Zugl.: Darmstadt, Techn. University, Diss.

Die endoprothetische Versorgung des Hüftgelenks stellt eines der am häufigsten durchgeführten und erfolgreichsten operativen Behandlungsverfahren dar. Mögliche Komplikationen sind vor allem die aseptische Lockerung und die Luxation. Strategien zur Verringerung der Luxationshäufigkeit bei Patienten sind unter anderem die Schonung sowie die Rekonstruktion des umliegenden Weichteilgewebes des Hüftgelenks. Dezellularisiertes Gewebe wird hierbei vereinzelt in der Weichteilrekonstruktion von Muskeln, Sehnen und Bändern nach Traumata eingesetzt. Dieses Gewebe weist eine extrazelluläre Matrix auf, welche eine verbesserte Biointegration und damit einhergehenden guten Heilungsverlauf ermöglicht. Aus diesen Kenntnissen leitete sich die Frage ab, ob der Einsatz von dezellularisierten Geweben auch eine theoretische Möglichkeit für die Weichteilrekonstruktion im Bereich des Hüftgelenks darstellen könnte. Dazu wurden in dieser Arbeit zum einen die passiv-mechanischen Eigenschaften der Hüftkapselbänder untersucht und zum anderen der Einfluss der Dezellularisierung auf das mechanische Verhalten von porcinem Gewebe (Dermis, Ureter und Ösophagus) analysiert. In weiteren Untersuchungen ist das Versagensverhalten einer muskulären Anbindung nach tumorendoprothetischer Versorgung mit der nativen Anbindung verglichen worden. Für die Analysen mittels uniaxialem Zugversuch ist ein Prüfprotokoll weiterentwickelt und adaptiert worden, um einen standardisierten Ablauf für die biomechanische Testung und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse aus den Untersuchungen der Hüftkapselbänder und der dezellularisierten Gewebe zeigte eine höhere Zugfestigkeit sowie ein höheres E-Modul für die dezellularisierten Hohlorgane. Diese Resultate würden zunächst für den Einsatz in der Weichteilrekonstruktion sprechen, allerdings ist die Dehnung nach der Dezellularisierung geringer. Eine alternative Anwendung der dezellularisierten Hohlorgane ergibt sich aus der Ähnlichkeit zum Trevira®-Anbindungsschlauch. Durch die Schlauchform der Hohlorgane können diese wie der Anbindungsschlauch über die Tumorendoprothese gestülpt werden, so dass das native Gewebe des Patienten nach Refixation leichter anwachsen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass die Durchmesser der Hohlorgane im Vergleich zum Hüftkopfdurchmesser und zur Tumorendoprothese geringere Abmaße aufweisen. Deshalb muss nach einem alternativen Gewebe gesucht werden, welches nicht nur eine ausreichende Größe, sondern auch die mechanischen Eigenschaften aufweist. Ist ein solches Alternativmaterial ermittelt worden, müssen weiterhin Untersuchungen bzgl. der Handhabung sowie der Toxizität durchgeführt werden. Zusammenfassend und basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit kommen die dezellularisierten Gewebe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in der Weichteilrekonstruktion des Hüftgelenks aus biomechanischer Sicht in Frage. Sie eröffnen die Möglichkeit, die Versorgung von Hochrisikopatienten zu verbessern und diese schneller zu mobilisieren. Um die Beurteilung vollends abzuschließen, sind weitere Untersuchungen alternativer Gewebe notwendig. Diese betreffen nicht nur den Vergleich der mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Biokompatibilität bei der Verwendung in der Weichteilrekonstruktion.:I. Abkürzungen II II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis II 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Anatomie des Hüftgelenks 3 2.1.1 Knöcherne Struktur 3 2.1.2 Labrum acetabuli, Hüftkapsel und Bandapparat 4 2.1.3 Muskulatur für die aktive Bewegung des Hüftgelenks 6 2.1.4 Bedeutung des labrokapsulären Komplexes für die Luxationsstabilität des Hüftgelenks 7 2.2 Hüftendoprothetik 8 2.2.1 Aufbau und Funktion einer Hüfttotalendoprothese 8 2.2.2 Bedeutung der Weichteilrekonstruktion nach endoprothetischer Versorgung des Hüftgelenks 10 2.3 Dezellularisierung 11 2.3.1 Aufbau des Bindegewebes 11 2.3.2 Einsatz dezellularisierter Gewebe 12 2.4 Methodisches Vorgehen 13 2.4.1 Prüfprotokoll für die mechanische Charakterisierung 13 2.4.2 Verfahren der Dezellularisierung 19 3 Publikationen 21 3.1 Tensile properties of the hip joint ligaments are largely variable and age-dependent – An in-vitro analysis investigating an age span between 14 and 93 years 21 3.2 Load and failure behavior of human muscle samples in the context of proximal femur replacement 29 3.3 Acellularization-Induced Changes in Tensile Properties Are Organ Specific - An In-Vitro Mechanical and Structural Analysis of Porcine Soft Tissues 37 4 Diskussion 62 5 Zusammenfassung der Arbeit 67 6 Literaturverzeichnis 69 IV. Darstellung des eigenen Beitrags 77 V. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 80 VI. Lebenslauf und wissenschaftlicher Werdegang 81 VII. Danksagung 88

Background Whole-body vibration (WBV) as a training modality is established in the fields of sport, fitness, rehabilitation, and clinical intervention. WBV exercises are performed thereby while standing on a motor driven oscillating platform device. Therefore, the scientific interest in WBV is a steadily increasing field in sports science and research. It has been shown that WBV training elicits various biological and physiological effects in men. Nevertheless, there are only a small number of studies examining WBV effects on neuromuscular performance of the lower extremities in elderly people. Furthermore, the results of these studies show many discrepancies that may be caused by limitations referring to the different applied training protocols and vibration loads. In addition, there is still a deficit of information for effective but safe recommendations for WBV application for trunk and neck muscles. Therefore, this doctoral thesis deals with three major aspects of WBV as an exercise modality in strength training: (1) the recommendation of optimal vibration loads (VbLs) for the lower extremities as an essential element of the WBV exercise parameters in older adults, (2) the evaluation of these VbLs in a WBV training intervention for elderly people with regard to feasibility and chronic effects on neuromuscular performance of the lower limbs, and (3) the allocation of information for effective but safe advices for VbLs for trunk and neck muscles. These aspects are further specified toward five hypotheses (H1, H2, H3, H4, and H5) by findings and limitations of the current state of literature. Methods The five hypotheses are evaluated within three research papers (studies 1 to 3). The first study (S1) evaluated the optimal VbL determined by the combination of three biomechanical variables (vibration frequency, vibration amplitude, and knee angle) in older adults (H1). Therefore, the neuromuscular activity of the quadriceps femoris and hamstring muscles in 51 healthy subjects were measured during WBV exposure using surface electromyography (EMG). Maximal voluntary contractions (MVCs) were conducted prior to the measurements to normalise the EMG signals. A three-way mixed ANOVA was performed to analyse the different effects of the biomechanical variables on muscle activity. Study 2 (S2) represents a randomised controlled trial to assess the results of S1 implemented in a WBV training protocol and therefore to evaluate the feasibility and effectiveness of a six-week WBV intervention (H2, H3, and H4). A total of 21 subjects was allocated randomly into either a WBV training or control group. While the WBV group completed a six-week WBV training programme the control group was asked not to change their current level of physical activity during the study. Before and after the intervention period, jump height was measured during a countermovement jump (CMJ). In addition, isokinetic knee extension and flexion strength parameters were recorded using a motor-driven dynamometer. The Borg scale for ratings of perceived exertion (RPE scale) was used to evaluate the intensity of WBV exercises within each training session. Changes from pre- to posttest were analysed by a paired sample t-test (within-group comparisons) and independent sample t-test (between-group comparisons). The intention of study 3 (S3) was to analyse the impact of biomechanical variables on neuromuscular activity of different trunk and neck muscles during WBV (H5) filling the lack of information in current literature. Those biomechanical variables were assumed, which current literature suggests as having the lowest risk of negative side effects on the head. Surface EMG was used to record the neuromuscular activity in 28 healthy subjects. EMG signals were normalised to prior measured MVC. Different effects of the biomechanical variables were analysed by an ANOVA for repeated measurements. Results The findings of S1 showed that the biomechanical variables affect the level of neuromuscular activity of thigh muscles in older adults in different dimensions which confirms H1. The maximum levels of muscle activity were significantly reached at high amplitude and high frequency, whereas the factor “knee angle” only significantly affected the quadriceps femoris. Furthermore, WBV led to a higher muscle activation of the quadriceps femoris (74.1 % MVC) than of the hamstring muscles (27.3 % MVC). The main findings in S2 were an increased multi-joint strength performance of the lower limbs during a countermovement jump in the WBV group, whereas values of the control group remained unchanged after the intervention, thus confirming H2. There were no statistically significant differences in isokinetic maximal strength, mean power, or work values in knee extension or flexion in both groups (rejecting H3). In addition, the subjective perceived exertion of the WBV exercises and respective training parameters ranged between moderate rating levels of 7 and 13 of the Borg scale and indicate WBV intervention as a feasible and safe training program for elderly people, which is consistent with H4. Finally, the outcomes of S3 confirmed H5 as the biomechanical variables affect the level of neuromuscular activity of the trunk and neck in different dimensions. The maximum levels of muscle activity were significantly reached at high amplitude and high frequency, while knee angles had similar effects on the VbL. WBV led to a higher muscle activation of the lower back muscles (27.2% MVC) than of neck muscles (8.5 % MVC) and the abdominal muscles (3.6 % MVC). Conclusion A maximised VbL for WBV training in older adults depends on specific combinations of the biomechanical variables (vibration frequency, vibration amplitude, and knee angle). In addition, a WBV training based on this age-specific high VbL is a feasible, suitable and effective training program for elderly people to prevent age-related reduction of muscle performance in the lower extremities. Furthermore, the combination of biomechanical variables recommended in literature as safe for preventing harmful transmissions to the head, only elicit low to moderate muscle activation of the upper body. The findings of this thesis represent fundamental research in the field of WBV and may help to improve further research in this area. Finally, this thesis may help coaches and therapists to enhance the quality of WBV training in practical application. / Hintergrund Ganzkörpervibration (Whole-Body Vibration, WBV) hat sich als Trainingsanwendung im Sport-, Fitness, Rehabilitationsbereich und klinischen Bereich etabliert, wobei die Übungen dabei im Stehen auf einer Vibrationsplatte durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist auch das wissenschaftliche Interesse am Vibrationstraining ein stetig wachsendes Feld in den Bereichen der Sportwissenschaft und Forschung. Bisher konnte gezeigt werden, dass Vibrationstraining verschiedene biologische als auch physiologische Reaktionen beim Menschen hervorruft. Dennoch gibt es nur wenige Untersuchungen, die sich mit den Auswirkungen des Vibrationstrainings auf die neuromuskuläre Leistung der unteren Extremitäten bei älteren Menschen beschäftigen. Des Weiteren weißen die Ergebnisse dieser wenigen Studien viele Widersprüchlichkeiten auf, welche durch die unterschiedlich verwendeten Trainingsvorgaben und Vibrationsbelastungen verursacht sein könnten. Darüber hinaus besteht noch ein großes Defizit an grundlegenden Informationen hinsichtlich effektiver, aber dennoch sicherer Vorgaben in der Anwendung des Vibrationstrainings im Bereich der Rumpf- und Nackenmuskulatur. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit drei wesentlichen Aspekten des Vibrationstrainings: (1) die Empfehlung von optimalen Vibrationsbelastungen (VbL) als wesentlicher Bestandteil des Vibrationstrainingsplans der unteren Extremitäten älterer Menschen, (2) die Evaluierung dieser VbL anhand einer auf Vibrationstraining basierter Intervention mit älteren Menschen hinsichtlich Durchführbarkeit und Auswirkungen auf die neuromuskuläre Leistung der unteren Gliedmaßen, und (3) Angaben für effektive und sichere VbL für Rumpf- und Nackenmuskulatur bereitzustellen. Mit der Aufarbeitung von Ergebnissen und Defiziten des aktuellen Forschungsstands werden diese Aspekte durch die Formulierung von fünf Hypothesen (H1, H2, H3, H4, and H5) weiter spezifiziert. Methodik Die fünf Hypothesen werden in drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen (Studie 1 bis 3) untersucht. Die erste Studie (S1) befasste sich mit der optimalen VbL für ältere Personen (H1), welche durch die Kombination von drei biomechanischen Variablen (Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude und Kniewinkel) bestimmt wird. Hierzu wurde die neuromuskuläre Aktivität der vorderen und hinteren Oberschenkelmuskulatur von 51 gesunden Probanden unter Vibration mittels Oberflächen-Elektromyografie (EMG) gemessen. Vor den Messungen wurden maximale muskuläre Kontraktionen durchgeführt, um die EMG zu normalisieren. Um die unterschiedlichen Auswirkungen der biomechanischen Variablen zu analysieren wurde eine drei-faktorielle Varianzanalyse durchgeführt. Studie 2 (S2) entspricht einer randomisierten kontrollierten Studie, welche die Ergebnisse aus S1 in einem Trainingsplan verwendet, um die Durchführbarkeit und Effektivität eines sechs wöchigen Vibrationstrainings zu untersuchen (H2, H3, und H4). Hierfür wurden 21 Probanden zufällig einer Vibrationstrainings- oder einer Kontrollgruppe zugeteilt. Während die Vibrationsgruppe ein sechs wöchiges Vibrationstraining absolvierte, wurden die Teilnehmer der Kontrollgruppe gebeten ihre körperliche Aktivität während des Studienzeitraums nicht zu verändern. Vor und nach dem Untersuchungszeitraums wurde die Sprunghöhe während eines „countermovement jump“ (CMJ) erfasst. Weiterhin wurden isokinetische Kraftmessgrößen der Kniegelenkbeugung und –streckung an einem Dynamometer ermittelt. Die Borgskala zur Erfassung des subjektiven Belastungsempfindens wurde eingesetzt, um die Intensität der Übungen des Vibrationstrainings innerhalb einer Trainingseinheit zu messen. Veränderungen der Messgrößen zwischen Eingangs- und Abschlusstest wurden statistisch mit einem t-Test für abhängige (innerhalb einer Gruppe) und einem t-Test für unabhängige Stichproben (zwischen den Gruppen) untersucht. Ziel der dritten Studie (S3) war es den Einfluss der biomechanischen Variablen auf die muskuläre Aktivierung verschiedener Rumpf- und Nackenmuskeln (H5). Hierzu wurden solche biomechanische Variablen ausgesucht, welche laut derzeitigem Wissensstand jeweils das geringste Risiko von Nebenwirkungen für den Kopf ausüben. Mittels Oberflächen-EMG wurde die muskuläre Aktivität von 28 Probanden erfasst. EMG Signale wurden zu vorangegangenen MVC Messungen normalisiert. Die Unterschiedlichen Effekte der biomechanischen Variablen wurden mittels einer Varianzanalyse für Messwiederholungen analysiert. Ergebnisse Die Ergebnisse von S1 konnten zeigen, dass die biomechanischen Variablen den neuromuskulären Aktivierungsgrad der Oberschenkelmuskulatur bei älteren Personen unterschiedlich beeinflussen und somit H1 bestätigen. Der höchste Grad der Aktivierung wurde deutlich mit einer großen Amplitude und hohen Frequenz erreicht, wobei der Kniewinkel ausschließlich die vordere Oberschenkelmuskulatur beeinflusst. Zudem, führte der Vibrationseinfluss zu einer größeren Muskelaktivität der Oberschenkelvorderseite (74.1 % MVC) als der –rückseite (27.3 % MVC). Die Resultate von S2 hinsichtlich des CMJ Tests bestätigen H2, da es in der Vibrationstrainingsgruppe zu einer gesteigerten gelenksübergreifender Kraftleistung in den Beinen kam, aber keine Veränderungen in der Kontrollgruppe feststellbar waren. Hingegen kam es in keiner Gruppe zu statistisch signifikanten Veränderungen der isokinetischen Messgrößen (Maximalkraft, Kraftleistung, Muskelarbeit), wodurch H3 abgelehnt wird. Das subjektive Belastungsempfinden der Übungen und des Belastungsgefüges des Vibrationstrainings liegt zwischen moderaten Bewertungsstufen von 7 bis 13 der Borgskala und weist daraufhin, dass Vibrationstraining ein praktikables und sicheres Übungsprogramm für ältere Menschen ist und somit H4 bestätigt. Die Ergebnisse von S3 konnten H5 bestätigen, da die biomechanischen Variablen den neuromuskulären Rumpf- und Nackenmuskulatur unterschiedlich beeinflussen. Der höchste Grad der Aktivierung wurde deutlich mit einer großen Amplitude und hohen Frequenz erreicht, wobei der Kniewinkel sich ähnlich auf die VbL auswirkt. Der Vibrationsstimulus führte zudem zu einer höheren Aktivierung der unteren Rückenmuskulatur (27.2% MVC) als der Nacken- (8.5 % MVC) und Bauchmuskulatur (3.6 % MVC). Schlussfolgerungen Die maximale muskuläre Belastung älterer Personen in einem Vibrationstrainings hängt von bestimmten Kombinationen der biomechanischen Variablen (Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude und Kniewinkel). Zudem ist ein Vibrationstraining, das auf altersspezifischen Vibrationsbelastungen basiert ein machbares, angemessenes und effektives Trainingsprogramm für älteren Menschen, um einem altersbedingten Abnehmen der muskulären Leistungsfähigkeit vorzubeugen. Weiterhin führt die Verbindung von biomechanischen Variablen, welche laut bisherigem Forschungsstand als sicher gegen schädliche Vibrationsübertragungen zum Kopf gelten, nur zu leichten bis moderaten Muskelaktivierung im Oberkörper. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern einen Beitrag zur Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Vibrationstrainings und können weiteren Forschungsarbeiten hilfreich sein. Darüber hinaus kann diese Arbeit helfen die Qualität von Vibrationstrainingsangeboten zu verbessern und somit zum praktischen Nutzen beitragen.

Previous studies have shown favourable properties for papaya bast fibres, with a Young's modulus of up to 10 GPa and a tensile strength of up to 100 MPa. Because the fibres remain as residues on papaya plantations across the tropics in large quantities, their use in the making of green composites would seem to be worthy of consideration. This study aims to show that such composites can have very suitable mechanical properties, comparable to or even better than the common wood plastic composites (WPCs), and as such, represent a promising raw material for composites and a low-cost alternative to wood.

Einleitung: Aufgrund der hohen Inzidenz der vorderen Kreuzbandverletzungen und der damit einhergehenden funktionellen Einschränkung besteht ein anhaltendes Interesse an der Verbesserung bestehender und Entwicklung neuer, besserer Techniken zur Rekonstruktion dieser Bandstruktur des Kniegelenkes. In dieser Studie wurde der Einfluss des Verankerungsniveaus (anatomisch vs. extrakortikal) und der Verankerungsart (direkt vs. indirekt) auf das mechanische Verhalten von drei exemplarischen, in der Klinik häufig angewandten Rekonstruktionstechniken, untersucht. Material & Methoden: An insgesamt 24 Kniegelenken humaner Spender mittleren Alters (40 Jahre) wurden drei Rekonstruktionstechniken (n=8 pro Gruppe) des VKB durchgeführt. Als Transplantat wurden jeweils humane Hamstringsehnen verwendet: 1.) HADBIO: anatomische und direkte Verankerung mit biodegradierbaren Interferenzschrauben, 2.) HADTIT: semi-anatomische und direkte Verankerung mit Titanschrauben, 3.) HEIButton: extrakortikale, indirekte Verankerung mit Faden-Button Verbindung. Alle rekonstruierten Kniegelenke wurden einer zyklischen, inkremental zunehmenden Belastung bis zum Versagen unterzogen. Es wurden die Parameter Konstruktsteifigkeit, absorbierte Energie, Transplantatauslenkung und Laxizitätszunahme bei Belastungen von 200, 300, 400 N, sowie die maximale Steifigkeit und Versagenskraft bestimmt. Ergebnis: Die anatomische und direkte Transplantatverankerung mit biodegradierbarer Interferenzschraube zeigt die vorteilhaftesten mechanischen Eigenschaften, während die extrakortikale und indirekte Verankerung die niedrigsten mechanischen Eigenschaften aufwies. Die tibiale Verankerungsseite ist bei Interferenzschraubenverankerung der Schwachpunkt, während die Fadenverbindungen bei der extrakortikalen Verankerungstechnik die Schwachstelle darstellten. Auch bei anatomischer und direkter Transplantatfixation findet ein nicht zu vernachlässigender permanenter Verankerungsverlust bei vergleichsweise geringer Versagenskraft statt, der vor allem auf der tibialen Verankerungsseite zu beobachten ist. Diskussion: Eine anatomische und direkte Transplantatverankerung ist von mechanischem Vorteil. Allerdings hängt die Konstruktsteifigkeit auch in erheblichem Maße vom Fixationsobjekt ab. Extrakortikale Fixationstechniken, die eine indirekte Faden-Knoten-Transplantatverbindung erfordern, unterliegen einer erheblichen nicht-reversiblen Lockerung unter zyklischer Belastung und sollten durch direkte Verankerungstechniken ersetzt werden. Aufgrund der permanenten Laxizitätszunahme auch in der anatomischen und direkten Interferenzschraubenverankerung, vor allem der tibialen Seite, sollte über Sicherungsverankerungen, so genannten Hybridfixationen nachgedacht werden, um die mechanischen Vorteile dieser Rekonstruktionsart voll zum Tragen bringen zu können. / Introduction: There is a continuous interest in the improvement and development of new techniques for the reconstruction of the anterior cruciate ligament (ACL) because of the high incidence of its injury and the resulting functional deficit. Purpose of this study was the impact of fixation level (anatomic vs. extracortical) and fixation method (direct vs. indirect) on the mechanical properties of three frequently used reconstruction techniques. Material & Methods: 24 human cadaveric knees with an average age of 40 years were used for simulation of three reconstruction techniques (n=8 per group). Human hamstring tendons were utilized as tendon grafts. 1.) HADBIO: anatomic and direct fixation with biodegradable interference screws, 2.) HADTIT: semi-anatomic and direct fixation with titanium interference screws, 3.) HEIButton: extracortical, indirect fixation with tape/button combination. All reconstructed knee joints underwent cyclic incremental loading until failure. Construct stiffness, absorbed energy, displacement and laxity increase were calculated at loads up to 200, 300, 400 N. Maximum stiffness and failure load were also recorded. Results: The anatomic and direct graft fixation with biodegradable interference screws provided the highest, while the combination of extracortical and indirect fixation showed the lowest mechanical properties. The tibial fixation site is the critical factor in interference screw fixation, while the tape/suture interfaces were the location of failure in the extracortical reconstructions. Even in the anatomic and direct reconstruction technique a considerable permanent loss of fixation, especially at the tibial fixation site and a comparably lower failure load were observed. Discussion: The combination of anatomic and direct fixation showed to be of mechanical benefit. However, construct stiffness seemed to be also affected by the fixation device. Extracortical fixation techniques, which require suture-tape/knot interfaces for graft fixation, undergo significant permanent loosening of fixation under cyclic loads and should be replaced by direct fixation techniques. Since a permanent laxity increase was still observed in the anatomic and direct interference screw reconstructions, especially on the tibial site, backup or so called hybrid fixations should be considered, which would allow to take full advantage of the mechanical improvements in these reconstruction techniques.

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Previous studies have shown favourable properties for papaya bast fibres, with a Young's modulus of up to 10 GPa and a tensile strength of up to 100 MPa. Because the fibres remain as residues on papaya plantations across the tropics in large quantities, their use in the making of green composites would seem to be worthy of consideration. This study aims to show that such composites can have very suitable mechanical properties, comparable to or even better than the common wood plastic composites (WPCs), and as such, represent a promising raw material for composites and a low-cost alternative to wood.

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.

Background: Open reduction and internal fixation with a plate is deemed to represent the gold standard of surgical treatment for displaced intra-articular calcaneal fractures. Standard plate fixation is usually placed through an extended lateral approach with high risk for wound complications. Minimally invasive techniques might avoid wound complications but provide limited construct stability. Therefore, 2 different types of locking nails were developed to allow for minimally invasive technique with sufficient stability. The aim of this study was to quantify primary stability of minimally invasive calcaneal interlocking nail systems in comparison to a variable-angle interlocking plate. Material and Methods: After quantitative CT analysis, a standardized Sanders type IIB fracture model was created in 21 fresh-frozen cadavers. For osteosynthesis, 2 different interlocking nail systems (C-Nail; Medin, Nov. Město n. Moravě, Czech Republic; Calcanail; FH Orthopedics SAS; Heimsbrunn, France) as well as a polyaxial interlocking plate (Rimbus; Intercus GmbH; Rudolstadt, Germany) were used. Biomechanical testing consisted of a dynamic load sequence (preload 20 N, 1000 N up to 2500 N, stepwise increase of 100 N every 100 cycles, 0.5 mm/s) and a load to failure sequence (max. load 5000 N, 0.5 mm/s). Interfragmentary movement was detected via a 3-D optical measurement system. Boehler angle was measured after osteosynthesis and after failure occurred. Results: No significant difference regarding load to failure, stiffness, Boehler angle, or interfragmentary motion was found between the different fixation systems. A ignificant difference was found with the dynamic failure testing sequence where 87.5% of the Calcanail implants failed in contrast to 14% of the C-Nail group (P < .01) and 66% of the Rimbus plate. The highest load to failure was observed for the C-Nail. Boehler angle showed physiologic range with all implants before and after the biomechanical tests. Conclusion: Both minimally invasive interlocking nail systems displayed a high primary stability that was not inferior to an interlocking plate. Clinical relevance: Based on our results, both interlocking nails appear to represent a viable option for treating displaced intra-articular calcaneal fractures.

Background Whole-body vibration (WBV) as a training modality is established in the fields of sport, fitness, rehabilitation, and clinical intervention. WBV exercises are performed thereby while standing on a motor driven oscillating platform device. Therefore, the scientific interest in WBV is a steadily increasing field in sports science and research. It has been shown that WBV training elicits various biological and physiological effects in men. Nevertheless, there are only a small number of studies examining WBV effects on neuromuscular performance of the lower extremities in elderly people. Furthermore, the results of these studies show many discrepancies that may be caused by limitations referring to the different applied training protocols and vibration loads. In addition, there is still a deficit of information for effective but safe recommendations for WBV application for trunk and neck muscles. Therefore, this doctoral thesis deals with three major aspects of WBV as an exercise modality in strength training: (1) the recommendation of optimal vibration loads (VbLs) for the lower extremities as an essential element of the WBV exercise parameters in older adults, (2) the evaluation of these VbLs in a WBV training intervention for elderly people with regard to feasibility and chronic effects on neuromuscular performance of the lower limbs, and (3) the allocation of information for effective but safe advices for VbLs for trunk and neck muscles. These aspects are further specified toward five hypotheses (H1, H2, H3, H4, and H5) by findings and limitations of the current state of literature. Methods The five hypotheses are evaluated within three research papers (studies 1 to 3). The first study (S1) evaluated the optimal VbL determined by the combination of three biomechanical variables (vibration frequency, vibration amplitude, and knee angle) in older adults (H1). Therefore, the neuromuscular activity of the quadriceps femoris and hamstring muscles in 51 healthy subjects were measured during WBV exposure using surface electromyography (EMG). Maximal voluntary contractions (MVCs) were conducted prior to the measurements to normalise the EMG signals. A three-way mixed ANOVA was performed to analyse the different effects of the biomechanical variables on muscle activity. Study 2 (S2) represents a randomised controlled trial to assess the results of S1 implemented in a WBV training protocol and therefore to evaluate the feasibility and effectiveness of a six-week WBV intervention (H2, H3, and H4). A total of 21 subjects was allocated randomly into either a WBV training or control group. While the WBV group completed a six-week WBV training programme the control group was asked not to change their current level of physical activity during the study. Before and after the intervention period, jump height was measured during a countermovement jump (CMJ). In addition, isokinetic knee extension and flexion strength parameters were recorded using a motor-driven dynamometer. The Borg scale for ratings of perceived exertion (RPE scale) was used to evaluate the intensity of WBV exercises within each training session. Changes from pre- to posttest were analysed by a paired sample t-test (within-group comparisons) and independent sample t-test (between-group comparisons). The intention of study 3 (S3) was to analyse the impact of biomechanical variables on neuromuscular activity of different trunk and neck muscles during WBV (H5) filling the lack of information in current literature. Those biomechanical variables were assumed, which current literature suggests as having the lowest risk of negative side effects on the head. Surface EMG was used to record the neuromuscular activity in 28 healthy subjects. EMG signals were normalised to prior measured MVC. Different effects of the biomechanical variables were analysed by an ANOVA for repeated measurements. Results The findings of S1 showed that the biomechanical variables affect the level of neuromuscular activity of thigh muscles in older adults in different dimensions which confirms H1. The maximum levels of muscle activity were significantly reached at high amplitude and high frequency, whereas the factor “knee angle” only significantly affected the quadriceps femoris. Furthermore, WBV led to a higher muscle activation of the quadriceps femoris (74.1 % MVC) than of the hamstring muscles (27.3 % MVC). The main findings in S2 were an increased multi-joint strength performance of the lower limbs during a countermovement jump in the WBV group, whereas values of the control group remained unchanged after the intervention, thus confirming H2. There were no statistically significant differences in isokinetic maximal strength, mean power, or work values in knee extension or flexion in both groups (rejecting H3). In addition, the subjective perceived exertion of the WBV exercises and respective training parameters ranged between moderate rating levels of 7 and 13 of the Borg scale and indicate WBV intervention as a feasible and safe training program for elderly people, which is consistent with H4. Finally, the outcomes of S3 confirmed H5 as the biomechanical variables affect the level of neuromuscular activity of the trunk and neck in different dimensions. The maximum levels of muscle activity were significantly reached at high amplitude and high frequency, while knee angles had similar effects on the VbL. WBV led to a higher muscle activation of the lower back muscles (27.2% MVC) than of neck muscles (8.5 % MVC) and the abdominal muscles (3.6 % MVC). Conclusion A maximised VbL for WBV training in older adults depends on specific combinations of the biomechanical variables (vibration frequency, vibration amplitude, and knee angle). In addition, a WBV training based on this age-specific high VbL is a feasible, suitable and effective training program for elderly people to prevent age-related reduction of muscle performance in the lower extremities. Furthermore, the combination of biomechanical variables recommended in literature as safe for preventing harmful transmissions to the head, only elicit low to moderate muscle activation of the upper body. The findings of this thesis represent fundamental research in the field of WBV and may help to improve further research in this area. Finally, this thesis may help coaches and therapists to enhance the quality of WBV training in practical application. / Hintergrund Ganzkörpervibration (Whole-Body Vibration, WBV) hat sich als Trainingsanwendung im Sport-, Fitness, Rehabilitationsbereich und klinischen Bereich etabliert, wobei die Übungen dabei im Stehen auf einer Vibrationsplatte durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist auch das wissenschaftliche Interesse am Vibrationstraining ein stetig wachsendes Feld in den Bereichen der Sportwissenschaft und Forschung. Bisher konnte gezeigt werden, dass Vibrationstraining verschiedene biologische als auch physiologische Reaktionen beim Menschen hervorruft. Dennoch gibt es nur wenige Untersuchungen, die sich mit den Auswirkungen des Vibrationstrainings auf die neuromuskuläre Leistung der unteren Extremitäten bei älteren Menschen beschäftigen. Des Weiteren weißen die Ergebnisse dieser wenigen Studien viele Widersprüchlichkeiten auf, welche durch die unterschiedlich verwendeten Trainingsvorgaben und Vibrationsbelastungen verursacht sein könnten. Darüber hinaus besteht noch ein großes Defizit an grundlegenden Informationen hinsichtlich effektiver, aber dennoch sicherer Vorgaben in der Anwendung des Vibrationstrainings im Bereich der Rumpf- und Nackenmuskulatur. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit drei wesentlichen Aspekten des Vibrationstrainings: (1) die Empfehlung von optimalen Vibrationsbelastungen (VbL) als wesentlicher Bestandteil des Vibrationstrainingsplans der unteren Extremitäten älterer Menschen, (2) die Evaluierung dieser VbL anhand einer auf Vibrationstraining basierter Intervention mit älteren Menschen hinsichtlich Durchführbarkeit und Auswirkungen auf die neuromuskuläre Leistung der unteren Gliedmaßen, und (3) Angaben für effektive und sichere VbL für Rumpf- und Nackenmuskulatur bereitzustellen. Mit der Aufarbeitung von Ergebnissen und Defiziten des aktuellen Forschungsstands werden diese Aspekte durch die Formulierung von fünf Hypothesen (H1, H2, H3, H4, and H5) weiter spezifiziert. Methodik Die fünf Hypothesen werden in drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen (Studie 1 bis 3) untersucht. Die erste Studie (S1) befasste sich mit der optimalen VbL für ältere Personen (H1), welche durch die Kombination von drei biomechanischen Variablen (Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude und Kniewinkel) bestimmt wird. Hierzu wurde die neuromuskuläre Aktivität der vorderen und hinteren Oberschenkelmuskulatur von 51 gesunden Probanden unter Vibration mittels Oberflächen-Elektromyografie (EMG) gemessen. Vor den Messungen wurden maximale muskuläre Kontraktionen durchgeführt, um die EMG zu normalisieren. Um die unterschiedlichen Auswirkungen der biomechanischen Variablen zu analysieren wurde eine drei-faktorielle Varianzanalyse durchgeführt. Studie 2 (S2) entspricht einer randomisierten kontrollierten Studie, welche die Ergebnisse aus S1 in einem Trainingsplan verwendet, um die Durchführbarkeit und Effektivität eines sechs wöchigen Vibrationstrainings zu untersuchen (H2, H3, und H4). Hierfür wurden 21 Probanden zufällig einer Vibrationstrainings- oder einer Kontrollgruppe zugeteilt. Während die Vibrationsgruppe ein sechs wöchiges Vibrationstraining absolvierte, wurden die Teilnehmer der Kontrollgruppe gebeten ihre körperliche Aktivität während des Studienzeitraums nicht zu verändern. Vor und nach dem Untersuchungszeitraums wurde die Sprunghöhe während eines „countermovement jump“ (CMJ) erfasst. Weiterhin wurden isokinetische Kraftmessgrößen der Kniegelenkbeugung und –streckung an einem Dynamometer ermittelt. Die Borgskala zur Erfassung des subjektiven Belastungsempfindens wurde eingesetzt, um die Intensität der Übungen des Vibrationstrainings innerhalb einer Trainingseinheit zu messen. Veränderungen der Messgrößen zwischen Eingangs- und Abschlusstest wurden statistisch mit einem t-Test für abhängige (innerhalb einer Gruppe) und einem t-Test für unabhängige Stichproben (zwischen den Gruppen) untersucht. Ziel der dritten Studie (S3) war es den Einfluss der biomechanischen Variablen auf die muskuläre Aktivierung verschiedener Rumpf- und Nackenmuskeln (H5). Hierzu wurden solche biomechanische Variablen ausgesucht, welche laut derzeitigem Wissensstand jeweils das geringste Risiko von Nebenwirkungen für den Kopf ausüben. Mittels Oberflächen-EMG wurde die muskuläre Aktivität von 28 Probanden erfasst. EMG Signale wurden zu vorangegangenen MVC Messungen normalisiert. Die Unterschiedlichen Effekte der biomechanischen Variablen wurden mittels einer Varianzanalyse für Messwiederholungen analysiert. Ergebnisse Die Ergebnisse von S1 konnten zeigen, dass die biomechanischen Variablen den neuromuskulären Aktivierungsgrad der Oberschenkelmuskulatur bei älteren Personen unterschiedlich beeinflussen und somit H1 bestätigen. Der höchste Grad der Aktivierung wurde deutlich mit einer großen Amplitude und hohen Frequenz erreicht, wobei der Kniewinkel ausschließlich die vordere Oberschenkelmuskulatur beeinflusst. Zudem, führte der Vibrationseinfluss zu einer größeren Muskelaktivität der Oberschenkelvorderseite (74.1 % MVC) als der –rückseite (27.3 % MVC). Die Resultate von S2 hinsichtlich des CMJ Tests bestätigen H2, da es in der Vibrationstrainingsgruppe zu einer gesteigerten gelenksübergreifender Kraftleistung in den Beinen kam, aber keine Veränderungen in der Kontrollgruppe feststellbar waren. Hingegen kam es in keiner Gruppe zu statistisch signifikanten Veränderungen der isokinetischen Messgrößen (Maximalkraft, Kraftleistung, Muskelarbeit), wodurch H3 abgelehnt wird. Das subjektive Belastungsempfinden der Übungen und des Belastungsgefüges des Vibrationstrainings liegt zwischen moderaten Bewertungsstufen von 7 bis 13 der Borgskala und weist daraufhin, dass Vibrationstraining ein praktikables und sicheres Übungsprogramm für ältere Menschen ist und somit H4 bestätigt. Die Ergebnisse von S3 konnten H5 bestätigen, da die biomechanischen Variablen den neuromuskulären Rumpf- und Nackenmuskulatur unterschiedlich beeinflussen. Der höchste Grad der Aktivierung wurde deutlich mit einer großen Amplitude und hohen Frequenz erreicht, wobei der Kniewinkel sich ähnlich auf die VbL auswirkt. Der Vibrationsstimulus führte zudem zu einer höheren Aktivierung der unteren Rückenmuskulatur (27.2% MVC) als der Nacken- (8.5 % MVC) und Bauchmuskulatur (3.6 % MVC). Schlussfolgerungen Die maximale muskuläre Belastung älterer Personen in einem Vibrationstrainings hängt von bestimmten Kombinationen der biomechanischen Variablen (Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude und Kniewinkel). Zudem ist ein Vibrationstraining, das auf altersspezifischen Vibrationsbelastungen basiert ein machbares, angemessenes und effektives Trainingsprogramm für älteren Menschen, um einem altersbedingten Abnehmen der muskulären Leistungsfähigkeit vorzubeugen. Weiterhin führt die Verbindung von biomechanischen Variablen, welche laut bisherigem Forschungsstand als sicher gegen schädliche Vibrationsübertragungen zum Kopf gelten, nur zu leichten bis moderaten Muskelaktivierung im Oberkörper. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern einen Beitrag zur Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Vibrationstrainings und können weiteren Forschungsarbeiten hilfreich sein. Darüber hinaus kann diese Arbeit helfen die Qualität von Vibrationstrainingsangeboten zu verbessern und somit zum praktischen Nutzen beitragen.