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