In dieser Arbeit wird ein dreidimensionales Modell des menschlichen Kopfes beschrieben, das es erlaubt, mit der Methode der Finiten Elemente mechanische Einfluesse auf den Kopf zu modellieren. Eine exakte Geometriebeschreibung eines individuellen Modells wird aus einem Kernspintomogramm des Kopfes gewonnen. Ausgehend von diesen medizinischen Bilddaten wird die diskrete Darstellung des Kopfes als Verbund finiter Elemente mit einem Gittergenerator gewonnen. Dieser schnelle und stabile Algorithmus ermoeglicht die Erstellung von raeumlich hochaufgeloesten Finite-Elemente-Repraesentationen des Schaedels und interner neuroanatomischer Strukturen. Es besteht die Auswahl zwischen anisotropen und isotropen Wuerfel- und Tetraedernetzen. Auf deren Basis werden die dem physikalischen Geschehen zugrundeliegenden Differentialgleichungen mittels der Finite-Elemente-Methode numerisch geloest. Die FE-Analysen umfassen statische, dynamische und modale Simulationsrechnungen. Die zur Durchfuehrung der Simulationen noetigen numerischen Verfahren wurden optimiert und auf einer parallelen Rechnerarchitektur implementiert. Jeder der oben genannten Analysearten ist eine klinisch-relevante Anwendung zugeordnet. Mit der nichtlinearen statischen Analyse werden die mechanischen Konsequenzen von Tumorwachstum untersucht, die dynamische Analyse dient dem Studium der Auswirkungen von fokalen Gewalteinwirkungen auf den Kopf und die modale Analyse gibt Aufschluss ueber das Schwingungsverhalten des Kopfes. Die Validierung des Modells wird durch den Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentell ermittelten Daten erzielt. / A new FEM-based approach to model the mechanical response of the head is presented.To overcome restrictions of previous approaches our head model is based on individual datasets of the head obtained from magnetic resonance imaging (MRI). The use of parallel computers allows to carry out biomechanical simulations based on FE meshes with a spatial resolution about five times higher than that of previous models. A totally automatic procedure to generate FE meshes of the head starting from MR datasets is used. Models for individual clinical cases can be set up within minutes and clinically relevant simulations (impact studies, tumor growth consequences) are carried out and discussed by comparing simulation results with experimentally obtained data.

In der Diagnostik und Reparatur von hyalinem Gelenkknorpel sind neue Methoden zur Quantifizierung von Struktur und mechanischer Belastbarkeit gefragt, um die Behandlung von Knorpelschäden an Millionen von Patienten weltweit zu verbessern. Mittels hochfrequentem, fokussierten Ultraschall werden Oberflächenparameter für Reflektivität und Rauheit an Gelenkknorpel bestimmt. Es wird gezeigt wie die Oberflächenneigung kontrolliert werden kann. Die Ergebnisse vermitteln ein besseres Verständnis über die Zusammensetzung der Ultraschallsignale aus reflektierten und gestreuten Komponenten. 3D Ultraschallscans von Knorpelregeneraten erlauben die Defektstellen volumetrisch zu Quantifizieren. Die Proben wurden zusätzlich nach etablierten Bewertungssystemen benotet, welche auf makroskopischer Beurteilungen, MRT-Scans und Histologie basieren. Die ultraschallbasierten Volumendaten zeigten dabei gute Korrelationen mit den Punktwertungen. Die im Labor verwendeten Messaufbauten zur biomechanischen Charakterisierung von Gelenkknorpel können am Patienten nicht angewandt werden. Daher können Ärzte die Festigkeit von Knorpel bisher nur mittels manueller Palpation abschätzen. Diese Arbeit entwickelt eine Methode der Ultraschall-Palpation (USP), die es erlaubt, die während der manuellen Palpation erzeugte Kraft und Deformation, basierend auf Ultraschallechos, aufzunehmen. Es wurde einen Prototyp entwickelt womit gezeigt werden konnte, dass USP eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Wiederholte Messungen können zusätzlich zeitabhängige biomechanische Parameter von Knorpel ableiten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit verbesserte und neue Möglichkeiten zur strukturellen und biomechanischen Charakterisierung von hyalinem Gelenkknorpel bzw. den Ergebnissen von Knorpelreparatur basierend auf Ultraschalldaten. Diese Methoden haben das Potenzial die Diagnostik von Gelenkknorpel und die Quantifizierung von Knorpelreparatur zu verbessern. / In the diagnostics and repair of hyaline articular cartilage, new methods to quantify structure and mechanical capacity are required to improve the treatment of cartilage defects for millions of patients worldwide. This thesis uses high frequency focused ultrasound to derive surface parameters for reflectivity and roughness from articular cartilage. It is shown how to control the inclination dependency to gain more reliable results. Furthermore, the results provided a better understanding of the composition of ultrasonic signals from reflected and scattered components. 3D ultrasound scans of cartilage repair tissue were performed to quantify defect sites after cartilage repair volumetrically. The samples were also graded according to established scoring systems based on macroscopic evaluation, MRI scans and histology. The ultrasound-based volumetric parameters showed good correlation with these scores. Complex biomechanical measurement setups used in laboratories cannot be applied to the patient. Therefore, currently physicians have to estimate the stiffness of cartilage by means of manual palpation. In the last part of this thesis, a method denoted as ultrasound palpation is developed, which allows for measuring the applied force and strain during manual palpation in real time, solely based on the evaluation of the time of flight of ultrasound pulses. A prototype was developed and its measurement accuracy and reproducibility were characterized. It could be shown that ultrasound palpation has sufficient accuracy and reproducibility. Additionally, by repeated measurements it was possible to derive time-dependent biomechanical parameters of cartilage. In summary, this work shows improved and new possibilities for structural and biomechanical characterization of hyaline articular cartilage and the outcomes of cartilage repair based on ultrasound data. The methods have the potential to improve the diagnostics of articular cartilage and quantification of its repair.

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.

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. / 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.

Der Tagungsband wurde im Rahmen des 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics vom 25. bis 28. Mai 2011 an der Technischen Universität Chemnitz publiziert. Es werden aktuelle Arbeiten von jungen Wissenschaftlern aus 11 Nationen auf dem Gebiet der experimentellen Festkörpermechanik vorgestellt. Dabei reichen die Beiträge von Material- über Bauteilprüfung bis zur Biomechanik und beleuchten eine Reihe unterschiedlicher Messmethoden und Anwendungen. / This proceedings were published on the occasion of the 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics from 25th to 28th May 2011 at the Chemnitz University of Technology. It presents the current work from young researchers from 11 nations in the field of experimental solid mechanics. The contributions have a range from materials testing over components testing to biomechanics and examine a number of different measurement methods and applications.

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Introduction: Zygomatic fractures form a major entity in craniomaxillofacial traumatology. Few studies have dealt with biomechanical basics and none with the role of the facial soft tissues. Therefore this study should investigate, whether facial soft tissue plays a protecting role in lateral midfacial trauma.

Der Tagungsband wurde im Rahmen des 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics vom 25. bis 28. Mai 2011 an der Technischen Universität Chemnitz publiziert. Es werden aktuelle Arbeiten von jungen Wissenschaftlern aus 11 Nationen auf dem Gebiet der experimentellen Festkörpermechanik vorgestellt. Dabei reichen die Beiträge von Material- über Bauteilprüfung bis zur Biomechanik und beleuchten eine Reihe unterschiedlicher Messmethoden und Anwendungen. / This proceedings were published on the occasion of the 10th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics from 25th to 28th May 2011 at the Chemnitz University of Technology. It presents the current work from young researchers from 11 nations in the field of experimental solid mechanics. The contributions have a range from materials testing over components testing to biomechanics and examine a number of different measurement methods and applications.

Der Anwendungsbereich plantarer Druckverteilungsmessungen ist vielfältig und reicht von der wissenschaftlichen Beschreibung des Abrollvorgangs über die Klassifizierung von Pathologien bis hin zur Empfehlung von Laufschuhen. Oftmals geht mit der Anwendung dieser Messungen ein an der Kinematik der vermessenen Person orientiertes Interpretationsschema der Druckverteilungsdaten einher. Dies schlägt sich in einer Vielzahl von Messgrößen nieder, welche mit dem Ziel entwickelt wurden, eine funktionale Interpretation von Druckmessdaten zu ermöglichen. Dabei besteht die generelle Annahme, dass sich ein Laufstil mit betonter Hüftadduktion und Pronation ("medialer Kollaps" in der Frontalebene) in Form einer medialisierten Lastverteilung im plantaren Druckbild niederschlägt. Ein wissenschaftlicher Beleg dieses Interpretationsansatzes wurde in der bisherigen Forschung jedoch nicht erbracht. Ziel dieser Arbeit ist daher, ein an der Kinematik orientiertes Interpretationsparadigma plantarer Druckverteilungsdaten kritisch zu überprüfen. Hierzu werden zunächst gängige und bereits publizierte Messgrößen der plantaren Druckverteilung auf Reproduzierbarkeit geprüft. Es zeigt sich ein in Abhängigkeit der Berechnungsweise begründbares Variabilitätsgefälle unterschiedlicher Messgrößen. Insbesondere die Messgrößen des Center of Pressure (CoP) erweisen sich als schlecht reproduzierbar und daher zur systematischen Differenzierung von Abrollmustern ungeeignet. Demgegenüber zeigt sich eine intrasubjektive Stabilität klassischer Druckmessgrößen. In einem weiteren Schritt wird ein möglicher Zusammenhang dieser Messgrößen zu kinematischen Variablen des Barfußlaufs untersucht. Für einen Großteil der bisher publizierten Druckmessgrößen – insbesondere jene des CoP - muss ein fehlender Zusammenhang zu kinematischen Variablen attestiert und eine dementsprechende Interpretationslogik verworfen werden. In einem dritten Schritt wird dann ein multivariater Zugang zur Auswertung und Interpretation der plantaren Druckdaten entwickelt. Auf Basis einer Clusteranalyse werden 5 Abrollmuster identifiziert, welche auf ihre Zusammenhänge zu kinematischen Charakteristika der Laufbewegung hin untersucht werden. Hier zeigen sich sehr deutliche Zusammenhänge zu kinematischen Variablen, welche jedoch nicht den o. g. klassischen Annahmen entsprechen. Eine detaillierte Analyse der entwickelten Clusterlösung zeigt, dass jene Druckverteilungsmuster, welche die größten Differenzen hinsichtlich der Kinematik der Frontalebene aufweisen, sich vornehmlich in der zeitlichen Abfolge biomechanischer Hauptmerkmale des Abrollvorgangs (Zeitpunkt des Fersenhubs, Zeitpunkt der maximalen Krafteinwirkung) unterscheiden, nicht jedoch hinsichtlich der medio-lateralen Lastverteilungscharakteristik. Aufgrund der durchgeführten Analysen der plantaren Druckverteilung sind eingangs erwähnte Interpretationslogiken nicht zu belegen. Im Gegenzug kann jedoch durch einen multivariaten Zugang zu plantaren Druckverteilungsdaten eine sehr robuste Interpretationsbasis geschaffen werden, welche auch für zukünftige Anwendungen plantarer Druckmessungen erfolgversprechende Resultate liefert.

„Nun sag, wie hast du’s mit der Messung im Labor?“ So oder ähnlich lautet die sich anhand dieser Arbeit ergebende Gretchenfrage bezüglich biomechanischer Auswertungen und Studien des Laufsports, welche unter Laborbedingungen durchgeführt werden. Hierbei wird angenommen, dass eine Messung im Labor eine valide experimentelle Operationalisierung des Ausdauerlaufens darstellt. Aufgrund der räumlichen Begrenzung kann lediglich eine vergleichsweise geringe Anzahl an einzelnen Versuchen aufgezeichnet werden. Für die statistische Auswertung werden dann zumeist einzelne Parameter der Zeitreihen berechnet, welche wiederum zusammengefasst durch Mittelwerte den Probanden repräsentieren müssen. Bei der Verwendung von diskreten Parametern reduziert sich die aufgenommene Information der Zeitreihe dabei erheblich. Damit einhergehend muss die Frage geklärt werden, ob die Variabilität eines Probanden anhand diskreter Werte oder anhand der gesamten Kurve Beachtung finden muss. Des Weiteren stellt sich die Frage inwieweit das arithmetische Mittel über eine große Anzahl an Versuchen als die den Probanden repräsentierende Kennzahl verwendet und dessen Variabilität mittels einer endlichen Anzahl an Wiederholungen charakterisiert werden kann. Für die Untersuchungen wurden zunächst zwei Studien durchgeführt, wobei die Aufzeichnung von Bodenreaktionskräften und der Winkelgeschwindigkeit bei 100 Läufen an je zwei Messtagen im Labor erfolgte. Die statistischen Auswertungen umfassen sowohl die Betrachtung der Konvergenz von Folgen kumulierter Mittelwerte, Standardabweichungen und Root Mean Square Errors für diskrete Parameter und die gesamten aufgezeichneten Signale der Bodenreaktionskräfte und Winkelgeschwindigkeit als auch die Untersuchung von Prädiktionsbändern. Zudem wurden unterschiedliche Algorithmen zur Bestimmung der minimalen Anzahl an aufzuzeichnenden Versuchen entwickelt. Diese beinhalten nichtlineare Regressionsmodelle für die Anpassung der kumulierten Fläche der Prädiktionsbänder gesamter Kurven und die Analyse der Differenzen aufeinanderfolgender Standardabweichungskurven. Zusammenfassend geht aus dieser Arbeit hervor, dass die postulierte ausreichende und stabile Charakterisierung eines Probanden anhand des arithmetischen Mittels sowie der vollständigen und soliden Beschreibung der Variabilität für diskrete Parameter nicht nachgewiesen werden konnte. Für gesamte Kurven ergab sich ein anderes Bild. Die Probanden konnten anhand der mittleren vertikalen Bodenreaktionskräfte sowie der Bodenreaktionskräfte in anterior-posterior Richtung stabil und ausreichend charakterisiert werden. Für die Bodenreaktionskräfte in mediolateraler Richtung und die Kurve der Winkelgeschwindigkeit wurde dies nicht bestätigt. Die Möglichkeit der Charakterisierung der Variabilität eines Probanden konnte zudem verifiziert werden. Durch Beibehaltung der ursprünglichen Messprozedur ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass der begangene Fehler den Ausgang der statistischen Auswertung beeinflusst und damit Eigenschaften der vorliegenden Grundgesamtheit unter Umständen falsch widerspiegelt. Von einer Verwendung des Mittelwertes diskreter Parameter sollte daher abgesehen werden. Der Fehler sowie dessen unbekanntes Ausmaß sind zum Teil unkontrollierbar und dessen Auswirkungen auf weitere biomechanische Kenngrößen nicht überprüfbar. Die Annahme, dass eine Labormessung als valide experimentelle Operationalisierung des Ausdauerlaufens angesehen werden kann, ist damit hinfällig. Es ist zukünftig notwendig, die Erforschung neuer Aufnahme- und Auswerteprozeduren, die alternative Verwendung gesamter Kurven und die Entwicklung neuer Testverfahren zu forcieren.