Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / Steven Warren / A reference design for a wearable, wireless biomedical sensor set has been a long-term need for researchers at Kansas State University, driven by the idea that a basic set of sensor components could address the demands of multiple types of human and animal health monitoring scenarios if these components offered even basic reconfigurability. Such a reference design would also be a starting point to assess sensor performance and signal quality in the context of various biomedical research applications. This thesis describes the development of a set of wireless health monitoring sensors that can be used collectively as a data acquisition platform to provide biomedical research data and to serve as a baseline reference design for new sensor and system development. The host computer, an Intel Edison unit, offers plug-and-play usability and supports both Wi-Fi and Bluetooth wireless connectivity. The reference sensor set that accompanies the Intel Edison single-board computer includes an electrocardiograph, a pulse oximeter, and an accelerometer/gyrometer. All sensors are based on the same physical footprint and connector placement so that the sensors can be stacked to create a collection with a minimal volume and footprint. The latest hardware version is 3.1. Version 1.0 supported only a pulse oximeter, whereas version 2.0 included an electrocardiograph, pulse oximeter, and respiration belt. In version 3.0, the respiration belt was removed, and accelerometers and gyroscopes were added to the sensor set. Version 3.1 is a refined version of the latter design, where known hardware bugs were remedied. Future work includes the development of new sensors and casing designs that can hold these sensor stacks.

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.

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

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT ainsi qu’à TAV et au LAC, visant la réalisation d’un gyromètre résonant passif en fibre optique à cœur creux atteignant des performances permettant la navigation inertielle. Nous y décrivons mathématiquement l’effet Sagnac, effet relativiste à la base des mesures optiques dans les gyromètres. Ensuite, nous exposons en détail les méthodes utilisées à ce jour pour mesurer des rotations avec des gyromètres passifs par les différentes équipes de recherches. Nous explicitons les limitations de ces méthodes, et en quoi la fibre optique à cœur creux semble être la solution la plus prometteuse pour pallier les défauts des gyromètres passifs résonants actuels. Une partie de cette thèse est alors consacrée à l’étude des propriétés physiques des fibres à cœur creux (Kagomé et bande interdite photonique), telles que leur atténuation, leur capacité à maintenir la polarisation, et leur rétrodiffusion. Nous présentons la première mesure de zone aveugle (plage de faibles vitesses de rotations non mesurables par un gyromètre) dans un gyromètre résonant passif en fibre à cœur creux. Un modèle mathématique est posé pour expliquer le lien entre cette zone aveugle et la rétrodiffusion au sein de la cavité résonante. Nous décrivons ensuite un protocole expérimental permettant de s’affranchir de cette limitation dans notre gyromètre. Nous détaillons enfin la mise en œuvre de ce protocole et caractérisons les performances ainsi atteintes par notre gyromètre / In this manuscript, we report the theoretical and experimental developments at TRT, TAV and LAC, aiming the realization of a hollow-core passive resonant fiber optical gyroscope that can achieve navigation grade performances. We mathematically describe the Sagnac effect, which is a relativistic effect used to optically probe mechanical rotations. Then, we detail the state of the art in passive resonant fiber optical gyroscope development. We identify their limitations, and explain why the hollow core fiber seems to be the best solution to cope with the actual limitations of such gyroscopes. We then focus on two different types of hollow core fibers: Kagome and photonic bandgap. We evaluate their performances in terms of transmission, polarization holding and backscattering. We describe the first measurement of a lock in region in a hollow core fiber passive optical gyroscope, i.e the range of rotation rates that cannot be measured because of backscattering. A mathematical model is propounded to link the lock in to the backscattering of the cavity. We then discuss the experimental protocol that we implemented to circumvent this limitation. Finally, we characterize the performances of our gyroscope based on these features

Cette thèse aborde le problème de la calibration d’un ensemble de capteurscomposé d’une centrale inertielle, d’un magnétomètre et d’une caméra, avecpour objectif leur intégration sur un système très compact : un mini-drone.Cette étude expose tout d’abord les contraintes imposées par l’application surle choix des capteurs et les solutions envisagées notamment pour résoudre leproblème de la synchronisation des mesures. Après avoir étudié les techniquesde calibration existantes, une méthode permettant la calibration de l’ensembledes capteurs (accéléromètre, gyromètre, magnétomètre et caméra) est présentée.La solution proposée permet également d’estimer les changements de repèresentre les différents capteurs. Elle a la particularité de ne nécessiter l’emploid’aucun matériel particulier. D’autre part, l’intégration de ces capteurs dans unsystème aussi compact soulève de nouvelles difficultés. Dans ces conditions, leschamps magnétiques créés par les actionneurs du drone perturbent les mesuresdu magnétomètre se trouvant à proximité. Une nouvelle méthode est proposéeafin d’estimer et de compenser dynamiquement ces perturbations magnétiquesen fonction de l’état des actionneurs du drone. Enfin, deux applications dusystème comprenant une centrale inertielle et une caméra sont présentées :la construction de mosaïques d’images géo-référencées et la stabilisation devidéos. Ces deux applications exploitent les mesures des capteurs inertiels afind’effectuer un traitement en temps réel pour un coût calculatoire très faible. / This thesis deal with the issue of the calibration of a group of sensor composedof an inertial unit, a magnetometer and a camera. It aims at integratingthem into a very compact system : a mini-drone. First of all, this study outlinesthe constraints imposed by the application on the choice of the sensors andthe solutions considered to solve the measures synchronization issue. Afterstudying existing calibration techniques, a method for the calibration of allthe sensors (accelerometer, gyroscope, magnetometer and camera) is presented.The proposed solution allows to estimate the frame transformation between thedifferent sensors. It has the advantage of not requiring the use of any specialequipment. Furthermore, the integration of these sensors into a compact systemraises new difficulties. Under these conditions, the magnetic fields created bythe drone actuators disrupt magnetometer measurements. A new method isproposed to estimate and compensate for these magnetic disturbances. Thecompensation is dynamically adapted based on the state of the drone actuators.Finally, two applications of the system including an inertial unit and a cameraare presented : the construction of geo-referenced images mosaic and videostabilization. Both applications use measurements of inertial sensors and precisecalibration to perform a real-time processing for a very low computational cost.