Klinische und technologische Biomechanik
Aktuelle Forschungsprojekte
Biomechanik linearer Körperschwerpunktsbeschleunigung
Dieses Projekt fokusiert auf die vortriebsrelevanten Mechanismen menschlicher Fortbewegung unter besonderer Berücksichtigung der Geschwindigkeitsänderungen des Körperschwerpunkts. Ziel ist es, leistungsdeterminierende biomechanische Faktoren aufzuklären und eine evidenzbasierte Grundlage für Leistungsoptimierung zu schaffen. Durch die Angliederng an das Deutschen Forschungszentrum für Leistungsport Köln (momentum) liegen disziplinspezifische Schwerpunkte im Bob- und Skeletonsport sowie im leichtathletischen Sprint.
Projektverantwortung:
Publikationen:
Alt et al., 2021 Sports Biomech
Biomimetische Interpositionsimplantate zur Behandlung von Kniegelenksarthrose
Das Kniegelenk gilt als das meistbetroffene Gelenk von Osteoarthrose. Sollten konservative Behandlungsmethoden den Verlauf von Knieosteoarthorse und die damit einhergehenden Krankheitssymptome nicht ausreichend lindern können, haben sich eine Reihe von operativen Behandlungsansätzen etabliert. Der in einem BMBF geförderten Konsortium entwickelte und biomechanisch getestete Spacer ist in die Kategorie der Kniearthroplastiken einzuordnen und soll minimalinvasiv in das von Ostheoarthrose betroffene Gelenk eingesetzt werden.
Das Funktionsprinzip von dem Spacer beruht darauf die in das mediale Gelenkkompartiment aufgebrachte Kraft auf eine möglichst große Kontaktfläche zu verteilen und damit die Kniegelenksbelastung zu reduzieren. Damit besteht das Behandlungsziel die Schmerzsituation des Patienten zu verbessern und die Progression der Erkrankung zu verlangsamen.
Unsere Untersuchungen zeigen, dass der vorgesehene mechanische Wirkmechanismus von dem entwickelten Spacer plausibel ist und der Druck im medialen Gelenkkompartiment u. a. durch den Einsatz des Spacers reduziert werden kann. Die kinematische Auswertung verdeutlicht, dass die getesteten Spacer zwar vorteilhaft die Frontalebene im Hinblick auf die Belastungsreduzierung beeinflussen, die allgemeine Gelenksmechanik jedoch fast unverändert bleibt.
Projektverantwortung:
Korbinian Glatzeder
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Publikationen:
Impact-Belastungen bei einer Fahrzeug-Montage
Einflussfaktoren und Ausführbarkeitsgrenzen bei Impact-Belastungen in einer Fahrzeug-Montage
Muskuloskelettale Erkrankungen des Hand-Arm-Systems zeigen in der Automobil-Montage eine immer weiter steigende Prävalenz. Aufgrund der fixen Taktzeit und teilweise erschwerten Erreichbarkeit zu den Fügestellen nutzen Werker die Hand häufig auch als Schlagwerkzeug. Bisherige Studien zu den ermittelten Belastungsmustern in der Automobil-Montage liefern keine konkreten Informationen, welcher Zusammenhang zwischen hohen Schlagkräften und den damit assoziierten Berufskrankheiten besteht. Ziel dieser Promotion ist es, in Zusammenarbeit mit einem deutschen Automobilhersteller, basierend auf den physischen Belastungen an typischen Arbeitsplätzen in der PKW-Montage, die Einflussfaktoren sowie mögliche Ausführbarkeitsgrenzen ganzheitlich und mit einem biomechanischen Ansatz zu untersuchen.
Projektverantwortung:
Neuromuskuläre Alterationen bei Gonarthrose
Das Forschungsgebiet umfasst die Untersuchungen von neuromuskulären Veränderungen bei Patienten mit Gonarthrose. Im Fokus stehen die Veränderungen der periartikulären Kniegelenksmuskulatur, sowie der unteren Extremität, die im Zusammenhang mit der Entwicklung der Erkrankung stehen. Zusätzlich wird der Einfluss von orthetischen Hilfsmitteln , insbesondere von unikompartimentell entlastenden Gonarthrose-Orthesen auf neuromuskuläre Strukturen untersucht, wobei die elektromyografische Untersuchung einen Fokus darstellt.
Projektverantwortung:
Jana Rogoschin
Laufen, Sprinten und Springen mit Sportprothese
Wir erforschen das Laufen, Sprinten und Springen mit Sportprothese. Aus einer biomechanischen Perspektive betrachten und analysieren wir die Interaktion zwischen der Prothese (technologische Komponente) und dem muskulo-skelettalen System (biologische Komponente).
Projektverantwortung:
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Publikationen:
Funken et al., 2019, MSSE (Long Jump, kinetics)
Funken et al., 2019, RSOS (Long Jump, kinematics)
Funken et al., 2019, Sports Biomech (Curve Sprinting)
Willwacher et al., 2017, Scientific Reports (Long Jump)
Willwacher et al., 2016, PlosOne (Sprint start)
Brüggemann et al., 2008, Sports Tech (Running/Sprint)
Kurvensprint
We investigate athletic curve sprinting and aim for improved training methods, injury prevention and optimization of equipment.
Projektleitung:
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Publikationen:
Abgeschlossene Forschungsprojekte
Ein- und Ausstieg in einen Lieferwagen
Im Projekt “Ein- und Ausstieg in einen Lieferwagen“ wuden die Auswirkungen von Modifikationen am Fahrzeug auf die die Gelenkbelastung der unteren Extremitäten beim Ein- und Ausstieg analysiert.
Die erhöhte Sitzposition von Lieferwägen erfordert mehrere Trittstufen und verschiedene Haltegriffe um den Fahrer beim Ein- und Aussteigen zu unterstützen. Große Stufenhöhen und beengten Platzverhältnisse im Cockpit bedingen eine komplexe Bewegung die eine potenziell hohe Kniegelenksbelastung verursacht. V.a. für Berufe, deren tägliche Routine ein häufiges Ein- und Aussteigen erfordert, ist eine optimale Anordung von Trittstufen und Haltegriffen nicht nur eine Frage des Komforts, sondern trägt mittelbar auch zur Verletzungsprävention bei.
Projektverantwortung:
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Publikationen:
SensA-Chair
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines intelligenten Bürostuhls zur Minderung von Rückenschmerzen im Alltag. Durch Sensorik in Lehne und Sitzfläche soll das angestrebte Design die Sitzhaltung des Nutzers erkennen und diesen durch eine Formänderung der beiden Kontaktflächen zur Änderung seiner Haltung animieren. Letzteres soll durch Formgedächtnisdrähte erreicht werden. Durch das häufige Ändern der Sitzposition sollte eine lange statische Belastung der Rückenmuskulatur und passiver Rückenstrukturen verhindert und der Sitzkomfort erhöht werden.
Outcome
Im Laufe des Projekts wurde vom IBO ein Beanspruchungsmodell entwickelt, in welchem gängige Sitzpositionen im Hinblick auf ihre Beanspruchung passiver und aktiver Rückenstrukturen bewertet wurden. Dieses Modell wurde durch Probandenversuche bestätigt und floss anschließend in die Prototypenentwicklung ein. Am Ende des Projekts war ein Prototyp verfügbar, welcher in der Lage war, sechs verschiedene Haltungskategorien zu identifizieren und den Nutzer in Abhängigkeit der Belastung der Sitzposition zu einer Haltungsänderung zu animieren.
Weitere Informationen:
Website Projektpartner TH Köln
Projektverantwortung:
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Publikationen:
Hohe tibiale Osteotomie (HTO)
In diesem Projekt wurde ein modelbasierter Ansatz entwickelt um das operative Verfahren der hohen tibialen Osteotomie zu verbessern. Auf Basis von pre-operativen Bewegungsanalysen soll die OP-Planung idividualisiert und patientenspezifisch erfolgen.
Projektverantwortung:
Beißkraft von Libellen
In diesem Projekt wurde die Beißkraft von Libellen untersucht und mit Hilfe von detailiierten, selbst entwickelten, Muskelmodellen ein Beitrag zu evolutionsbiologischen Fragestellungen geliefert. Der Übertrag der Ergebnisse in die Entwicklung von hochtechnologischen, biologisch-inspirierten Greifwerkzeuge ist naheliegend.
Projektverantwortung:
Dr. Sina David
Univ. Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Dr. Alexander Blanke
Publikationen:
Promotionsprojekte (abgeschlossene)
Leistenverletzungen im Nachwuchsfußball
Leistenverletzungen im Nachwuchsfußball - wie biomechanische Risikofaktoren und das pubertäre Längenwachstum zusammenhängen
2021
Zusammenfassung:
Leistenverletzungen stellen in vielen Sportarten, aber besonders im Fußball ein großes Problem dar. Trotzdem sind die Ursachen nur unzureichend erforscht. Ähnlich verhält es sich mit der plötzlichen Zunahme der Verletzungszahlen bei Nachwuchsathleten während der Pubertät. Beide Wissenslücken sollten von der vorliegenden Arbeit geschlossen werden. Dafür wurden vier Studien mit insgesamt 105 Teilnehmern durchgeführt. 3D-Bewegungsanalyse, in Kombination mit Muskel-Skelett-Modellierung, bildeten den Kern der Methodik und wurden zum Teil durch EMG oder Dynamometrie ergänzt. Die Studien I und III zeigten, dass Passspiel und Richtungswechsel das Risiko erhöhen, eine Leistenverletzung zu erleiden. Verantwortlich dafür sind in beiden Bewegungen ausgedehnte Phasen exzentrischer Kontraktion, zum Teil in Kombination mit schneller Muskellängung. In der zweiten und vierten Studie zeigte sich, dass das Wachstum in der Pubertät das Leistenverletzungsrisiko allgemein, aber auch spezifisch, für die beiden zuvor untersuchten Bewegungen erhöht. Zwischen den verschiedenen Altersgruppen in Studie II, stieg die für den Pass benötigte Kraft rapide an. Ausgelöst wird dies durch eine schnelle Zunahme der Segmentträgheit während des jugendlichen Wachstumsschubes. Diesem schnellen Anstieg kann sich das Muskelskelettsystem nicht schnell genug anpassen und ist für die Dauer
der Anpassung einem erhöhten Verletzungsrisiko ausgesetzt. Unklar bleibt, ob die Phase des schnellsten Wachstums (PHV) durch eine Beeinflussung von Bewegungstechniken ebenfalls das Verletzungsrisiko erhöht. Zwar zeigte die Studie IV hierauf Hinweise, der genaue Einfluss der PHV blieb jedoch offen. Für die Sportpraxis bedeuten die vorliegenden Ergebnisse, dass Verletzungsprävention in Form von gezieltem Krafttraining der Adduktoren eine größere Rolle spielen sollte. Bei jugendlichen Spielern sollte dies aber gezielt
in Vorbereitung auf steigende Beanspruchung während des Wachstumsschubs eingesetzt werden. Von Belastungssteigerungen innerhalb des Wachstumsschubes sollte dringend abgesehen werden, um das Verletzungsrisiko nicht zusätzlich zu steigern.
Berichte:
Bericht in "Forschung Aktuell" (DSHS Mainpage)
Publikationen:
Intelligent wearables for the estimation of kinematics and kinetics
Development of intelligent wearables for the estimation of motion kinematics and kinetics
Marion Mundt
2020
Zusammenfassung:
Motion analysis gains more and more relevance because people are interested in gaining knowledge about their performance and it is possible to collect big data easily using wearable sensors. There are also more and more ways of collecting data in daily life. Nevertheless, motion analysis providing insight into joint kinematics and kinetics is still restricted to a laboratory set-up. To overcome this, the aim of this thesis was to take the first steps towards an easy-to-use and easy-to-interpret inertial-sensor-based motion analysis sys- tem. Due to the increasing amount of data available, the approach could be based on artificial intelligence models.
Artificial neural networks can be used to approximate the relationship between given inputs and outputs. During a training process, they learn to adapt their weights and biases to predict the output of unknown test samples. This thesis investigated if it is possible to predict the three dimensional angles and moments of the hip, knee and ankle joint and the ground reaction force using artificial neural networks based on inertial data only. For this purpose, a framework to simulate inertial sensors’ data based on marker trajectories collected by an optical system was developed and validated with a custom IMU system.
The results showed a good agreement of the predicted values and the ground truth data for gait and fast changes of direction. Employing data augmentation techniques to enlarge the dataset improved the results. The use of a fully-connected feedforward neural network resulted in a better pre- diction than the use of a recurrent LSTM neural network. Nevertheless, recurrent neural networks should still be considered for future work because they are able to make real-time predictions and do not need time normalised data like fully-connected feedforward networks. In a pilot investigation, the use of a convolutional neural network also seemed to be a promising approach. However, further steps are required to validate the methods developed in this thesis and bring an intelligent inertial-sensor-based motion analysis system towards application. The very promising results of this thesis prompt further research in this direction.
Weitsprung mit Unterschenkelprothese
Leistungs- und Belastungscharakteristika im leichtathletischen Weitsprung mit Unterschenkelprothese
2016-2019
Zusammenfassung:
Weitspringer mit Unterschenkelamputation, die ihre Prothese für den Absprungschritt nutzen, sind in der Lage außerordentliche Weiten zu erzielen. Die zu Grunde liegende Biomechanik ist allerdings nicht umfassend bekannt. Wissen hierüber ist jedoch wichtig, um Trainingsprotokolle anzupassen, Verletzungsmechanismen zu erkennen und Sportprothesen weiterzuentwickeln. Weiterhin können die gewonnenen Erkenntnisse als wichtige Informationsquelle für zukünftige Anpassungen in olympischen und paralympischen Regularien genutzt werden.
Im Rahmen eines multinationalen Forschungsprojektes, aus dem die vorliegende Dissertation hervorgeht, wurden drei Weitspringer mit Unterschenkelamputation und sieben nicht amputierte Athleten unter Laborbedingungen bewegungsanalytisch untersucht. Während des Absprungs beim Weitsprung und während des maximalen Sprints wurde die Kinematik und Kinetik der Athleten erfasst und zusammen mit der probanden-spezifischen Anthropometrie als Eingangsdaten für ein invers dynamisches Mehrkörpermodel zur detaillierten dreidimensionalen Analyse genutzt.
Athleten mit Unterschenkelprothese zeigten andere Merkmale bzgl. Körperschwerpunkt- und Gelenkmechanik während des Sprints und dem Absprung als nicht amputierte Athleten. Athleten mit Unterschenkelprothese liefen langsamer an, aber sprangen effizienter ab als nicht amputierte Athleten. Während des Absprungschrittes platzieren die amputierten Athleten ihre Prothese anders in Relation zum Körperschwerpunkt als nicht amputierte Athleten ihren Fuß und die Bewegungscharakteristik des Körperschwerpunks wies deutliche Unterschiede zwischen den beiden Gruppen auf. Im Allgemeinen war die muskulo-skelettale Belastung an der Hüfte und am Knie geringer während des Absprungs bei Athleten mit Unterschenkelprothese als bei nicht amputierten Athleten. Dies resultierte vornehmlich aus geringeren Abständen zwischen den Gelenkszentren und dem Vektor der Bodenreaktionskraft bei Athleten mit Unterschenkelprothese im Vergleich zu nicht amputierten Athleten. Das Absprungverhalten von Athleten mit Unterschenkelprothese glich dem Sprung von einem Sprungbrett, während die nicht amputierten Athleten den bekannten Hebelmechanismus (Pivot) nutzten, um vertikale Abfluggeschwindigkeit zu generieren.
Resultierend aus begrenzten muskulo-skelettalen Kapazitäten oder mechanischen Beschränkungen weisen Weitspringer mit bzw. ohne Unterschenkelprothese, speziell im Absprungschritt, Bewegungscharakteristika auf, die einerseits auf unterschiedlichen Lokomotionsmechanismen basieren und andererseits von der jeweils anderen Gruppe nicht adaptiert werden können.
Knee Joint Functionality in ACL Reconstructed Subjects
Comprehensive Assessment and Investigation of Knee Joint Functionality in ACL Reconstructed Subjects - Course of performance capacities from Pre- to Six Months Post-ACL Reconstruction
Frieder Cornelius Krafft
2019
Bewegungsstrategien bei schnellen Richtungswechseln
Subjektspezifische Bewegungsstrategien, muskuloskelettale Belastung und Bewegungseffizienz bei schnellen Richtungswechseln
2018
Zusammenfassung:
Richtungswechsel stellen eine der häufigsten Bewegungsaufgaben in den Spielsportarten dar und die Fähigkeit schnell die Richtung ändern zu können gilt als einer der wichtigsten Faktoren zur Talentidentifikation.
Obwohl wiederholt der Versuch unternommen wurde, die leistungsdeterminierenden Faktoren der Bewegung zu identifizieren, konnte keine wissenschaftliche Klarheit geschaffen werden. Neben den leistungsbezogenen Fragestellungen ist der schnelle Richtungswechsel auch relevant hinsichtlich Verletzungen des vorderen Kreuzbands in Situationen ohne Gegnerkontakt. Die Untersuchungen die zur Kniegelenksbelastung durchgeführt wurden, konnten erste wichtige Hinweise auf die Bedeutung der Segmentlage für die Ausrichtung des Bodenreaktionskraftvektors und der daraus resultierenden Momente geben, jedoch keine Rückschlüsse auf Zusammenhänge mit der Bewegungsmechanik der Richtungswechselbewegung ziehen. Die zugrundeliegende Bewegungsmechanik wurde bis zuletzt nicht hinreichend untersucht und verstanden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein mechanistisches Verständnis der Richtungswechselbewegung zu erlangen. Dazu wurden zunächst die mechanischen Voraussetzungen und deren Umsetzung hinsichtlich unterschiedlicher Bewegungsausführungen untersucht. Dabei konnte die Wichtigkeit der Vororientierung des Körpers hin zur neuen Bewegungsrichtung und des Fußaufsatzmusters als determinierende Faktoren der Richtungswechselbewegung herausgearbeitet werden.
Diese Faktoren wurden dann hinsichtlich ihrer Relevanz für die Belastung der kniegelenksstabilisierenden Strukturen untersucht. Dabei stellte sich der Rückfußaufsatz bei geringer Vororientierung als belastender dar als der Vorfußaufsatz bei gleichzeitig ausgeprägter Vororientierung. Im letzten Schritt wurde ein Spektrum von habituellen Bewegungsstrategien hinsichtlich der Auswirkung der Segmentstellung auf die wirkenden Kräfte untersucht. Hierfür wurden die Bodenreaktionskräfte in die Segmentkoordinatensysteme transformiert, um den direkten Einfluss der Segmentorientierung auf die Richtung der Kraft zu untersuchen. Neben der Bestätigung der oben beschriebenen Ergebnisse, konnte außerdem gezeigt werden, dass es ein Optimum hinsichtlich der Segmentorientierung gibt. Eine zu geringe Vororientierung und Innenlage des Körpers erhöht die Belastung der Kniegelenksstabilisierenden Strukturen, während eine stark ausgeprägte Vororientierung und Seitneigung zu einer Erhöhung der Zentripetalkräfte führt.
In zukünftigen Untersuchungen sollte untersucht werden, inwieweit ein Übertrag der identifizierten optimalen Bewegungsstrategie in die Praxis möglich ist. Dafür ist entscheidend herauszufinden, weshalb eine ungünstige Bewegungsausführung ausgeführt wird.
Biomechanik von Knieendoprothesen
Biomechanik von unikondylären und bikondylären Knieendoprothesen bei alltagsrelevanten Lokomotionsformen
2018
Zusammenfassung:
Die Kniearthroplastik wird heute erfolgreich als Behandlungsmethode bei Patienten mit degenerativer Gonarthrose im Endstadium eingesetzt und dient in erster Linie dazu Schmerzen zu reduzieren und die Gelenkfunktion wiederherzustellen. Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen unikondylären und bikondylären Knieendoprothesen. Bei unikondylären Prothesendesigns wird nur das von der Gonarthrose betroffene Gelenkkomparti-ment des Femurs und der Tibia ersetzt. Kreuz- und Seitenbänder bleiben erhalten. Bei bikondylären Prothesendesigns hingegen wird sowohl das laterale als auch das mediale Gelenkkompartiment ersetzt. Das vordere Kreuzband wird hierbei reseziert und das hintere Kreuzband bleibt entweder erhalten oder wird ersetzt. Der Einsatz von unikondylären Knie-endoprothesen repräsentiert immer noch einen sehr kleinen Bereich der gesamten Kniearthroplastik, wobei mit diesem Prothesendesign Vorteile u.a. hinsichtlich der Wiederherstellung n o r m a l e r Gelenkkinematik im Vergleich zu Knietotalendoprothesen assoziiert werden. Dies wurde in bisherigen Studien unter Berücksichtigung alltagsrelevanter Loko-motionsformen noch nicht hinreichend genug untersucht. Ziel dieser Arbeit war es Patienten mit knieendoprothetischem Gelenksersatz und einer nichtoperierten gesunden Kontrollgruppe auf mögliche Unterschiede hinsichtlich ausgewählter biomechanischer Parameter beim Bewältigen alltagsrelevanter Lokomotionsformen zu untersuchen. Weiterhin stand im Vordergrund der kinematische und kinetische Vergleich zwischen uni-und bikondylären Knieendoprothesen bzw. Knietotalendoprothesen.
Eine 3D-Bewegungsanalyse wurde mittels eines optoelektronischen Messsystems (Vicon Nexus, Vicon Motion Systems, Oxfort, UK) durchgeführt. Bodenreaktionskräfte wurden mit Kraftmessplatten aufgezeichnet (Kistler, Instrumente AG, Winterthur, CH). Muskelaktivität des M. semitendinosus und M. biceps femoris wurde mit einem telemetrischen Elektromyographiesystem gemessen (TeleMyo, Noraxon USA Inc., Scottdale, USA). Für die Berech-nung der Gelenkwinkel und Drehmomente wurde ein in AnybodyTM Modelling System (Any-Body Technology, Aalborg, DK) integriertes invers-dynamische Mensch-Modell verwendet. Die Probanden absolvierten Gehen auf ebenem und geneigtem Untergrund sowie Treppensteigen in auf- und absteigender Richtung.
Die Knietotalendoprothesen-Gruppe zeigte insbesondere beim Rampenabwärtsgehen und Treppensteigen erheblich eingeschränkte Knieinnenrotationswinkel im Vergleich zur Kon-trollgruppe und zum nichtoperierten Bein. Die Patientengruppe mit unikondylären Knieen-doprothesen zeigte eine limitierte Knieinnenrotation nur zwischen dem operierten und nichtoperierten Bein. Kein Unterschied konnte zwischen der Gruppe mit unikondylären Knieendoprothesen und Knietotalendoprothesen detektiert werden.
Mögliche Ursachen für die limitierte Knieinnenrotation in der Knietotalendoprothesen-Gruppe kann die geometrische Form zwischen den Implantatskomponenten sein, die aufgrund des Formschlusses einen mechanischen Rotationswiderstand bilden. Weiterhin könnte große Reibung ebenfalls einen Rotationswiderstand aufbringen, der zu einer Knieinnenrotationseinschränkung sowohl in der Knietotalendoprothese führen kann, als auch in der unikondylären Knieendoprothese. Eine Limitation der Knieinnenrotation unter Einwirkung von nicht reduzierten Knieinnenrotationsdrehmomenten kann zu einer Lockerung des Tibiaplateaus beitragen, da eine relativ große Torsionskraft auf die Schnittstelle zwischen Knochen und Implantat in Verbindung mit großer Reibung zwischen den zwei Implantatskomponenten einwirkt. Durch diesen Mechanismus findet eine Migration des Tibiaplateaus um die Longitudinalachse statt, was letztendlich zu einer Lockerung und damit zu einer Revisionsoperation führen kann. Die Untersuchung von Kokontraktion zwischen dem M. semitendinosus und M. biceps femoris ergab keine Hinweise darauf, dass diese ursächlich für die Knieinnenrotationseinschränkung ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass man derzeit nicht von einem klaren Vorteil der unikondylären Knieendoprothesen im Vergleich zu Knietotalendoprothesen hinsichtlich einer natürlicheren Biomechanik im ersetzten Kniegelenk ausgehen kann.
