Abb. 45: Räumliche Differenz des Fingermarkers zur Ausgangsbewegung
bei der Halbkreisbewegung (die prozentuale Änderung des
Muskelparameters ffa( ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 130
Abb. 46: Vergleich der räumlichen Differenz des Fingermarkers zur
Ausgangsbewegung zwischen den verschiedenen Bewegungen (die
prozentuale änderung des muskelparameters ffac ist in den
einzelnen grafiken angegeben) 130
Abb. 47: Differenz der mittleren Geschwindigkeit des Fingermarkers von
der ausgangsbewegung bei der groben kreisbewegung (die
prozentuale änderung des muskelparameters ffac ist in den
einzelnen grafiken angegeben) 132
Abb. 48: Differenz der mittleren Geschwindigkeit des Fingermarkers von
der Ausgangsbewegung bei der kleinen Kreisbewegung (die
Abbildungsverzeichnis XI
prozentuale änderung des muskelparameters f,,a, ist in den
einzelnen Grafiken angegeben) 132
Abb. 49: Differenz der mittleren Geschwindigkeit des Fingermarkers von
der Ausgangsbewegung bei der Halbkreisbewegung (die
prozentuale änderung des muskelparameters f, a, ist in den
einzelnen Grafiken angegeben) 133
Abb. 50: Gegenüberstellung von räumlicher Abweichung und
Geschwindigkeitsdifferenz für eine Parameteränderung von 2% 133
abb. 51: flngertrajektorie während der ersten bfwegungsphase der
Umkehrbewegung (die prozentuale Änderung des
Muskelparameters f,a, ist in den einzelnen Grafiken angegeben) 134
Abb. 52: Gegenüberstellung von räumlicher Abweichung und
Geschwindigkeitsdifferenz der ersten Bewegungsphase der
Umkehrbewegung für eine Parameteränderung von 2% 135
Abb. 53: Trajektorien des Fingerpunktes bei der groben Kreisbewegung
(in grau ist die ursprüngliche bewegung eingetragen) 136
Abb. 54: Trajektorien des Fingerpunktes bei der kleinen Kreisbewegung
(in grau ist die ursprüngliche bewegung eingetragen) 137
Abb. 55: Trajektorien des Fingerpunktes bei der Umkehrbewegung (in
grau ist die ursprüngliche Bewegung eingetragen) 138
abb. 56: räumliche differenz der flngertrajektorie zur
ausgangstrajektorie (von oben nach unten: gk, kk, hk) 140
Abb. 57: Differenz der mittleren Fingergeschwindigkeit von der
Ausgangsbewegung (von oben nach unten: GK, KK, HK) 141
abb. 58: flngertrajektorie während der ersten bewegungsphase der
Umkehrbewegung (oben rechts ist das Ende df.r Bewegungsphase
des linken bildes vergrößert dargestellt) 142
Abb. 59: Stiffnessbetrachtung (von oben nach unten: GK, KK, HK, auf
der ordinatenachse ist sowohl die kraft als auch der
Gelenkwinkel aufgetragen) 143
Abb. 60: Stiffnessbetrachtung bei Parametervariation am Beispiel der
groben Kreisbewegung und einer Variation des Muskelparameters
fpa, um +10% und -10% (auf der ordinatenachse ist sowohl die
Kraft als auch der Gelenkwinkel aufgetragen) 145
Abb. AI: Drehwinkel um die z- Achse 178
Abb. A2: Berechnung von Umlenkpunkt und Momentenarm des Bizeps
(SCHEMATISCH) 181
Abb. A3: Berechnung der Umlenkpunkte und des Momentenarms des
TRIZEPS (SCHEMATISCH) 183
Abb. A4: Berechnung des Umlenkpunktes des Deltamuskels 186
ABB. A5: MOMENTENARMBERECHNUNG TERES MAJOR (SCHEMATISCH) 1 88
Abb. A6: Berechnung der x-Koordinate der Umlenkpunkte 189
Abb A7: Längenberechnung des Bizeps (schematisch) 190
ABBA8: LÄNGENBERECHNUNG DES TRIZEPS (SCHEMATISCH) 193
ABB. A9: LÄNGENBERECHNUNG DES DELTOIDEUS (SCHEMATISCH) 197
Abb. A10: Linearisierung 203
XII Tabellenverzeichnis
TABELLENVERZEICHNIS
Tab. 1: Anthropometrie der Teilkörper des Modells 39
Tab. 2: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der
Teilkörperlängen 40
Tab. 3: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der
Teilkörpermassen 41
Tab. 4: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der
Massenschwerpunktlage 41
Tab. 5: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der
Trägheitsmomente 42
Tab. 6: Verbindung der Teilglieder 45
Tab. 7: Muskelverlauf und Umlenkungen im Modell 51
Tab. 8: Koordinaten des Armmodell 52
Tab. 9: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der Muskellängen 53
Tab. 10: Muskelkonstanten der Aktivierungsdynamik 62
Tab. 11: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der
muskelquerschnittsflächen 73
Tab. 12: CEP AR ameter 76
Tab. 13: SE Parameter 78
Tab. 14: PE Parameter 79
Tab. 15: Vergleich von Modell- und Literaturdaten der Länge des
kontraktilen Elements (CE) 105
Tab. 16: Vorgaben für die Bewegungssimulationen 107
Tab. 17: Ausgangsstellung von Modell und Versuchsperson 112
Tab. 18: Mittlere Fingermarker- bzw. Handgeschwindigkeit 119
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| spelling | Praxl, Norbert Verfasser aut Zur Bedeutung passiver Muskeleigenschaften für die menschliche Bewegungskoordination Simulationsexperimente mit einem biomechanischen Armmodell und aktiver Muskelsteuerung Norbert Praxl München Utz, Wiss. 2001 XII, 218 S. graph. Darst. : 21 cm txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Medizin Zugl.: München, Univ. der Bundeswehr, Diss., 2001 Muskeltonus (DE-588)4170867-2 gnd rswk-swf Bewegungskoordination (DE-588)4145145-4 gnd rswk-swf Arm (DE-588)4002931-1 gnd rswk-swf Computersimulation (DE-588)4148259-1 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Arm (DE-588)4002931-1 s Bewegungskoordination (DE-588)4145145-4 s Muskeltonus (DE-588)4170867-2 s Computersimulation (DE-588)4148259-1 s DE-604 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=008944501&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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