Sportwissenschaft
ORIGINALIA
ENERGIEVERBRAUCH MIT INSTABILER SCHUHKONSTRUKTION

Erhöhter Energieverbrauch beim Stehen mit
instabiler Schuhkonstruktion

Increased Metabolism while Standing with Unstable Shoe Construction

* gemeinsame Erstautoren

ZUSAMMENFASSUNG

Die Studie untersuchte wie stark ein Probeschuh mit instabiler Sohlenkonstruktion (MBT: Masai Barefoot Technology) auf den Energieverbrauch beim Gehen und Stehen Einfluss nimmt. Unterschiede im Sauerstoffverbrauch und der Herzfrequenz wurden zwischen einem Probeschuh, einem Laufschuh und barfuss untersucht. 16 Probanden absolvierten im Labor Stehversuche mit Probeschuhen und Laufschuhen. Beim ruhigen Stehen während 2 mal 6 Minuten wurde eine Zunahme des Sauerstoffverbrauches um 9,3±5,2% (p<0,01) mit dem Probeschuh im Vergleich zu einem Laufschuh gemessen. Zusätzlich wurde auf einem Laufband der Sauerstoffverbrauch und die Herzfrequenz für einen Probeschuh, einen gleich schweren Laufschuh und barfuss gemessen. Dabei wurde kein Unterschied zwischen Probeschuh und Laufschuh festgestellt. Im Vergleich zu barfuss, wurde jedoch mit dem Probeschuh eine höhere Sauerstoffaufnahme um 4,4±8,2% (p<0,01) und eine höhere Herzfrequenz um 3,6±7,3% (p<0,01) festgestellt. Es darf vermutet werden, dass die höhere Sauerstoffaufnahme und Herzfrequenz durch das Zusatzgewicht resultierend aus dem Tragen von Schuhen mitverursacht ist.In einem Feldversuch auf einer 400-Meterbahn wurde bei 5 Probanden kein Unterschied bezüglich Sauerstoffverbrauch und Herzfrequenz zwischen Probeschuh und Laufschuh gemessen. Mit dem Probeschuh wurde eine Tendenz zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf (p<0,1) im Vergleich zu barfuss gemessen, jedoch zeigten sich keine Unterschiede bei der Herzfrequenz (p=0,25).

Schlüsselwörter: Sauerstoffverbrauch, Herzfrequenz, instabile Schuhkonstruktion, MBT Masai Boot Barefoot Technology

SUMMARY

This study explores the effects of an unstable shoe design (i.e. Masai Barefoot Technology, sample shoe) on energy consumption. The oxygen consumption rate (VO2) and heart rate (HR) was measured in 16 individuals while wearing sample shoes, standard sport shoes or barefoot. While standing quietly for 6 minutes, a significant (p<0,01) increase in VO2of 9,3±5,2% was measured. VO2and HR were also measured while walking on a treadmill. No differences were seen between sample shoes or weight-adjusted standard sport shoes. Significant (p<0,01) increases (p<0,01) in VO2 (4,4±8,2%) and HR (3,6±7,3%) was measured for the sample shoes compared to barefoot. It might be suppossed, that the rised oxygen consumption and heart rate seem to mainly result from increased mass resulting from shoe wearing. Data were verified with 5 subjects in a field study on a 400 meter track. No differences in VO2 and HR was measured. Nonetheless, a comparison of sample shoes with barefoot found a tendency (p<0,1) for VO2to be higher, although HR was unaffected (p<0,25).

Key Words: oxygen consumption, heart rate, instable shoe construction, MBT (masai barefoot technology)

PROBLEMSTELLUNG

Schuhe nehmen Einfluss auf das Gehen und das Stehen. Sie beeinflussen das Gangbild, die Muskelaktivierung, das Gleichgewicht, sowie die Druckverteilung an der Fußsohle (13).
Der Probeschuh (MBT, Masai Barefoot Technology ) ist ein Trainings- und Therapiegerät, welches im Alltag getragen werden kann. (12) Der Schuh (Abb. 1) stimuliert mit seiner instabilen Sohlenkonstruktion die Muskulatur der unteren Extremität und die Sensomotorik (9, 12). Die runde Sohlenkonstruktion des Probeschuhs destabilisiert das Gleichgewicht in der anterio-posterioren Richtung. Dieses muss durch zusätzliche Muskelaktivierung und Muskeleigenreflexe wiederhergestellt werden. Gemäß Hersteller soll die ganze Körperhaltung damit beeinflusst werden. Im Fersenbereich des Probeschuhs liegt der so genannte Sensor, welcher sehr weich konstruiert ist und diese Instabilität bewirkt (Abb. 1).
Einige Forschungsinstitute (University of Calgary, Alberta Canada; Universität Freiburg im Breisgau; Universität Salzburg) haben sich verschiedenen physiologischen und biomechanischen Aspekten einer instabilen Sohlenkonstruktion bereits angenommen:
Nigg et al. (11) untersuchten die Muskelaktivität mittels Elektromyographie sowie verschiedene kinetische und kinematische Parameter beim Stehen und Gehen mit unterschiedlichem Schuhwerk. Die Studie ergab eine Erhöhung der Muskelaktivität für den Probeschuh in allen getesteten Muskeln der distalen unteren Extremität aber nur signifikant für den M. tibialis anterior. Romkes et al. (12) untersuchten Unterschiede in Muskelaktivitätsmustern während des Gehens mit konventionellen Schuhen und dem Probeschuh. Diese Studie kam zum Ergebnis, dass sich das Bewegungs- und Muskelaktivitätsmuster mit Probeschuh vor allem im Sprunggelenk änderte, im M. gastrocnemius und im M. tibialis anterior. In einer weiteren Studie von Romkes (13) wurde die Wirkung des Probeschuhs auf den zeitlichen Verlauf des Kraftangriffpunktes untersucht, um die Gleichgewichtskontrolle des Trägers zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Gleichgewichtskontrolle sowohl in anterioposteriorer als auch in mediolateraler Richtung im bipedalen Stand zwischen barfuss und Probeschuh signifikant voneinander unterscheidet.
Zurzeit existieren unseres Wissens jedoch keine Untersuchungen, welche den Metabolismus unter Alltagsbelastungen wie beim Stehen oder Gehen zwischen einem herkömmlichen Schuh und dem Probeschuh untersuchten. Diese Lücke versucht die hier vorgestellte Studie zu schliessen.
Die Forschungsarbeit wurde von folgenden Arbeitshypothesen geleitet:
1. H1: Beim Stehen ist infolge erhöhter Muskelaktivität mit dem Probeschuh eine Zunahme der Sauerstoffaufnahme und der Herzfrequenz im Vergleich zu einem Laufschuh feststellbar.
2. H2: Beim Gehen ist infolge erhöhter Muskelaktivität mit dem Probeschuh eine Zunahme der Sauerstoffaufnahme und der Herzfrequenz im Vergleich zu einem gewichtsadjustierten Laufschuh und im Vergleich zu barfuss feststellbar.

METHODEN

Die Studie umfasste auf methodischer Ebene prinzipiell drei Messarten: Labormessungen im Stehen, Labormessungen im Gehen und Feldmessungen. Dabei wurde sowohl das Schuhwerk (normaler Laufschuh, gewichtsadjustierter Laufschuh, Probeschuh, barfuss) als auch die Art der Belastung respektive deren Intensität bei unterschiedlichen Belastungsanforderungen untersucht.

Labormessungen im Stehen
Während 6 Minuten wurde die Sauerstoffaufnahme (Oxycon alpha, Jäger GmbH, Würzburg, Deutschland) und die Herzfrequenz (Polar Herzfrequenzmessgeräte, Zug, Schweiz) beim entspannten ruhigen Stehen in einer genau definierten Position kontinuierlich gemessen (Oxycon alpha, Jäger GmbH, Würzburg, Deutschland). Diese Messung wurde sowohl mit Probeschuhen als auch mit Klick zum VergroessernLaufschuhen durchgeführt, wobei die Wahl des Schuhwerks in randomisierter Reihenfolge erfolgte. Die Probanden wurden gebeten angewiesen auf zwei Markierungen im Abstand von 25 cm mit den Füßen parallel zu stehen. Der Blick wurde geradeaus gerichtet und die Arme seitlich des Rumpfes zu halten. Diese Instruktion erfolgte sowohl für die Messung mit Probeschuhen als auch mit Laufschuhen. Zusätzlich wurden die Probanden bei der Messung mit Probeschuhen instruiert, das Gleichgewicht auf dem Balancierbereich zu suchen und zu halten.
Abbildung 2:

Klick zum Vergroessern
Abbildung 3:
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Labormessungen im Gehen

Die Labormessungen fanden auf einem Lamellenlaufband (Woodway PPS sport, Woodway GmbH, Weil am Rhein, Deutschland) statt. Dabei wurden folgende Phasen (jeweils randomisiert) durchlaufen:

Einlaufen : 5km/h – horizontal, 3 Minuten
Phase 1:   5km/h – horizontal, 6 Minuten
Phase 2:   4km/h – 10 Prozent positive Steigung, 6 Minuten
Phase 3:   4km/h – 10 Prozent negative Steigung, 6 Minuten
Phase 4:  7km/h – horizontal, 6 Minuten

In Ruhe sowie auf allen Stufen wurde die Sauerstoffaufnahme (Oxycon alpha, Jäger GmbH, Würzburg, Deutschland) und die Herzfrequenz (Polar Herzfrequenzmessgeräte, Zug, Schweiz) kontinuierlich aufgezeichnet. Die Testbatterie wurde von allen Probanden sowohl mit dem Probeschuh, wie auch mit einem gleich schweren gewichtsadjustierten Laufschuh absolviert, die Phase 1 zusätzlich barfuss. Gemessen wurden der Sauerstoffbedarf und die Herzfrequenz. Der Gewichtsausgleich zwischen einem Probeschuh und einem konventionellen Laufschuh erfolgte mit Gewichtsscheiben (Abb. 3). Das Zusatzgewicht wurde mit Klebeband nahe dem Sprunggelenk fixiert, um Trägheitsmomente tief und Hebelverhältnisse günstig zu halten. Bewegungsfreiheit musste gewährleistet sein. Der Gewichtsausgleich erfolgte mit einer Genauigkeit von ±5 Gramm.

Feldmessungen
Die Feldmessungen wurden auf einer 400m Tartanbahn durchgeführt (Abb. 2). Analog der Phase 1 in den Labormessungen wurden während 6 Minuten bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h die Sauerstoffaufnahme und die Herzfrequenz gemessen (K4b2, Cosmed, Rom, Italien). Der Test wurde von allen Probanden jeweils mit einem Probeschuh, mit einem gewichtsadjustierten Laufschuh und barfuss erfolgte auch hier randomisiert. Die Reihenfolge Probeschuh, Laufschuh und barfuss wurde erfolgte auch hier randomisiert. Die Geschwindigkeit wurde mit Bodenmarkierungen im 10 Meter Abstand und akustischen Signalen vorgegeben. Zusätzlich wurde die Geschwindigkeit im Rahmen der Auswertung mit Hilfe eines GPS Gerätes verifiziert (Abb. 3).
Bei allen Probanden handelt es sich um gesunde Probanden mit durchschnittlicher körperlicher Leistungsfähigkeit. Die Studie wurde von der kantonalen Ethikkommission Bern bewilligt. Für die Stehversuche wurden weibliche (n=6) und männliche (n=10) Personen rekrutiert. Das Alter betrug 29,8±6,8 Jahre, die Grösse 178±7cm und das Gewicht 72,3±11,4kg. Für die Laufbandversuche wurden erneut weibliche (n=5) und männliche (n=11) Personen rekrutiert. Das Alter betrug 32,8±7,5 Jahre, die Grösse 173±7 cm und das Gewicht 66,4±12,4kg. Für die Feldversuche wurden männliche Personen (n=5) rekrutiert. Das Alter betrug 29,7±3,1 Jahre, die Grösse 175±4 cm und das Gewicht 69±8,4kg.
Bezüglich der Messparameter ist zu erwähnen, dass bei allen Labormessungen und der Feldmessung eine kontinuierliche Messung der Sauerstoffaufnahme und der Herzfrequenz für jeden Probanden erfolgte. Die weitere Datenanalyse erfolgte mit einer 30-Sekunden Mittelung Die Werte. der Sauerstoffaufnahme und der Herzfrequenz wurden für ein 30-Sekunden-Intervall gemittelt.Die statistische Analyse der Messungen der Standphasen und Gehphasen fand für die erhobenen Werte der letzten 2 Minuten statt, um ein sicheres Erreichen des metabolischen Gleichgewichts (steady state) für jede Phase zu gewährleisten (19). Um Kalibrierfehler zu eliminieren, wurden alle Messungen ohne Unterbruch durchgeführt, auch während des Schuhwechsels.

STATISTISCHE ANALYSEN

Die Mittelwerte der letzten 2 Minuten auf jeder Stufe wurden für den Sauerstoffverbrauch und die Herzfrequenz berechnet und zwischen Probeschuh und Laufschuh verglichen. Die prozentualen Änderungen von Probeschuh versus Laufschuh wurde für jeden Probanden analysiert und mittels gepaarten, zweiseitigen, homoskedastischen t-Test für ein n von 16 auf Signifikanz geprüft (1). Hier ist methodisch zu präzisieren, dass für die Berechnung der Signifikanz stets die Differenz Δ des gemittelten Sauerstoffbedarfs während der Zeit t=2 Minuten verwendet wurde.
Die statistische Analyse der Messungen der Standphasen und Gehphasen fand für die erhobenen Werte der letzten 2 Minuten statt, um ein sicheres Erreichen des metabolischen Gleichgewichts (steady state) für jede Phase zu gewährleisten (19).
Die Daten der Stichprobe wurden mit Hilfe eines Jarque-BeraTests bezüglich der Nullhypothese einer Normalverteilung geprüft. Die Nullhypothese konnte nicht verworfen werden. (1).
P-Werte kleiner als 0,05 wurden als statistisch signifikant bezeichnet. P-Werte grösser als 0,05 und kleiner als 0,1 wurden als Tendenz bezeichnet.

RESULTATE

Hypothese H1 – Labormessung Stehen
Hypothese H1 konnte bestätigt werden (Tab. 1). Beim ruhigen Stehen während 2 mal 6 Minuten wurde eine höhere VO2mit dem Probeschuh im Vergleich zum konventionellen Laufschuh gemessen. Die Zunahme der VO2 betrug 9,3±5,2% (p< 0,01). Bezüglich Hf konnte Hypothese H1 nicht bestätigt werden (Abb. 4; Abb. 5).

Hypothese H2 – Labormessung Laufband
Hypothese H2, konnte für den Probeschuh versus Laufschuh nicht bestätigt werden (Tab. 1). Anders präsentieren sich die Resultate bezüglich Probeschuh versus barfuss: Diegemessene VO2 war für die Hauptphase des Gehens in der Ebene um 4,4±8,2% höher mit Probeschuh (p<0,05), die Herzfrequenz war im Durchschnitt um 3,6±7,3 höher mit Probeschuh im Vergleich zu barfuß (p<0,05).

Hypothese H2 – Feldmessung
Hypothese H2, konnte für den Probeschuh versus den Laufschuh auch aufgrund der Feldmessung nicht bestätigt werden (Tab. 2). Während zwischen dem Probeschuh und dem gewichtsadjustierten Laufschuh kein Unterschied gemessen werden konnte, zeigte sich für den Probeschuh eine erhöhte Sauerstoffaufnahme gegenüber dem Laufschuh (7,1±6,5%; p<0,1) und barfuß (5.9±5.6%; p<0,1). Es wurde eine um 3,6±3,8% erhöhte Hf beim Probeschuh im Vergleich zum Laufschuhgemessen und beim Laufschuh im Vergleich zu barfuß eine solche von 1±1.6%, jedoch waren diese Unterschiede nicht signifikant (p=0,15) (Tab. 2)

DISKUSSION

Die im ersten Teil der Studie durchgeführten Messungen im Stehen, in welchem Unterschiede im Sauerstoffverbrauch zwischen Probeschuh und Laufschuh gemessen werden konnten, führen uns zur Annahme, dass die instabile Sohlenkonstruktion des Probeschuhs sensomotorische Aktivitäten wie Muskeleigenreflexe und Muskeltonus erhöht und somit als Konsequenz der Sauerstoffverbrauch steigt. Der absolute Unterschied des Sauerstoffverbrauchs zwischen den beiden Schuhwerken ist jedoch gering, insbesondere unter Berücksichtigung der Grösse der Standardabweichung (Abb. 4). Trotz dieses geringen Unterschieds zeigen unsere Messungen einen signifikanten Mehrverbrauch an Sauerstoff beim Stehen mit dem Probeschuh. Die Daten korrelieren mit den biomechanischen Studien von Nigg (11) und Romkes (12), welche eine erhöhte elektromyographische Aktivität feststellten. Somit können unsere Ergebnisse als metabolisches Korrelat zu den bereits bestehenden Erkenntnissen verstanden werden. Methodisch verifizierend ist zu erwähnen, dass wir die Intertest - Reliabilität berechneten. Diese war für die Standmessung 0.92, was nach Bös (2) einer ausgezeichneten Reliabilität entspricht und somit für die Validität der Resultate spricht.
Bezüglich der Herzfrequenz wurde ein Unterschied von etwa 3 Schlägen festgestellt (Mittelwerte Probeschuh: 84±13,7 LS: 81±11 Schläge bei den Stehversuchen), jedoch war dieser Unterschied statistisch nicht signifikant (Abb. 5).
Erklärbar ist die fehlende Signifikanz dadurch, dass im tiefen Herzfrequenzbereich der Anteil des Schlagvolumens für die Versorgung der Skelettmuskulatur klein ist im Verhältnis zum Grundumsatz (14). Die Beziehung zwischen dem Sauerstoffverbrauch und der Herzfrequenz ändert sich mit unterschiedlichen Belastungsintensitäten (5). Mehrere Studien verweisen auf eine wenig ausgeprägte lineare Herzfrequenz-Sauerstoffaufnahme-Beziehung bei niedriger Belastung (z.B. Liegen, Sitzen, Stehen). Bei mittelschweren bis schweren Belastungen ist jedoch die Linearität gegeben und es besteht eine annähernd proportionale Beziehung zwischen Sauerstoffverbrauch und Herzfrequenz. (3, 7, 18)
Eine lineare Herzfrequenz-Sauerstoffaufnahme ist offensichtlich nicht für alle Intensitätsniveaus vorhanden. Die Herzfrequenz kann leicht ansteigen, beispielsweise von 60 S/min auf 80 S/min, ohne dass eine Veränderung der Sauerstoffaufnahme resultiert. Spurr et al. (15) zeigten, dass unterschiedliche Herzfrequenzen im Ruhebereich einem gleich bleibenden Energieverbrauch entsprechen können (14). Veränderungen von Herzfrequenzen, die nicht mit Veränderungen von Sauerstoffaufnahmen korrelieren, können auf unterschiedliche Gründe zurückgeführt werden (5). Ein Grund für eine isolierte Steigerung der Herzfrequenz ist die Stimulation des Sympathikus durch psychische Reize oder äussere Einflüsse (5).
Der Sauerstoffverbrauch im Steady State ist eine konstante Größe im Gegensatz zur Herzfrequenz, welche aufgrund von unterschiedlichem Schlagvolumen, peripherer Widerstand, Volumenumverteilung, Erregungsniveau variabel sein kann. Sauerstoff kann im Gegensatz zum Blut im vaskulären System nicht gespeichert werden. Die von uns gemessene durchschnittliche absolute Differenz der Sauerstoffaufnahme von 33ml O2 pro Minute wurde von uns mit Hilfe einer Regression überprüft und entspricht 1,13 Herzschlägen pro Minute.
Im Gegensatz zum Sauerstoffverbrauch ist davon auszugehen, dass die Herzfrequenz im gemessenen geringen Aktivitätsbereich beim Stehen zu variabel ist und Änderungen durch den Probeschuh im Stehen zu klein, um statistisch signifikant zu werden.Beim Gehen auf dem Laufband wurde kein Unterschied im Metabolismus zwischen Probeschuh und einem gewichtausgeglichenen Laufschuh festgestellt. Die Daten der Messungen auf dem Laufband korrelieren mit den Daten der Feldmessungen. Es scheint, dass beim Gehen die instabile Sohlenkonstruktion des Probeschuhs keinen Effekt auf den Metabolismus hat. Als Ursache für diese Resultate darf vermutlich auf die physikalisch Begründung zurückgegriffen werden, dass sich aufgrund des Tragens eines Schuhwerkes die Masse der unteren distalen Extremität erhöht, was neben einem reinen Masseneffekt zusätzlich auch Drehmomente beeinflusst und somit zu einem metabolisch erhöhten Korrelat führt.
Bezüglich der Laufbandmessung Probeschuh versus barfuß und Laufschuh versus barfuß zeigte sich ein höherer Sauerstoffbedarf und eine höhere Herzfrequenz für beide Schuhwerke, Probeschuh und Laufschuh. Das zeigten auch die Daten aus dem Feldversuch. Dort wurde mit 5 Probanden eine Tendenz zu einem niedrigeren Sauerstoffbedarf barfuß aufgezeigt. Diese Resultate würden aufgrund von Poweranalysen mit höherer Probandenzahl voraussichtlich signifikant.
Hettinger und Müller (5) quantifizierten den Gewichtseffekt des Schuhwerkes auf den Sauerstoffverbrauch. Der von uns gemessene Mehrverbrauch von Sauerstoff mit dem Probeschuh respektive Laufschuh im Vergleich zu barfuß liegt quantitativ in dem von Hettinger und Müller erhobenen Umfang. Somit scheint der energetische Mehraufwand des Probeschuhs dem Gewicht des Schuhs zuzuschreiben zu sein und nicht durch die instabile Sohlenkonstruktion zustande zu kommen.
Weiter wurden im Rahmen der Auswertung unserer Arbeit auch die absoluten Werte zwischen den Laufbandanalysen und der Feldversuche auf der 400-Meter-Tartanbahn verglichen. Wir stellten fest, dass der Absolutverbrauch an Sauerstoff auf dem Laufband höher ist als in der Feldmessung bei gleicher Geschwindigkeit. Als mögliche Erklärung lässt sich anführen, dass das Laufband mit einem sich bewegenden Boden eine nicht vertraute Laufunterlage darstellt, was zu vermehrter muskulärer Aktivität führen könnte.
Im Stehen zeigt sich die vermehrte metabolische Arbeit beim Tragen einer instabilen Sohlenkonstruktion. Es scheint, dass die Belastung aus dem Zusammenspiel von Gelenkgeometrie, muskulärer Stabilisierung und externen Kräften resultiert (10, 17). Bei häufigem Stehen im Alltag über längere Zeit könnten die summativen Effekte Relevanz erlangen, obwohl sich die Veränderung nur im Bereich von ungefähr 20 kJ/h bewegen (14). Aus grundsätzlichen Überlegungen (z.B. Begünstigung des venösen Rückflusses des Blutes aus den Beinen durch Betätigung der Muskelpumpe, Begünstigung der segmentalen Stabilisation der Wirbelsäule durch Aktivierung von Reflexbögen) ist eine vermehrte Betätigung der Muskulatur im Stehen zu begrüßen.

Interessenlage & Danksagung
Die Schuhe wurden uns kostenlos von der Firma MBT (Masai Barefoot Technolgy) zur Verfügung gestellt, welche im Mai 2012 Insolvenz anmelden musste. Grosser Dank geht an Dr. Dino W. Schlamp und Dr. Gregor Bäurle für die konstruktiven Gespräche.

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Korrespondenzadresse:
Dr. med Gasser Benedikt
SWISS HEALTH & PERFORMANCE LAB
Institut für Anatomie,
Universität Bern
Baltzerstrasse 2
3000 Bern
Schweiz
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