Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von Industrierobotern zur automatischen Durchführung von Messung für optische Systeme. Das Messsystem besteht neben einem Industrieroboter, ein oder mehreren Sensoren, Stromversorgungen inkl. Energieketten und einem Industrie-PC, aus einer komplexen Software mit umfangreicher Funktionalität. Die Herausforderung besteht darin maximale Flexibilität mit zuverlässigen und genauen Messungen in Einklang zu bringen. Bei einer Messung darf weder eine Kollision auftreten, noch durch falsche Bewegungsabläufe das System zum Stillstand kommen.

Beim Einsatz mobiler Arbeitsmaschinen bestimmt der Maschinenführer die Arbeitsleistung und -sicherheit wesentlich mit. Er muss in die Lage versetzt werden, die Maschine ohne Gefahr für sich und andere zu steuern und ihr Leistungspotential voll zu nutzen. Deshalb sind Maschinenführer als reale oder virtuelle Bediener frühzeitig in die Maschinenentwicklung mit einzubeziehen. In einem global härter werdenden Markt reichen den Herstellern empirische Untersuchungen allein nicht mehr aus. Die Zusammenhänge im System Bediener-Maschine-Prozess sollen möglichst objektiv und reproduzierbar erfasst werden. Das kann aufwändige experimentelle Untersuchungen erfordern. Der Bau realer Testmaschinen und ihre Ausstattung mit Messtechnik kosten viel Zeit und Geld. Reale Einsatzversuche sind oft nicht unter gleich bleibenden Bedingungen durchführbar, was die Auswertung erschwert. Hingegen bieten Werkzeuge der Simulation und Virtuellen Realität eine effiziente Möglichkeit, Maschinenführer in frühen Phasen der Produktentwicklung mit einzubeziehen.

Im Rahmen der BMBF-Fördermaßname „Stadtklima im Wandel“ werden Methoden und Werkzeuge zur multiskaligen Erfassung und Prognose des Stadtklimas erarbeitet. Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zum Gesamtprojekt und beschäftigt sich mit dem Teilbereich thermische Belastung von Stadtbewohnern. Zur Erfassung des Zustandes wurde in Konzept mit mobilen Messsystemen entwickelt und angewendet. Die erhobenen Daten dienen unter anderem zur Evaluierung des neuen Stadtklimamodells PALM-4U. Dieses Werkzeug wird in „Stadtklima im Wandel“ weiterentwickelt und in Zusammenarbeit mit Anwendern und Behörden auf Funktionalität getestet. Das Konzept wird anhand von Untersuchungen in Berlin getestet.

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.

Bei Anwendung reversibler Betäubungsmethoden erfolgt die Tötung von Schlachttieren durch Blutentzug. Findet dieser nicht oder nicht in ausreichendem Maße statt, besteht die Gefahr, dass die Tiere ihre Wahrnehmungs- und Empfindungsfähigkeit wiedererlangen, bevor sie weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt werden. Dies ist aus Tierschutzsicht keinesfalls hinnehmbar und steht im Widerspruch sowohl zum Tierschutzschlachtrecht, als auch zu Verbrauchererwartungen im Hinblick auf einen tierschutzgerechten Schlachtablauf. Es ist deshalb dringend erforderlich den Todeseintritt jedes Einzeltieres zu verifizieren. Dies kann durch direkte Kontrolle der Schlachttiere (klinische Untersuchung, Prüfung der Hirnstammreflexe) nach Eintritt des Todes erfolgen oder bereits frühzeitiger, über eine Erfassung von Parametern, die eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit des kurz bevorstehenden Todeseintritts erlauben (TROEGER 2011). Hierfür eignet sich insbesondere die Stichblutmenge, bzw. die Blutflussrate, da ab einer bestimmten Blutmenge pro Zeiteinheit vom kurz bevorstehenden Tod des Tieres ausgegangen werden kann (TROEGER 2010). Zielsetzung dieser Arbeit war zum einen, ein geeignetes Messsystem zur Erfassung des Entbluteverlaufs zu finden und dieses in das Stechkarussell zu integrieren, zum anderen sollte der Zusammenhang zwischen Stichblutmengenanstieg und Todeseintritt der Tiere untersucht werden. In einem ersten Schritt wurden vier verschiedene Messsysteme zur Erfassung des Entbluteverlaufs unter Zuhilfenahme eines Prototyps geprüft: Stichblutwaage (Fa. Bizerba), Füllstandsmesssonde (Fa. Sick), Infrarotkamera „thermoIMAGER TIM“ (Fa. Micro-Epsilon) und Infrarotsensoren „thermoMETER CSmicro“ (Fa. Micro-Epsilon). Als Messparameter und Maß für die Qualität der Entblutung bzw. des Entblutestichs, wurde die Steigung des Blutanstiegs im Blutauffangbehälter verwendet. Das Messsystem „Infrarotsensoren“ erwies sich als am besten geeignetes System und wurde nachfolgend in die Stechkarussellanlage des Partnerschlachthofes integriert und der Messvorgang automatisiert. Um den Zusammenhang zwischen Stichblutmengenanstieg und Todeseintritt der Schweine auf der Nachentblutestrecke zu untersuchen, wurde der Entbluteverlauf in den ersten Sekunden nach dem Stich sowohl mit dem Prototyp (Messsystem Waage) als auch mit dem integrierten IR-Sensor-Messsystem bei einer Stichprobe von 1034 (Prototyp) bzw. 1500 (integriertes System) Schweinen erfasst und anschließend der Eintritt des Hirntodes der Tiere klinisch überprüft (u.a. Untersuchung der Hirnstammreflexe). Im Rahmen eines Vorversuchs wurde eine Status quo-Erhebung von Stichblutmenge- und anstieg durchgeführt und die ersten fünf Sekunden nach dem Entblutestich als geeigneter Messzeitraum festgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass der Anstieg der Entblutekurve in diesem Zeitraum annähernd linear verläuft, unabhängig von Lebendgewicht und Geschlecht der Tiere ist, und zudem eine gewisse Voraussage über den weiteren Verlauf der Entblutung bzw. die am Ende der Entblutung absolut entzogene Blutmenge zulässt. In der Hauptuntersuchung waren bei keinem Tier deutliche Anzeichen für Empfindungs- und Wahrnehmungsvermögen (gerichtete Augenbewegungen, Vokalisation) vorhanden. 3,6 Prozent (Prototyp-Untersuchung) bzw. 3,7 Prozent (integriertes IR-Sensor-Messsystem) der Tiere zeigten jedoch bei der Verifizierung des Todeseintritts noch bzw. wieder Reaktionen, die zumindest auf eine gewisse (Rest-)Hirnfunktion hindeuteten. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Steigung der Entblutekurve und nachfolgendem Todeseintritt der Tiere konnte weder in der Untersuchung mit dem Prototyp, noch in der Untersuchung mit dem integrierten IR-Sensor-Messsystem dargestellt werden. Die Ursache dafür wird in einer Beeinflussung der Ergebnisse durch tierindividuell unterschiedliche Betäubungstiefen vermutet (irreversibel betäubte Tiere, deren Entblutekurven eine geringe Steigung aufwiesen, die aber trotzdem keine Reaktionen auf der Nachentblutestrecke zeigten). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein vollständig automatisiertes, mit herkömmlichen Stechkarussellanlagen kompatibles, Entblutekontrollsystem auf Grundlage der Infrarotsensor-Technik entwickelt. Durch die Fokussierung auf die ersten fünf Sekunden nach Setzen des Entblutestichs, ist das Ergebnis bereits verfügbar, wenn sich die Tiere noch in der Reichweite des Stechpersonals befinden, wodurch eine sofortige Nachbearbeitung betroffener Schweine, ohne zusätzlichen Personaleinsatz, ermöglicht wird. Weiterhin erlaubt das berührungslos arbeitende System eine Einzeltierkontrolle, inklusive automatischer Dokumentation der Entblutedaten, bei der sowohl unzureichend als auch versehentlich überhaupt nicht entblutete Schweine erkannt werden. Die Entwicklung des automatisierten Entblutekontrollsystems trägt dazu bei, den Tierschutz bei der Schweineschlachtung zu verbessern und gesetzliche Vorgaben sowie Verbrauchererwartungen im Hinblick auf tierschutzgerechte Fleischgewinnung als Teil der Lebensmittelqualität zu erfüllen.

Bei Anwendung reversibler Betäubungsmethoden erfolgt die Tötung von Schlachttieren durch Blutentzug. Findet dieser nicht oder nicht in ausreichendem Maße statt, besteht die Gefahr, dass die Tiere ihre Wahrnehmungs- und Empfindungsfähigkeit wiedererlangen, bevor sie weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt werden. Dies ist aus Tierschutzsicht keinesfalls hinnehmbar und steht im Widerspruch sowohl zum Tierschutzschlachtrecht, als auch zu Verbrauchererwartungen im Hinblick auf einen tierschutzgerechten Schlachtablauf. Es ist deshalb dringend erforderlich den Todeseintritt jedes Einzeltieres zu verifizieren. Dies kann durch direkte Kontrolle der Schlachttiere (klinische Untersuchung, Prüfung der Hirnstammreflexe) nach Eintritt des Todes erfolgen oder bereits frühzeitiger, über eine Erfassung von Parametern, die eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit des kurz bevorstehenden Todeseintritts erlauben (TROEGER 2011). Hierfür eignet sich insbesondere die Stichblutmenge, bzw. die Blutflussrate, da ab einer bestimmten Blutmenge pro Zeiteinheit vom kurz bevorstehenden Tod des Tieres ausgegangen werden kann (TROEGER 2010). Zielsetzung dieser Arbeit war zum einen, ein geeignetes Messsystem zur Erfassung des Entbluteverlaufs zu finden und dieses in das Stechkarussell zu integrieren, zum anderen sollte der Zusammenhang zwischen Stichblutmengenanstieg und Todeseintritt der Tiere untersucht werden. In einem ersten Schritt wurden vier verschiedene Messsysteme zur Erfassung des Entbluteverlaufs unter Zuhilfenahme eines Prototyps geprüft: Stichblutwaage (Fa. Bizerba), Füllstandsmesssonde (Fa. Sick), Infrarotkamera „thermoIMAGER TIM“ (Fa. Micro-Epsilon) und Infrarotsensoren „thermoMETER CSmicro“ (Fa. Micro-Epsilon). Als Messparameter und Maß für die Qualität der Entblutung bzw. des Entblutestichs, wurde die Steigung des Blutanstiegs im Blutauffangbehälter verwendet. Das Messsystem „Infrarotsensoren“ erwies sich als am besten geeignetes System und wurde nachfolgend in die Stechkarussellanlage des Partnerschlachthofes integriert und der Messvorgang automatisiert. Um den Zusammenhang zwischen Stichblutmengenanstieg und Todeseintritt der Schweine auf der Nachentblutestrecke zu untersuchen, wurde der Entbluteverlauf in den ersten Sekunden nach dem Stich sowohl mit dem Prototyp (Messsystem Waage) als auch mit dem integrierten IR-Sensor-Messsystem bei einer Stichprobe von 1034 (Prototyp) bzw. 1500 (integriertes System) Schweinen erfasst und anschließend der Eintritt des Hirntodes der Tiere klinisch überprüft (u.a. Untersuchung der Hirnstammreflexe). Im Rahmen eines Vorversuchs wurde eine Status quo-Erhebung von Stichblutmenge- und anstieg durchgeführt und die ersten fünf Sekunden nach dem Entblutestich als geeigneter Messzeitraum festgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass der Anstieg der Entblutekurve in diesem Zeitraum annähernd linear verläuft, unabhängig von Lebendgewicht und Geschlecht der Tiere ist, und zudem eine gewisse Voraussage über den weiteren Verlauf der Entblutung bzw. die am Ende der Entblutung absolut entzogene Blutmenge zulässt. In der Hauptuntersuchung waren bei keinem Tier deutliche Anzeichen für Empfindungs- und Wahrnehmungsvermögen (gerichtete Augenbewegungen, Vokalisation) vorhanden. 3,6 Prozent (Prototyp-Untersuchung) bzw. 3,7 Prozent (integriertes IR-Sensor-Messsystem) der Tiere zeigten jedoch bei der Verifizierung des Todeseintritts noch bzw. wieder Reaktionen, die zumindest auf eine gewisse (Rest-)Hirnfunktion hindeuteten. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Steigung der Entblutekurve und nachfolgendem Todeseintritt der Tiere konnte weder in der Untersuchung mit dem Prototyp, noch in der Untersuchung mit dem integrierten IR-Sensor-Messsystem dargestellt werden. Die Ursache dafür wird in einer Beeinflussung der Ergebnisse durch tierindividuell unterschiedliche Betäubungstiefen vermutet (irreversibel betäubte Tiere, deren Entblutekurven eine geringe Steigung aufwiesen, die aber trotzdem keine Reaktionen auf der Nachentblutestrecke zeigten). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein vollständig automatisiertes, mit herkömmlichen Stechkarussellanlagen kompatibles, Entblutekontrollsystem auf Grundlage der Infrarotsensor-Technik entwickelt. Durch die Fokussierung auf die ersten fünf Sekunden nach Setzen des Entblutestichs, ist das Ergebnis bereits verfügbar, wenn sich die Tiere noch in der Reichweite des Stechpersonals befinden, wodurch eine sofortige Nachbearbeitung betroffener Schweine, ohne zusätzlichen Personaleinsatz, ermöglicht wird. Weiterhin erlaubt das berührungslos arbeitende System eine Einzeltierkontrolle, inklusive automatischer Dokumentation der Entblutedaten, bei der sowohl unzureichend als auch versehentlich überhaupt nicht entblutete Schweine erkannt werden. Die Entwicklung des automatisierten Entblutekontrollsystems trägt dazu bei, den Tierschutz bei der Schweineschlachtung zu verbessern und gesetzliche Vorgaben sowie Verbrauchererwartungen im Hinblick auf tierschutzgerechte Fleischgewinnung als Teil der Lebensmittelqualität zu erfüllen.

Beim Einsatz mobiler Arbeitsmaschinen bestimmt der Maschinenführer die Arbeitsleistung und -sicherheit wesentlich mit. Er muss in die Lage versetzt werden, die Maschine ohne Gefahr für sich und andere zu steuern und ihr Leistungspotential voll zu nutzen. Deshalb sind Maschinenführer als reale oder virtuelle Bediener frühzeitig in die Maschinenentwicklung mit einzubeziehen. In einem global härter werdenden Markt reichen den Herstellern empirische Untersuchungen allein nicht mehr aus. Die Zusammenhänge im System Bediener-Maschine-Prozess sollen möglichst objektiv und reproduzierbar erfasst werden. Das kann aufwändige experimentelle Untersuchungen erfordern. Der Bau realer Testmaschinen und ihre Ausstattung mit Messtechnik kosten viel Zeit und Geld. Reale Einsatzversuche sind oft nicht unter gleich bleibenden Bedingungen durchführbar, was die Auswertung erschwert. Hingegen bieten Werkzeuge der Simulation und Virtuellen Realität eine effiziente Möglichkeit, Maschinenführer in frühen Phasen der Produktentwicklung mit einzubeziehen.

Magnetisch-induktive Techniken finden seit langer Zeit viele Anwendungsfelder in der Medizin, Sicherheitstechnik und der Industrie. Obwohl die technischen Grundlagen seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, werden auf Basis detaillierter Analysen spezielle Lösungsansätze verfolgt, die neuartiges Anwendungspotential erschließen sollen. Dazu dienen verbesserte Werkzeuge wie Computersimulationen und analytische Berechnungen sowie neu kombinierte Methoden und Aufbauten aus Leistungselektronik und Signaldetektion. Die Vorteile magnetisch-induktiver Techniken sind dabei u.a., dass sie das Prüfobjekt nicht schädigen, berührungslos arbeiten, robust gegenüber Verschmutzungen und einfach im Aufbau sind. Ein Nachteil dieser Technik ist die unzureichende Auflösung von feinen Strukturen. In der aktuellen Forschung und Entwicklung werden unterschiedliche Spulenanordnungen zur Anwendung in industriellen und medizinischen Fragestellungen untersucht und optimiert. Thema dieser Arbeit ist es, durch Verbesserung der Spuleneigenschaften, neue Anwendungsbereiche für die zerstörungsfreie Materialprüfung zu erschließen. Es wird eine Methode vorgestellt, die Eigenschaften magnetisch-induktiver Tastspulen zu verbessern und so den Aufwand bei der Signalverarbeitung zur Rekonstruktion im Rechner zu reduzieren sowie die Auflösung zu erhöhen. Dazu werden zwei Spulenanordnungen, Transmissions - Tastspulen und Gradiometer - Tastspulen, vergleichend gegenübergestellt und ihre technischen Grenzen aufgezeigt. / Magneto-inductive techniques are found in many fields of application areas so in medicine, security technology and industry. Although the technical basis has been known for many decades, special solutions are pursued on the basis of detailed analysis that should open new application potential. These are enhanced tools such as computer simulations, analytical calculations, new combined methods and structures of power electronics and signal detection. The advantages of magneto-inductive techniques are that they do not damage the test object, are contactless, robust against dirt and simple in construction. A disadvantage of this technique is the insufficient resolution of fine structures. In current research and development different coil assemblies are investigated in industrial and medical applications. The aim of this work is to improve the coil properties by changing geometric constructions and current patterns of the coils, in order to allow a sharper localization of objects in space and to tap new application areas for non-destructive testing. A method to improve the properties of magneto-inductive coils and thus to reduce the effort in signal processing and image reconstruction as well as to increase the resolution is presented. Two different coil assemblies, gradiometer – coils and transmission – coils, are compared and their technical limits shown.

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

Magnetisch-induktive Techniken finden seit langer Zeit viele Anwendungsfelder in der Medizin, Sicherheitstechnik und der Industrie. Obwohl die technischen Grundlagen seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, werden auf Basis detaillierter Analysen spezielle Lösungsansätze verfolgt, die neuartiges Anwendungspotential erschließen sollen. Dazu dienen verbesserte Werkzeuge wie Computersimulationen und analytische Berechnungen sowie neu kombinierte Methoden und Aufbauten aus Leistungselektronik und Signaldetektion. Die Vorteile magnetisch-induktiver Techniken sind dabei u.a., dass sie das Prüfobjekt nicht schädigen, berührungslos arbeiten, robust gegenüber Verschmutzungen und einfach im Aufbau sind. Ein Nachteil dieser Technik ist die unzureichende Auflösung von feinen Strukturen. In der aktuellen Forschung und Entwicklung werden unterschiedliche Spulenanordnungen zur Anwendung in industriellen und medizinischen Fragestellungen untersucht und optimiert. Thema dieser Arbeit ist es, durch Verbesserung der Spuleneigenschaften, neue Anwendungsbereiche für die zerstörungsfreie Materialprüfung zu erschließen. Es wird eine Methode vorgestellt, die Eigenschaften magnetisch-induktiver Tastspulen zu verbessern und so den Aufwand bei der Signalverarbeitung zur Rekonstruktion im Rechner zu reduzieren sowie die Auflösung zu erhöhen. Dazu werden zwei Spulenanordnungen, Transmissions - Tastspulen und Gradiometer - Tastspulen, vergleichend gegenübergestellt und ihre technischen Grenzen aufgezeigt. / Magneto-inductive techniques are found in many fields of application areas so in medicine, security technology and industry. Although the technical basis has been known for many decades, special solutions are pursued on the basis of detailed analysis that should open new application potential. These are enhanced tools such as computer simulations, analytical calculations, new combined methods and structures of power electronics and signal detection. The advantages of magneto-inductive techniques are that they do not damage the test object, are contactless, robust against dirt and simple in construction. A disadvantage of this technique is the insufficient resolution of fine structures. In current research and development different coil assemblies are investigated in industrial and medical applications. The aim of this work is to improve the coil properties by changing geometric constructions and current patterns of the coils, in order to allow a sharper localization of objects in space and to tap new application areas for non-destructive testing. A method to improve the properties of magneto-inductive coils and thus to reduce the effort in signal processing and image reconstruction as well as to increase the resolution is presented. Two different coil assemblies, gradiometer – coils and transmission – coils, are compared and their technical limits shown.