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In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt zur Untersuchung der Funktionalität von Sportgeräten konzipiert und vorgestellt. Die mechanische Simulation ist die gegenständliche Nachbildung spezieller Teilaspekte des Sportlers, z.B. der Körperform, der Trägheitseigenschaften, der Masse, der Interaktionskräfte zur Umwelt oder charakteristischer Bewegungsabläufe zum Zweck der Durchführung gezielter Experimente zur Untersuchung des dynamischen Systemverhaltens Sportler-Sportgerät-Umwelt. Dazu werden drei Fallbeispiele aus der Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe HLST an der Technischen Universität Chemnitz mit Methoden zur Verifikation von Simulationsmodellen – dem strukturierten Durchgehen, der Validierung im Dialog und dem Schreibtischtest – analysiert. Die Analyseergebnisse werden in eine Grobstruktur eingebettet, die aus relevanten Vorarbeiten zur Anwendung der Allgemeinen Modelltheorie abgeleitet ist. Die in den jeweiligen Fallbeispielen verwendeten Prozessschritte, Methoden und Werkzeuge werden dargestellt und die Entwicklungsergebnisse erörtert. Im Abschluss jedes Fallbeispiels wird der Entwicklungsprozess anhand von einheitlichen Kriterien bewertet. In einem abschließenden Schritt erfolgt die Zusammenführung der im Stand der Technik dargelegten Grundlagen und der in den drei Fallbeispielen gewonnenen Informationen zu einer strukturieren und kommentierten Methodik. / In this dissertation a methodology is conceived that aims to structure the development process of test arrangements that mechanically simulate the interaction of athlete, sports equipment and environment. Mechanical simulation in this context is defined as the physical replication of specific properties of the athlete (e.g. the shape of the human body, body weight, joint kinematics, inertia, external forces in specific movements) in order to conduct experiments to investigate the dynamic behavior of the system athlete-equipment-environment. Therefore, three case studies of mechanical simulation models that have been developed at Technische Universität Chemnitz are analyzed by applying the validation and verification methods “structured walkthrough”, “face validity” and “desk checking”. The results of that analysis are embedded into a framework that is derived by literature review on applied model theory. For each of the three development processes the procedure model is identified and main tools and methods are discussed. Every case study is finally assessed by using standardized evaluation criterions. Finally, the main findings of the analysis of the case studies as well as knowledge obtained by reviewing the state of the art in model theory and simulation methods are used to build up a structured and commentated guideline.

Physik gibt es überall dort, wo Materie: Maßnahmen wie Energie, Masse, Temperatur, Geschwindigkeit, Größe und Steifigkeit sind alle Beispiele der physikalischen Eigenschaften. Solche Mengen sind wichtige Charakterisierungen für biologische Organismen: Sie verändern die ganze Zeit während des gesamten Lebenszyklus. Für eine Bio-Mechaniker, Steifigkeit ist eine wichtige Maßnahme zur biologischen Design zu verstehen. Weil biologische Bausteine so klein wie 1 nm (Protein / DNA / Lipid) sein können, sind spezielle Techniken erforderlich, um ihre Steifigkeit zu studieren. Beide Rasterkraftmikroskopie (AFM) und optischen Pinzetten können verwendet werden, um aktiv zu verformen die Objekte an pN-nN Kräfte und messen die Verformung auf Nanometer Längenskalen werden. In dieser Arbeit AFM wird angewandt, um die Mechanik von Influenza-Viren, Liposomen und lebenden Zellen zu studieren. Das Genom von Viren von einer Proteinhülle und in einigen Fällen eine zusätzliche Lipidhülle verpackt. Dieser Verbund Shell hat widersprüchliche Rollen: er hat das virale Genom zu schützen, aber es sollte auch ermöglichen Auspacken während der viralen Infektion in das Genom zu lösen. Influenza-Virus ist das weichste Virus jemals gefunden, aber zur gleichen Zeit eine sehr hartnäckige Virus verursacht jährliche Pandemien. Ein besseres Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Influenza-Virus kann uns helfen zu verstehen, warum das Virus so erfolgreich ist. Die mechanischen Eigenschaften von Influenza-Viren wurden durch AFM gemessen und mit den Liposomen der viralen Lipid hergestellt. Wir haben gefunden, dass die Influenzavirus-Mechanik durch seine Lipidhülle (~ 70%) werden dominiert. In Kapitel 2 haben wir gezeigt, dass anstelle der Verwendung einer starren Proteinkapsid die Lipidhülle ausreicht, um das Influenza virale Genom zu schützen. In Kapitel 3 haben wir weitere blickte in die Funktion des M1 Proteinhülle während der viralen Infektion. Ein Zwischenprodukt Auspacken Schritt wurde durch Messen der in fluenzavirale Steifigkeit bei pH 7, 6, 5,5 und 5, Bedingungen, die die Ansäuerung Umgebungen auf der viralen Infektion nachahmen Stoffwechselweg entdeckt. Der Zwischenschritt wurde weiterhin als wesentlich erwiesen für eine erfolgreiche Infektion. Wir schlagen vor, dass das Influenza-Virus hat sich zu eng synchronisiert die verschiedenen Schritte ihrer Auspacken mit pH-

Zellmembranen sind hochspezialisierte Mehrkomponentenlegierungen, welche sowohl die Zelle selbst als auch ihre Organellen umgeben. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei vielen biologisch relevanten Prozessen wie die Signaltransduktion und die Zellbewegung. Aus diesem Grund ist eine genaue Charakterisierung ihrer Eigenschaften der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens sowie ihrer Erkrankungen. Besonders Krebs steht im engen Zusammenhang mit Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften vom Gewebe, Zellen und ihren Organellen. Während Veränderungen des Zytoskeletts von Krebszellen im Fokus vieler Biophysiker stehen, ist die Bedeutung der Biomechanik von Zellmembran weitgehend unklar. Zellmembranen faszinieren Wissenschaftler jedoch nicht nur wegen ihrer biomechanischen Eigenschaften. Sie sind auch Beispiele für eine selbstorganisierte und heterogene Landschaft, in der Prozesse fernab des Gleichgewichtes, wie z.B. räumliche und zeitliche Musterbildungen, auftreten. Die vorgelegte Dissertation untersucht erstmals umfassend die zentrale Rolle der Zellmembran und ihrer molekularen Architektur für die Signalübertragung, die Biomechanik und die Zellmigration. Hierfür werden einfache Modellmembranen aber auch komplexere Vesikel und ganze Zellen mittels etablierter physikalischer Methoden analysiert. Diese reichen von Fourier- Analysen zur Charakterisierung von thermisch angeregten Membranundulationen über Massenspektrometrie und ‘Optical Stretcher’ Messungen von ganzen Zellen bis hin zur Filmwaagentechnik. Des Weiteren wird ein Modellsystem vorgestellt, welches sowohl einen experimentellen als auch einen mathematischen Zugang zum ‘ME-switch’ ermöglicht. Die vorgelegte Dissertation bietet neue Einblicke in wichtige Funktionen von Zellmembranen und zeigt neue therapeutische Perspektiven in der Membran- und Krebsforschung auf.:1 Introduction 2 Background 2.1 The Cell Membrane 2.1.1 Lipids in Cell Membranes 2.1.2 Membrane Proteins 2.1.3 An Overview on Membrane Models 2.1.4 Lipid Rafts 2.2 Model Membranes – An Experimental Access to Cell Membranes 2.2.1 Surface Tension and Thermodynamic Equilibrium 2.2.2 Langmuir Monolayer 2.2.3 The Polymorphism of Langmuir Monolayers 2.2.4 Membrane Vesicles 2.3 Biological Membranes as Semiflexible Shells 2.3.1 Elasticity of Soft Shells 2.3.2 Helfrichs Theory About Bending Deformations 2.3.3 Membrane Undulation 2.4 Membranes in Cell Signaling 2.4.1 Signal Transduction Fundamentals 2.4.2 Phosphoinositides 2.4.3 Phosphatidylinositol Signaling Pathway 2.4.4 The Myristoyl-Electrostatic Switch 2.5 Reaction-Diffusion Systems 2.5.1 Diffusion 2.5.2 Michaelis-Menten Kinetics 2.5.3 Reaction-Diffusion Systems 3 Methods, Materials and Theory 3.1 Optical Microscopy 3.1.1 Fluorescence Microscopy 3.1.2 Phase Contrast Microscopy 3.2 Cell Culture and GPMV Formation 3.2.1 Tumor Dissociation and Cell Culturing of Primary Cells 3.2.2 Cell Lines and Cell Culturing 3.2.3 Preparation of Giant Plasma Membrane Vesicles 3.3 Optical Stretcher 3.4 Fourier Analysis of Thermally Excited Membrane Fluctuations 3.4.1 The Quasi-Spherical Model – Membrane Fluctuations 3.4.2 Determination of the Bending Rigidity 3.5 Mass Spectrometry 3.5.1 MALDI-TOF Mass Spectrometry 3.5.2 ESI Mass Spectrometry 3.6 Migration, Invasion and Cell Death Assays 3.7 Langmuir-Blodgett Technique 3.7.1 Langmuir Troughs and Film Balances 3.7.2 Experimental Setup and Monolayer Preperation 3.7.3 Phospholipids, Dyes and Buffer Solutions 4 Fluctuations in Cell Membranes 4.1 Cell Membrane Softening in Human Breast and Cervical Cancer Cells 4.1.1 Bending Rigidity of Human Beast and Cervical Cell Membranes 4.1.2 MALDI-TOF Analysis of Lipid Composition 4.1.3 Summary and Discussion 4.2 Targeting of Membrane Rigidity – Implications on Migration 4.2.1 ESI Tandem Analysis of Lipid Composition 4.2.2 Biomechanical Behavior of Whole Cells and Membranes 4.2.3 Migration and Invasion Behavior 4.2.4 Summary and Discussion 5 Oscillations in Cell Membranes 5.1 Mimicking the ME-switch 5.1.1 DPPC/PIP2 monolayers at the presence of MARCKS 5.1.2 Lateral organization of PIP2 in DPPC/PIP2 monolayers 5.1.3 Translocation of MARCKS 5.1.4 Phosphorylation of MARCKS by PKC 5.1.5 Summary and Discussion 5.2 Dynamic Membrane Structure Induces Temporal Pattern Formation 5.2.1 Mechanism of the Oscillation 5.2.2 Modeling the ME-switch 5.2.3 Time Evolution 5.2.4 Phase Diagrams and Open Systems 5.2.5 Summary and Discussion 6 Conclusion and Outlook Appendix Bibliography List of Figures List of Abbreviations Acknowledgement

Einfluss von Traktion auf das Bewegungsverhalten im Fußball - Interaktion zwischen Sohlenkonfigurationen von Fußballschuhen und Kunstrasen der dritten Generation Einleitung/Zielstellung: In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Kunstrasen im Fußball enorm an Bedeutung zugenommen. Dabei sind qualitativ hochwertige Kunstrasenplätze (3. Generation, FIFA 2-Star) von der FIFA zum offiziellen Spielbetrieb zugelassen. Neuste Verletzungsstudien und Spielanalysen zeigen, dass sich die Eigenschaften von Kunstrasen und Naturrasen im Bezug auf Verletzungshäufigkeit und Spielgeschehen nicht gravierend unterscheiden (Ekstrand et al. 2006, FIFA 2009d). Doch sind Bewegungsverhalten und Bewegungsstrategien der Spieler auf Kunstrasen im Fußball noch nicht vollkommen verstanden. Ein Hauptkriterium für das Bewegungsverhalten des Sportlers sind die Traktionsverhältnisse – die Interaktion zwischen Schuh und Spielfläche (Sterzing et al. 2007). Hierfür nimmt die Sohlenkonfiguration eines Fußballschuhs, die durch Anzahl, Länge, Anordnung und Material der Nocken modifizierbar ist, eine zentrale Rolle ein. Die Traktionsverhältnisse haben dabei einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Belastung des Sportlers (Shorten et al. 2003). Auf Kunstrasen verwenden Sportler Fußballschuhe mit einer Sohlenkonfiguration, die für Naturrasen entwickelt worden ist. Zum Zeitpunkt dieser Arbeit gab es nur vereinzelte und unsystematische Forschungen bezüglich Sohlenkonfigurationen für Kunstrasen. Somit herrscht eine Diskrepanz zwischen einer „neuen“ verwendeten Spielfläche und „alten“ getragenen Schuhen. In der Bewegungswissenschaft dient eine komplexe Sportschuhforschung dazu, Kriterien wie Traktionsverhältnisse zu untersuchen. Die komplexe Sportschuhforschung setzt sich dabei aus sportmotorischen, subjektiven, biomechanischen und mechanischen Messungen zusammen. Generell richtet sich dabei der Fokus von biomechanischen Messungen auf die genutzte Traktion, von mechanischen Messungen auf die verfügbare Traktion. In diesem Zusammenhang ist das Konzept von verfügbarer und genutzter Traktion von Fong et al. (2009) aufgezeigt. Geeignete Traktionsverhältnisse hinsichtlich einer besseren Leistungsfähigkeit spiegeln sich in höheren biomechanischen Scherkräften und einer besseren subjektiven Bewertung wider. Diese höheren biomechanischen Scherkräfte ermöglichen dem Sportler eine schnellere Laufzeit zu erzeugen. Ungeeignete Traktionsverhältnisse hinsichtlich einer erhöhten Belastung für den Sportler können sich durch eine Kombination oder Verbindung von einer relativ starken Fixierung des Schuhs mit der Spielfläche und erhöht auftretenden Gelenksmomenten der unteren Extremitäten auszeichnen. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Traktionsverhältnissen verschiedener Sohlenkonfigurationen von Fußballschuhen auf Kunstrasen. Dabei standen sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Belastung des Sportlers im Fokus der Arbeit. Außerdem ist der Einfluss von verschiedenen Rahmenbedingungen, wie Traktionsverhältnisse und verschiedene Bewegungsaufgaben (zeitliche Verzögerung durch Reaktion), auf die Bewegungsausführung von Sportlern bei schnellen Umkehrbewegungen analysiert worden. Methodik: Die Arbeit beinhaltet in einem Zeitrahmen von drei Jahren, drei aufeinander aufbauende Studien mit unterschiedlichem Untersuchungsdesign. Inhalte und Fragestellungen der einzelnen Studien ergaben sich aus den Erkenntnissen der jeweils davor durchgeführten Studie. Einzelne Messungen der Studien fanden entweder im Labor oder auch teilweise auf Sportplätzen als Feldtest statt. Studie 1 untersuchte die Traktionsverhältnisse von drei gängigen Sohlenkonfigurationen (Multinocken, Nocken, Stollen) und eines Prototypen (Kunstrasenmodell) hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und funktionaler Nutzung. Inhalte waren ein sportmotorisches, subjektives, biomechanisches und mechanisches Testverfahren. Grundlegende Traktionsvariablen der einzelnen Testverfahren waren die Laufzeit der Probanden durch einen Slalom- und Sprintparcours, die subjektive Einschätzung der Probanden hinsichtlich der Traktionseignung der Sohlenkonfigurationen, Bodenreaktionskraftvariablen, wie horizontale Scherkräfte und der Kraftwert aus Scherkraft dividiert durch Vertikalkraft, bei verschiedenen fußballspezifischen Bewegungsausführungen und mechanische Traktionsvariablen wie Reibungskoeffizienten und Kraftanstiegsraten. In Studie 2 wurde das Bewegungsverhalten bei verschiedenen Sohlenkonfigurationen (Schuh ohne Nocken, Kunstrasenmodell, Nocken, Stollen) mit Hilfe einer biomechanischen Messung (Bewegungsanalyse) bei einer schnell ausgeführten Umkehrbewegung analysiert. Ziel war es, Bewegungsadaptationen aufgrund unterschiedlicher Traktionsverhältnisse kinematisch und kinetisch zu quantifizieren. Grundlegende Untersuchungsaspekte waren hierbei die Gelenksmomente der unteren Extremitäten, die horizontale Fußtranslation, definiert als relative Bewegung des Schuhs auf der Spielfläche während des Bodenkontakts und Winkelverläufe einzelner Segmente und Gelenke. In Studie 3 wurde der Einfluss auf das Bewegungsverhalten bei reaktiven Bewegungsausführungen gegenüber aktiven Bewegungsausführungen mit verschiedenen Sohlenkonfigurationen (Kunstrasenmodell, Nocken) bei einer schnell ausgeführten Umkehrbewegung untersucht. Für diese Studie diente erneut ein biomechanisches Testverfahren (Bewegungsanalyse) zur Analyse von kinematischen und kinetischen Variablen von Reaktion und Sohlenkonfigurationen. Für alle drei Studien stand insgesamt ein Probandenpool aus 58 männlichen Fußballspielern (Alter: 22.4 ± 3.3Jahre, Größe: 177.2 ± 4.6cm, Gewicht: 71.4 ± 5.6kg, Fußballpraxis: 6.4 ± 3.7h/Woche) zur Verfügung. Für die statistische Auswertung konnte mittels der Varianzanalyse für Mehrfachmessungen (ANOVA) und gegebenenfalls einer Post-Hoc Analyse nach Bonferroni zwischen den Sohlenkonfigurationen für sportmotorische und biomechanische Variablen diskriminiert werden. Für subjektive Testverfahren wurde der Friedman-Test verwendet, um zwischen Sohlenkonfigurationen zu unterscheiden. Die statistische Auswertung des mechanischen Testverfahrens erfolgte deskriptiv. In Studie 3 wurden die Daten mit einer zweifaktoriellen ANOVA mit Messwiederholung (Schuh und Reaktion) analysiert. Außerdem wurde in dieser Studie zusätzlich das Joint Coupling verwendet (Heiderscheidt et al. 2002). Ergebnisse: Traktionsverhältnisse auf Kunstrasen der dritten Generation beeinflussen die Leistungsfähigkeit des Sportlers und die Belastungen für den Körper des Sportlers. Flächig verteilte Sohlenkonfigurationen, wie das Multinocken- und Kunstrasenmodell, ermöglichen dem Sportler im Vergleich zu Sohlenkonfigurationen mit sehr langen Stollen, schneller einen Laufparcours zu durchlaufen. Schneller Laufzeiten werden außerdem auch subjektiv von den Sportlern wahrgenommen. Mit diesen Sohlenkonfigurationen erzielen die Sportler außerdem höhere biomechanische Scherkräfte. Hohe mechanische Traktionswerte spiegeln sich dabei nicht zwangsläufig in einer besseren Leistungsfähigkeit der Sportler. Niedrige Traktionsverhältnisse erzeugen bei schnellen Umkehrbewegungen einen vertikaleren Fußaufsatz und reduzierte Gelenksmomente durch ein erhöhtes „Rutschrisiko“. Dies führt zu einem Verlust an Leistungsfähigkeit. Hohe und exzessive Traktionsverhältnisse weisen sowohl eine relativ starke Fixierung des Schuhs mit der Spielfläche als auch hohe Gelenksmomente während des Richtungswechsels auf. Bewegungsadaptationen zwischen Fußballschuhen treten primär im distalen Bereich der unteren Extremitäten auf. Reaktive Bewegungsausführungen zeichnen sich aufgrund einer längeren Reaktionsphase gegenüber aktiven Bewegungsausführungen mit einem ungünstigen Fußaufsatz aus. Dies zeichnet sich bei Umkehrbewegungen durch eine geringere Tibiarotation und Fußadduktion in die neue Bewegungsrichtung aus. Während der Umkehrbewegung wird diese ungünstige Stellung der unteren Extremitäten primär durch einen verstärkten Eversionswinkel im Sprunggelenk kompensiert. Bei reaktiven Bewegungsausführungen sind außerdem die Momente im Knie- und Sprunggelenk erhöht. Unterschiede im Bewegungsmuster bei Sohlenkonfigurationen, die sich im Aufbau nicht stark unterscheiden, können bei verschiedenen Rahmenbedingungen nicht gefunden werden. Diskussion: Sohlenkonfigurationen beeinflussen das Bewegungsverhalten auf Kunstrasen. Niedrige Traktionsverhältnisse spiegeln sich in einem vorsichtigeren Bewegungsverhalten durch ein erhöhtes „Rutschrisiko“ wider, zu hohe Traktionsverhältnisse implizieren durch eine starke Fixierung des Sportlers mit der Spielfläche ebenfalls ein vorsichtigeres Bewegungsmuster. Nach dem Konzept von Fong et al. (2009) zeigen flächig und eben verteilte Sohlenkonfigurationen eine biomechanisch höhere genutzte Traktion. Im Gegensatz dazu, weisen Sohlenkonfigurationen mit langen Stollen eine höhere mechanisch verfügbare Traktion auf. Diese hohen mechanischen Traktionseigenschaften verhindern dabei aber den Sportler mit seiner bestmöglichen Leistung zu agieren. Flächig und eben verteilte Sohlenkonfigurationen wirken sich somit auf Kunstrasen der dritten Generation hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Belastung für den Körper positiv aus. Dabei erzeugen hohe biomechanische Scherkräfte eine schnellere Abstoppbewegung oder eine kraftvollere Abstoßbewegung, die sich bei schnellen Umkehrbewegungen positiv auf die Bewegungsausführung auswirkt. Laufzeiten durch Parcours (Krahenbuhl 1974, Sterzing et al. 2009) und biomechanische Scherkräfte (Valiant 1988, Morag & Johnson 2001, Shorten et al. 2003) dienen als geeigneten Variablen, um Traktionsverhältnisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit zu untersuchen. Sowohl die Eindringtiefe der Nocken in die spezielle Verfüllung von Kunstrasen als auch die Verteilung der Nocken (Abstand Vorfuß- Rückfußnocken) können dabei die Traktionsverhältnisse von Fußballschuhen beeinflussen. Gelenksmomente und die horizontale Fußtranslation sind geeignete Indikatoren für die Belastungen der unteren Extremitäten während schnellen Richtungswechseln (Torg & Quedenfeld 1971, Ryder et al. 1997). Dabei erzeugen Sohlenkonfigurationen mit hohen mechanisch verfügbaren Traktionsverhältnisse eine niedrige horizontale Fußtranslation und erhöhte Gelenksmomente. Primär finden Adaptationsprozesse durch unterschiedliche Traktionsverhältnisse von Fußballschuhen im distalen Bereich der unteren Extremitäten statt. Dies könnte in Verbindung zu den Aussagen von Studien stehen, die im Fußball dem Sprunggelenk die größte Verletzungshäufigkeit zusprechen (Ekstrand et al. 2006). Reaktive Bewegungsausführungen können als weiteren möglichen Faktor für Verletzungen im Fußball herangezogen werden (Besier et al. 2001a). Hierfür richtet sich bei reaktiv durchgeführten Richtungswechseln erneut der Fokus auf das Sprunggelenk. Durch eine zeitliche Verzögerung bei reaktiven Bewegungen ist die Stellung der unteren Extremitäten des Sportlers im Vergleich zu aktiven Bewegungen weniger in die neue Bewegungsrichtung gebracht. Diese ungünstigere Stellung versucht der Sportler primär über eine verstärkte Eversion des Sprunggelenks zu kompensieren. Diese Kompensation kann für den Sportler ein erhöhtes Belastungsprofil im Sprunggelenk bedeuten (Giza et al. 2003). Allgemein lässt sich feststellen, dass sich ähnliche Sohlenkonfigurationen bei Probandentests hinsichtlich von Traktionsmessungen nur marginal unterscheiden. Eine Kombination von einer Vielzahl an möglichen Adaptationsprozessen, die sich in der Summe nivellieren, scheinen hierbei die Traktionseigenschaften von leicht unterschiedlichen Sohlenkonfigurationen zu überschatten. Eine Kombination aus sportmotorischem, subjektivem, biomechanischem und mechanischem Testverfahren ermöglicht eine allgemeingültige Aussage über Traktionsverhältnisse von Sohlenkonfigurationen auf Kunstrasen. Zusammenfassung: Traktionsverhältnisse, modifizierbar durch unterschiedliche Sohlenkonfigurationen, können die Leistungsfähigkeit der Sportler und die Belastungen der unteren Extremitäten beeinflussen. Auf Kunstrasen der dritten Generation erweisen sich eben und flächig verteilte Sohlenkonfigurationen als Vorteilhaft. Die Belastungen der unteren Extremitäten können sich durch reaktive Bewegungsausführungen weiter erhöhen. / Influence of traction properties on movement patterns in soccer – Interaction between sole configurations of soccer boots and 3rd generation artificial turf Introduction/Objective: In recent years the development of artificial soccer turfs got an enormous enhancement. Thereby, high quality types of artificial soccer turfs (3rd generation, FIFA 2-star) were approved for official game play by the FIFA. Latest injury studies and game analysis studies showed that characteristics between artificial turf and natural grass do not differ for injury rates and playing style (Ekstrand et al. 2006, FIFA 2009d). However, movement patterns and movement strategies of soccer players on artificial turf are yet not fully understood. Main criteria for movement patterns of soccer players are traction properties – the player-surface interaction (Sterzing et al. 2007). Therefore, sole configurations of a soccer boot modifiable in numbers, length, geometry and material of studs plays an influencing role. Traction properties influence performance aspects and loads acting on the players’ body (Shorten et al. 2003). On artificial turf players normally use soccer boots with sole configurations designed for playing on natural grass. At the time of this project there were only isolated and unsystemmatic researches according to sole configurations for artificial turf. Thus, there is a discrepancy between a “new” surface and “old” shoes in soccer. In human locomotion a comprehensive assessment of athletic footwear is used to analyse criteria such as traction properties. Comprehensive assessment of athletic footwear contains motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing. Generellay, biomechanical measurements focus on utilized traction, mechanical measurements on available traction. In this context, the concept of available and utilized traction is distinguished by Fong et al. (2009). Suited traction properties with regard to performance aspects might be reflected in higher utilized biomechanical shear forces and better perception. These higher biomechanical shear forces enable the player to run faster. Unsuited traction properties with regard to higher loads acting on the players’ body might be displayed by a combination or a linkage of relative fixed shoes with the ground and higher joint moments at the lower extremities. The objective of this doctoral thesis was to investigate traction properties of various sole configurations of soccer boots on artificial turf. Thereby, performance aspects as well as loads acting on the players’ body were on the focus of this doctoral thesis. Additionally, the influence of various basic conditions like traction properties and movement requirements (time constraint due to reaction) on movement pattterns were analyzed during dynamic changes of direction. Methods: This doctoral thesis contained three interdependent studies with several methods in a time period of three years. Topics and questions of each single study were resulted in the findings of the respective study before. Single testing sessions took place either in laboratory environment or partly on the pitch as field testing. In study 1 traction properties of three current available sole configurations (hard ground, firm ground and soft ground) and one prototype (artificial turf) were investigated with regard to performance aspects. Topics were motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing. Fundamental traction variables of the testing sessions were running times of subjects through a slalom and acceleration course, traction perception of subjects according to liking of the sole configurations, ground reaction forces variables like horizontal shear forces and force ratio, shear force divided by vertical force, during several soccer-specific movements and mechanical traction variables like traction coefficients and force rising rates. In study 2 movement patterns of various sole configurations (soccer boot without studs, artificial turf, firm ground and soft ground) were analyzed via biomechanical testing (motion analysis) during dynamic turning movements. The purpose of this study was to quantify movement adaptations based on different traction properties. Fundamental research aspects were joint moments of the lower extremities, horizontal foot translation, defined as the relative motion of the shoe on the surface during ground contact and angles of several segments and joints of the lower extremities at touchdown and during turning. In study 3 the influence on movement patterns during reactive movements compared to active movements wearing various sole configurations (artificial turf, firm ground) during dynamic turning movements were investigated. For this study also biomechanical testing (motion analysis) served for analysis of kinematic and kinetic variables of reaction and sole configurations. For all three studies a subject pool of 58 male soccer players (age: 22.4 ± 3.3years, height: 177.2 ± 4.6cm, weight: 71.4 ± 5.6kg, experience: 6.4 ± 3.7h/week) was available. Statistical analysis was done by a one way repeated measured ANOVA and a post-hoc test by Bonferroni for motor performance and biomechanical variables to discriminate between sole configurations, if this was appropriate. For subjective testing, Friedman-test were used to differentiate between sole configurations. For mechanical testing, descriptive statistics were applied. In study 3 the data were analyzed according to two factors (shoe and reaction). Additionally, in this study vector coding was done (Heiderscheidt et al. 2002). Results: On 3rd generation artificial turf, traction properties influenced performance aspects of players and loads acting on the players’ body. Plane distributed sole configurations like hard ground and artificial turf design enabled the players to run faster through a traction course compared to aggressive sole configurations. Faster running times were well reflected by players’ perception. Plane distributed sole configurations were also perceived to be better suited on artificial turf. Additionally, these sole configurations provoked statistically higher biomechanical shear forces. High mechanical traction properties did not automatically lead to better performance aspects of the players. During dynamic changes of direction, too low traction properties provoked more vertical alignment with respect to perpendicular of the lower extremities and lower joint moments. High and excessive traction properties displayed a relative fixed shoe-ground interface as well as high joint moments during dynamic changes of direction. Movement adaptations with regard to soccer boots were primary shown in the distal part of the lower extremities. Reactive movement patterns showed an unsuited foot and leg placement at initial ground contact based on a longer phase of reaction compared to active movement patterns. This unsuited foot and leg placement was shown by reduced tibial rotation and foot adduction through new running direction. During turning this unsuited foot and leg placement were primary corrected by an increased ankle eversion angle. Additionally, higher knee and ankle joint moments were observed for reactive movement patterns. Differences in movement patterns for sole configurations, which are pretty similar in composition, were not found during reactive movements. Discussion: Sole configurations influence movement patterns and movement strategies on artificial turf. Low traction properties indicate more cautious movement behaviour due to risk of slipping, too high traction, implicated by high foot fixation of the player with the surface, indicate also more cautious movement behaviour. Referring the concept of Fong et al. (2009) plane distributed sole configurations provoke higher biomechanical utilized traction. In contrast, pronounced sole configurations with long studs provoke high mechanical available traction. However, these high and excessive mechanical traction properties disabled the subjects to perform with their best capacity. Therefore, plane and evenly distributed sole configurations showed positive aspects for performance and loads acting on the players’ body on 3rd generation artificial turf. Therefore, high biomechanical shear forces produce faster stops or more dynamic propulsion, which influence the performance positively during dynamic changes of direction. Running times through traction courses (Krahenbuhl 1974, Sterzing et al. 2009) and biomechanical shear forces (Valiant 1988, Morag & Johnson 2001, Shorten et al. 2003) were suited variables to detect traction properties according to performance. Penetration of studs into the ground as well as distribution of studs (distance between fore- and rearfoot studs) may play an influencing role on traction properties for soccer boots. Joint moments and horizontal foot translation are suited indicators for the loads acting on lower extremities during dynamic changes of direction (Torg & Quedenfeld 1971, Ryder et al. 1997). Thereby, sole configurations with too high mechanical traction show a combination of decreased horizontal foot translation and increased joint moments. These adaptation processes based on traction properties of soccer boots are primary shown in distal part of the lower extremities. There might be a linkage to reports showing ankle injuries are most common in soccer (Ekstrand et al. 2006). Additionally, reactive movement patterns may be another risk factor for injuries in soccer (Besier et al. 2001a). Due to time constraint for reactive movement patterns the foot and leg placement of the lower extremities are rotated to a lesser extend in new running direction compared to active movement patterns. This unprepared foot and leg placement were primary compensated by an increased eversion at ankle. This compensation might mean increased ankle loadings (Giza et al. 2003). In general it has been showed that pretty similar sole configurations only differ marginal with regard to traction properties during subjects testing. A combination of several adaptation processes, which levelled out in sum, might overshadow traction properties of marginal different sole configurations. A combination of motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing allow to give a generally statement about traction properties of sole configurations on artificial turf. Conclusion: Traction properties, modifiable by different sole configurations, could play an influencing role for performance aspects of the players and for the loads of the lower extremities. On 3rd generation artificial turf plane and evenly distributed sole configurations work better than pronounded sole configurations. Loads of the lower extremities could be increased by reactive movement patterns.

Einführung Der Pronation, als Bewegungsrichtung der Rückfußbewegung, ist in der biomechanischen Forschung in der Vergangenheit sehr viel Aufmerksamkeit geschenkt worden. In den unzähligen Veröffentlichungen zur Pronation wiederholen sich zwei Kernaussagen: Einerseits ist Pronation ein natürlicher Dämpfungsmechanismus, der andererseits bei übermäßiger Ausprägung zu Überlastungsschäden führen kann. Zu beiden Aussagen finden sich viele Untersuchungen, doch eindeutig belegt oder widerlegt sind beide nicht. Die vorliegende Arbeit möchte anhand von Untersuchungen zur Methodik der Bewegungsanalyse des Rückfußes dazu beitragen, den Diskrepanzen der verschiedenen Studienergebnisse auf den Grund zu gehen. Die Arbeit gliedert sich dazu in zwei Teile: Im ersten Teil werden diverse interne und externe Faktoren auf ihr pronationsbeeinflussendes Potential dargestellt. Für den zweiten Teil werden erstens das Elektrogoniometer, als gebräuchliches Messsystem der Rückfußbewegung, mit Hilfe der stereophotogrammetrischen Bewegungsanalyse (Goldstandard) validiert und zweitens innovative Messsysteme mit Schwerpunkt auf mobiler Bewegungsanalyse der Rückfußbewegung (Hall- und Drucksensoren, Gyrometer) entwickelt und ebenfalls validiert. Methodik Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Reihe von Einzelstudien durchgeführt, deren Methodik schwer zu verallgemeinern ist. Grundsätzlich kamen hauptsächlich Laborstudiendesigns zur Anwendung, in denen Gelenkwinkelamplituden, -ausmaße und -geschwindigkeiten der Rückfußbewegung analysiert wurden. In den Laborstudien der Einflussfaktoren wurde die Rückfußbewegung dabei entweder mit stereophotogrammetrischer Bewegungsanalyse oder mit dem Elektrogoniometer erfasst. Bei einer Ermüdungsstudie mit Feldtestdesign wurde die Rückfußbewegung mittels Gyrometer erfasst. Zur Validierung innovativer Messsysteme der Rückfußbewegung wurde entweder die stereophotogrammetrische Bewegungsanalyse oder das Elektrogoniometer verwendet. Ergebnisse Anhand der in der Arbeit vorgenommenen Analyse der pronationsbeeinflussenden Faktoren muss geschlussfolgert werden, dass Einflussfaktoren auf die Rückfußbewegung unzureichend verstanden sind. Die Einflussfaktoren lassen sich grundsätzlich jedoch in drei Gruppen einteilen: 1. kaum erforschte Faktoren (z.B. Alter, Geschlecht, Fußdimensionen, individueller Laufstil und generelle Bewegungsart), 2. kontrovers diskutierte Faktoren (z.B. Fußform, Gelenkkoppelung, genereller Schuheinfluss und Ermüdung) und 3. gesicherte Faktoren (z.B. USG-Achsenorientierung, varus / valgus-modifizierte Schuhgeometrie, Laufgeschwindigkeit). Für Laboruntersuchungen bieten, neben der stereophotogrammetrischen Bewegungsanalyse, zwei weitere Messsysteme, Elektrogoniometer und Gyrometer, vergleichbare Resultate bei der Bestimmung der Rückfußkinematik auf. Das Elektrogoniometer zeigte mittlere bis hohe, das Gyrometer nur mittlere Korrelationen bei den betrachteten Parametern. Hall- und Drucksensoren konnten zwar für eine gegebene Stichprobe rekursiv zur Bestimmung der Rückfußparameter verwendet werden, bei unbekannten Probanden oder alternativen Schuhmodellen lagen die Bestimmtheitsmaße jedoch nicht im akzeptablen Bereich. Dennoch sind für Messungen der Sohlendeformation mit Hilfe von Hallsensoren andere Anwendungsbereiche vorstellbar und auch realisierbar. Für Felduntersuchungen der Rückfußbewegung hat das Gyrometer das größte Potential. Es war im Rahmen dieser Arbeit bereits möglich, einzelne Parameter der Rückfußbewegung (Eversiongeschwindigkeit und -ausmaß) valide in mobilen Einsatzszenarien zu bestimmen. Schlussfolgerungen und Ausblick Die wichtigste Fragestellung für die biomechanische Forschung in Bezug auf die Rückfußbewegung ist die Klärung, ob ein Zusammenhang mit der Entstehung von Überlastungsschäden besteht. Aus den Erkenntnissen dieser Arbeit lassen sich fünf Kernzielstellungen skizzieren, die beachtet werden sollten, um dieser Frage nachzugehen: 1. Entwicklung von mobilen und direkten Messsystemen, zur Erfassung der Rückfußbewegung, nicht der des Schuhs, im natürlichen Bewegungsumfeld, 2. methodische und inhaltliche Diskussion und Standardisierung der Rückfußparameter, 3. Erweiterung der isolierten Betrachtung der Rückfußbewegung auf umliegende Segmente und Gelenke, 4. Kontrolle bzw. Einbeziehung von pronationsbeeinflussenden Faktoren in Untersuchungsdesigns und 5. Durchführung von großangelegten Längsschnittuntersuchungen.:Zusammenfassung ii Abstract v Abbildungsverzeichnis xv Tabellenverzeichnis xvii Abkürzungsverzeichnis xviii Einleitung 1 Vorbemerkung zu den Studiendesigns der Studienreihe 4 I Anatomische und bewegungswissenschaftliche Grundlagen 7 1 Funktionale Anatomie des Sprunggelenks 8 2 Parameter der Rückfußmessung 12 2.1 Benennung 12 2.2 Traditionelle diskrete Parameter 12 2.3 Diskrete Parameter der vorliegenden Studienreihe 17 II Pronationsbeeinflussende Faktoren 21 3 Anatomische Merkmale 23 4 Geschlecht und Alter 27 4.1 Geschlecht als möglicher Einflussfaktor auf die Rückfußbewegung 27 4.2 Alter als möglicher Einflussfaktor auf die Rückfußbewegung 28 5 Bewegungsart 30 5.1 Rückfußbewegung beim Springen 31 5.1.1 Laborstudie: Vergleich der Rückfußbewegung beim Laufen und Springen 33 5.1.1.1 Zielstellung & Hypothesen 33 5.1.1.2 Methodik 33 5.1.1.3 Ergebnisse & Diskussion 35 6 Laufgeschwindigkeit 39 6.1 Laborstudie: Einfluss der Laufgeschwindigkeit auf die Rückfußbewegung 41 6.1.1 Zielstellung & Hypothesen 41 6.1.2 Methodik 41 6.1.3 Ergebnisse & Diskussion 42 6.1.4 Fazit 45 7 Ermüdung 46 7.1 Feldstudie: Einfluss sukzessiver Ermüdung auf Eversionsgeschwindigkeit 49 7.1.1 Zielstellungen & Hypothesen 49 7.1.2 Methodik 49 7.1.3 Ergebnisse & Diskussion 53 7.1.4 Fazit 55 8 Schuh 56 8.1 Laborstudie: Beeinflussung der Rückfußbewegung durch den Schuh 60 8.1.1 Zielstellungen & Hypothesen (vgl. Abbildung 8.2): 60 8.1.2 Methodik 61 8.1.3 Ergebnisse BAFO vs. SHOE 65 8.1.4 Ergebnisse SAND vs. FOOT-SAND 67 8.1.5 Ergebnisse BAFO vs. FOOT-SAND 68 8.1.6 Übergreifende Ergebnisse und Diskussion 70 8.2 Laborstudien: Beeinflussung der Eversion mittels gradueller Varusmodifikationen 72 8.2.1 Zielstellung & Hypothese: 72 8.2.2 Methodik 72 8.2.3 Ergebnisse & Diskussion 74 9 Fazit pronationsbeeinflussende Faktoren 78 III Traditionelle und innovative Messsysteme der Rückfußbewegung 81 10 Einführung Messsysteme 82 11 Subjektive Messungen 85 11.1 Feldstudie: Individuelle Wahrnehmung veränderter Eversion, hervorgerufen durch varus-modifizierte Schuhe 87 11.1.1 Zielstellung & Hypothesen: 87 11.1.2 Methodik 87 11.1.3 Ergebnisse 88 11.1.4 Diskussion 91 12 Elektrogoniometer 93 12.1 Laborstudie: Validierung des Goniometers zur Erfassung der Rückfußbewegung 97 12.1.1 Zielstellungen & Hypothesen: 97 12.1.2 Methodik 97 12.1.3 Ergebnisse & Diskussion 98 13 Gyrometer 101 13.1 Laborstudie: Validierung des Gyrometers als Messsystem zur Erfassung der Rückfußbewegung 104 13.1.1 Zielstellungen & Hypothese 104 13.1.2 Methodik 104 13.1.3 Ergebnisse & Diskussion 106 13.1.4 Fazit 108 13.2 Studie: Entwicklung und Evaluation eines mit Gyrometer instrumentier- ten Schuhs zur mobilen Messung der Rückfußbewegung 109 13.2.1 Zielstellung & Hypothese 109 13.2.2 Methodik 109 13.2.3 Validierung EVvel-Erkennung bei mehreren Läufe eines Probanden 110 13.2.4 Validierung EVvel-Erkennung bei weiteren Probanden 111 13.2.5 Ergebnisse & Diskussion 112 13.2.6 Ausblick 113 14 Druckverteilung & Sohlendeformation 115 14.1 Laborstudie: Eversionsbestimmung mittels plantarer Druckverteilung & Sohlendeformation 121 14.1.1 Zielstellung & Hypothesen 121 14.1.2 Methodik 121 14.1.3 Ergebnisse & Diskussion 125 14.1.4 Fazit 129 14.2 Laborstudienreihe: Algorithmusvalidierung 130 14.2.1 Allgemeine Methodik 131 14.2.1.1 Neue Probanden 131 14.2.1.2 Alternative Schuhmodelle 131 14.2.1.3 Weitere Laufgeschwindigkeiten 134 14.2.2 Ergebnisse & Diskussion 134 14.2.2.1 Neue Probanden 134 14.2.2.2 Alternatives Schuhmodell 136 14.2.2.3 Weitere Laufgeschwindigkeiten 140 14.3 Zusammenfassung Druckverteilung & Sohlendeformation 143 15 Photo- / Filmbasierte Messsysteme 144 15.1 Grundlagen stereophotogrammetrischer Messungen 144 15.2 Methodische Richtlinien für stereophotogrammetrischer Rückfußmessungen der vorliegenden Arbeit 147 16 Zusammenfassung Messsysteme 150 IV Schlussbetrachtung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis 157 Anhänge 174 A Fragebogen subjektiven Wahrnehmung der Rückfußbewegung 174 B Wissenschaftlicher Lebenslauf 177 C Selbstständigkeitserklärung 181 / Introduction In previous biomechanical research, a lot of effort has been put into the investigation of rearfoot pronation. In numerous publications, two main assumptions have been postulated: On the one hand, pronation is considered a natural damping mechanism; on the other hand, excessive pronation may lead to overuse injuries. Both assumptions have been intensively investigated; confirmed or negated is neither of the two assumptions so far. Within the frame of this thesis the author tries to contribute to the methodological analysis of rearfoot motion to solve current discrepancies regarding rearfoot motion. The thesis is devided in two parts: In the first part, the influences of various internal and external factors on rearfoot motion are investigated. In the second part, rearfoot motion measurement devices are being validated. Firstly, the elctrogoniometer, a common device used for rearfoot motion measurements, is being validated against the stereophotogrammetric motion analysis system (golden standard) and secondly, innovative devices with their main focus on mobile measurements are being developed and validated. Methods In the case of this thesis, numerous single studies were performed, whose methods vary in such a way, that it is difficult to generalize. Mainly laboratory settings have been used, in which joint angle excursions, ranges of motion and velocities were analysed. In laboratory settings, either a stereophotogrammetric motion analysis system or an electrogoniometer were used to determine rearfoot motion. A gyrometer was utilized in a field test investigating the influence of fatigue on rearfoot motion. Either a stereophotogrammetric motion analysis system or an electrogoniometer were chosen as the golden standard to validate the innovative measurement devices. Results The results of the studies within this thesis regarding pronation influencing factors lead to the conclusion, that factors influencing rearfoot motion are not well understood so far. However, it is possible to divide the investigated factors in three groups: 1. factors, that have received little research attention (e.g. age, gender, foot dimensions, individual running style, general type of movement), 2. factors, that are controversially discussed (e.g. foot shape, joint coupling, general shoe influence, fatigue), and 3. factors that have proven to influence rearfoot motion (e.g. orientation of subtalar joint axis, varus/valgus modified shoes geometry, running velocity). For laboratory investigations two innovative measurements devices, electrogoniometer and gyrometer, have shown similar results compared to the stereophotogrammetric motion analysis system. The correlations of the analyzed parameter were medium to high for the electrogoniometer and medium for the gyrometer. In a known subject sample, using the signals of hall resp. pressure sensors resulted in acceptable rearfoot motion values. However, applied on the data of unknown subjects or alternative shoe models, the calculated rearfoot motion values were way out of an acceptable range. Nevertheless, especially the measurement of midsole deformation by using hall sensors may be useful in further usage scenarios The gyrometer has the highest potential for rearfoot motion measurements within field testings. It was already possible to validly determine various rearfoot motion parameters (eversion velocity and excursion) in mobile testing scenarios. Conclusions and outlook The clarification of a possible correlation between various pronation parameters and the development of overuse injuries turns out to be the most important question for further biomechanical research concerning rearfoot motion. The findings of the thesis indicate five major objectives that should be considered in future research: 1. Development of mobile and direct measurement devices to determine rearfoot motion, not shoe motion, in a natural movement environment, 2. methodological and contentual discussion and standardization of rearfoot motion parameters, 3. extension of the isolated perspective of a single joint motion to adjoining segments and joints, 4. control or integration of rearfoot influencing factors in the testing design and 5. realization of comprehensive longitudinal studies.:Zusammenfassung ii Abstract v Abbildungsverzeichnis xv Tabellenverzeichnis xvii Abkürzungsverzeichnis xviii Einleitung 1 Vorbemerkung zu den Studiendesigns der Studienreihe 4 I Anatomische und bewegungswissenschaftliche Grundlagen 7 1 Funktionale Anatomie des Sprunggelenks 8 2 Parameter der Rückfußmessung 12 2.1 Benennung 12 2.2 Traditionelle diskrete Parameter 12 2.3 Diskrete Parameter der vorliegenden Studienreihe 17 II Pronationsbeeinflussende Faktoren 21 3 Anatomische Merkmale 23 4 Geschlecht und Alter 27 4.1 Geschlecht als möglicher Einflussfaktor auf die Rückfußbewegung 27 4.2 Alter als möglicher Einflussfaktor auf die Rückfußbewegung 28 5 Bewegungsart 30 5.1 Rückfußbewegung beim Springen 31 5.1.1 Laborstudie: Vergleich der Rückfußbewegung beim Laufen und Springen 33 5.1.1.1 Zielstellung & Hypothesen 33 5.1.1.2 Methodik 33 5.1.1.3 Ergebnisse & Diskussion 35 6 Laufgeschwindigkeit 39 6.1 Laborstudie: Einfluss der Laufgeschwindigkeit auf die Rückfußbewegung 41 6.1.1 Zielstellung & Hypothesen 41 6.1.2 Methodik 41 6.1.3 Ergebnisse & Diskussion 42 6.1.4 Fazit 45 7 Ermüdung 46 7.1 Feldstudie: Einfluss sukzessiver Ermüdung auf Eversionsgeschwindigkeit 49 7.1.1 Zielstellungen & Hypothesen 49 7.1.2 Methodik 49 7.1.3 Ergebnisse & Diskussion 53 7.1.4 Fazit 55 8 Schuh 56 8.1 Laborstudie: Beeinflussung der Rückfußbewegung durch den Schuh 60 8.1.1 Zielstellungen & Hypothesen (vgl. Abbildung 8.2): 60 8.1.2 Methodik 61 8.1.3 Ergebnisse BAFO vs. SHOE 65 8.1.4 Ergebnisse SAND vs. FOOT-SAND 67 8.1.5 Ergebnisse BAFO vs. FOOT-SAND 68 8.1.6 Übergreifende Ergebnisse und Diskussion 70 8.2 Laborstudien: Beeinflussung der Eversion mittels gradueller Varusmodifikationen 72 8.2.1 Zielstellung & Hypothese: 72 8.2.2 Methodik 72 8.2.3 Ergebnisse & Diskussion 74 9 Fazit pronationsbeeinflussende Faktoren 78 III Traditionelle und innovative Messsysteme der Rückfußbewegung 81 10 Einführung Messsysteme 82 11 Subjektive Messungen 85 11.1 Feldstudie: Individuelle Wahrnehmung veränderter Eversion, hervorgerufen durch varus-modifizierte Schuhe 87 11.1.1 Zielstellung & Hypothesen: 87 11.1.2 Methodik 87 11.1.3 Ergebnisse 88 11.1.4 Diskussion 91 12 Elektrogoniometer 93 12.1 Laborstudie: Validierung des Goniometers zur Erfassung der Rückfußbewegung 97 12.1.1 Zielstellungen & Hypothesen: 97 12.1.2 Methodik 97 12.1.3 Ergebnisse & Diskussion 98 13 Gyrometer 101 13.1 Laborstudie: Validierung des Gyrometers als Messsystem zur Erfassung der Rückfußbewegung 104 13.1.1 Zielstellungen & Hypothese 104 13.1.2 Methodik 104 13.1.3 Ergebnisse & Diskussion 106 13.1.4 Fazit 108 13.2 Studie: Entwicklung und Evaluation eines mit Gyrometer instrumentier- ten Schuhs zur mobilen Messung der Rückfußbewegung 109 13.2.1 Zielstellung & Hypothese 109 13.2.2 Methodik 109 13.2.3 Validierung EVvel-Erkennung bei mehreren Läufe eines Probanden 110 13.2.4 Validierung EVvel-Erkennung bei weiteren Probanden 111 13.2.5 Ergebnisse & Diskussion 112 13.2.6 Ausblick 113 14 Druckverteilung & Sohlendeformation 115 14.1 Laborstudie: Eversionsbestimmung mittels plantarer Druckverteilung & Sohlendeformation 121 14.1.1 Zielstellung & Hypothesen 121 14.1.2 Methodik 121 14.1.3 Ergebnisse & Diskussion 125 14.1.4 Fazit 129 14.2 Laborstudienreihe: Algorithmusvalidierung 130 14.2.1 Allgemeine Methodik 131 14.2.1.1 Neue Probanden 131 14.2.1.2 Alternative Schuhmodelle 131 14.2.1.3 Weitere Laufgeschwindigkeiten 134 14.2.2 Ergebnisse & Diskussion 134 14.2.2.1 Neue Probanden 134 14.2.2.2 Alternatives Schuhmodell 136 14.2.2.3 Weitere Laufgeschwindigkeiten 140 14.3 Zusammenfassung Druckverteilung & Sohlendeformation 143 15 Photo- / Filmbasierte Messsysteme 144 15.1 Grundlagen stereophotogrammetrischer Messungen 144 15.2 Methodische Richtlinien für stereophotogrammetrischer Rückfußmessungen der vorliegenden Arbeit 147 16 Zusammenfassung Messsysteme 150 IV Schlussbetrachtung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis 157 Anhänge 174 A Fragebogen subjektiven Wahrnehmung der Rückfußbewegung 174 B Wissenschaftlicher Lebenslauf 177 C Selbstständigkeitserklärung 181

Cacti (Cactaceae) represent a family of highly specialized angiosperm plants with a native range of distribution restricted to the American continents. Columnar cacti of the sub-family Cactoideae evolved in adaptation to their arid or semi-arid habitats characteristics that distinguish them from most other dicot plants, e.g. the stem succulence with a strongly vascularized storage parenchyma and the presence of the spine wearing areoles. Although cacti have been in cultivation since the discovery of America, some studies even suggest the agricultural use in pre-colombian times, and many scientific investigations were carried out on the functional morphology and anatomy with regard to biomechanical adaptations of the found structures, no research focused on the branch-stem attachment. The most conspicuous features of such a ramification are the pronounced constrictions at the branch-stem junctions that are also present in the lignified vascular structures within the succulent cortex. Based on Finite Element Analyses of ramification models it could be demonstrated that these indentations in the region of high flexural and torsional stresses are not regions of structural weakness, e.g. allowing vegetative propagation. On the contrary, they can be regarded as anatomical adaptations to increase the stability by fine-tuning the stress state and stress directions in the junction along prevalent fiber directions. The development of the woody support structure within the succulent cortex of the parental shoot can be traced back to the leaf and bud traces of the dormant axillary buds. Surprisingly, these initials also develop into another woody structure supporting the flowers of the cacti. As these two support structures differ significantly in their macroscopic and microscopic anatomy and as they develop from the same initial state as leaf/bud traces, another objective of this work was to analyze the secondary growth of the two structures with traditional botanic investigation methods. The results of these investigations reveal a wood dimorphism consisting of an early parenchymatous phase followed later by fibrous wood in both kind of support structure. In vegetative branches, the woody support structures have the typical ringlike arrangement as found in the stele of the parental shoot, whereas the flower support structures have a reticular arrangement of interconnected woody strands. This fundamentally different anatomy of the support structures results from the formation of an interfascicular cambium between the leaf/bud traces when a vegetative branch forms or its absence in the case of a flower. After shedding light on the functional morphology and anatomy of the cactus ramification and their development the question arises if the found load adaptation strategies may serve to improve technical fiber composite structures analogue to the design recommendation developed from the biomechanical analyses of tree ramifications. Such a biomimetic transfer from the cactus ramification as biological role model to a technical implementation and the adaptation of the fine-tuned geometric shape and arrangement of lignified strengthening tissues might contribute to the development of alternative concepts for branched fiber-reinforced composite structures within a limited design space.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.