Gyroscopes have been used in previous studies to measure the peak angular velocity of the shoe or foot in the frontal plane (evVel). However, it is not clear whether different test conditions (footwear hardness or locomotion speed) can influence the accuracy of evVel. The purpose of the present study was to compare the accuracy of gyroscopes and electrogoniometers when measuring evVel and the time until evVel (t_evVel) in 12 different conditions using a single axis gyroscope attached to the heel cap. Twenty-four recreational runners were instructed to walk and run on a 15-m indoor track at four locomotion speeds (1.5, 2.5, and 3.5 m/s, and individual running speed) and in three footwear conditions (low to high hardness). The gyroscope data and electrogoniometer data were sampled at a rate of 1000 Hz. Comparisons between both measurement devices showed small mean differences up to 49.8 ± 46.9 deg/s for evVel and up to 5.3 ± 3.5 ms for t_evVel. Furthermore, strong relationships between gyroscope and electrogoniometer data were found for evVel as well as for t_evVel for all conditions. It can be concluded that gyroscopes can be used to accurately determine evVel and t_evVel under a variety of conditions.

Einleitung: Epidemiologische Studien zeigen den langfristigen Nutzen körperlicher Aktivität zur Prävention neurologischer Erkrankungen und kognitiver Defizite im Alter auf. Sportliche Betätigung kann jedoch, vor allem bei Ausübung von Kontaktsportarten, auch akute und chronische neuronale Schädigungen durch häufige mechanische Beeinflussungen des Gehirns hervorrufen. NSE und S-100B sind laborchemische Marker, die im Rahmen der Diagnostik von Hirnschädigungen zum Einsatz kommen. Einige Forschungsarbeiten fanden erhöhte Konzentrationen dieser Biomarker nach sportlichen Belastungen ohne offensichtliches Vorliegen von traumatischen Ereignissen oder neurologischer Beeinträchtigungen. Daher stellt sich die Frage, ob entsprechende Norm- bzw. Cut-Off-Werte für NSE und S-100B universell im klinischen Alltag geeignet sind oder durch belastungsinduzierte Einflüsse einer differenzierteren Beurteilung unterzogen werden sollten. In vorliegender Arbeit wird diese Fragestellung anhand der klassischen Ausdauersportarten Laufen und Radfahren untersucht. Ergebnisse und Diskussion: Zunächst erfolgte der Nachweis für die Reproduzierbarkeit von NSE bei Ausdauersportlern für Ruhe- und Belastungsbedingungen. Es wurden keine signifikanten Unterschiede für NSE im Belastungsvergleich von Radfahren und Laufen, wie beim Vergleich verschiedener Laufintensitäten im zeitlichen Verlauf festgestellt. Die denkbare Einflussnahme beim Laufen durch leichte Erschütterungen des Gehirns basierend auf dem Impact beim Bodenkontakt des Fußes, ist offensichtlich irrelevant. Physischer Stress, der durch einen Marathonlauf verursacht wird, führt offensichtlich in der Akutphase nach dem Wettkampf zu einem signifikanten Anstieg von NSE und S-100B, welche im späteren Verlauf wieder auf das Ausgangsniveau abfallen. Dies ist unabhängig von Alter und Geschlecht. Über dem Normwert für Gesunde liegende NSE-Konzentrationen nach einer Marathonbelastung, haben offensichtlich keine pathophysiologischen Auswirkungen oder klinische Korrelationen. In der klinischen Praxis sollten erhöhte NSE-Werte entsprechend vorsichtig interpretiert werden. Weitere marathonspezifische Faktoren wie Trainingshäufigkeit, Renneinteilung, Wetterbedingungen und Dysnatriämie, aber auch Alter und Geschlecht zeigten keine Zusammenhänge hinsichtlich der Serum-Konzentration von NSE und S-100B. Ebenfalls fanden sich keine signifikanten Veränderungen bei der Klassifizierung von Notfallpatienten bei Laufveranstaltungen bezüglich Diagnose und Streckenlängen. Fortführende Forschungsaktivitäten mit hohen Fallzahlen sind notwendig, um die Wertigkeit der beiden biochemischen Labormarker unter Einfluss körperlicher Aktivität herauszustellen.:1. Einleitung und allgemeine Problemstellung 1 1.1 Einleitung 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 2. Theoretische Grundlagen 5 2.1 Theoretische Grundlagen zu NSE 5 2.2 Theoretische Grundlagen zu S-100B 8 2.3 Einfluss sportlicher Belastungen auf NSE 9 2.4 Einfluss sportlicher Belastungen auf S-100B 10 3. Grundlegende Aspekte zur Methodik dieser Arbeit 12 3.1 Blutanalytik 13 3.2 Messverfahren NSE und S-100B 13 3.3 Ausschluss Hämolyse 14 3.4 Plasmavolumenkorrektur 17 3.5 Leistungsdiagnostik 18 3.6 Auswertung und Statistik 19 4. Teilstudie 1 - Methodische Untersuchungen 21 4.1 Reproduzierbarkeit von NSE unter Ruhe- und Belastungsbedingungen 21 4.1.1 Einleitung 21 4.1.2 Methoden 21 4.1.2.1 Probanden 21 4.1.2.2 Studiendesign 23 4.1.3 Ergebnisse 24 4.1.4 Diskussion 30 4.2 Pilotstudie zur In-vivo-Bestimmung von zerebralen S-100B mittels 1H-Magnetresonanzspetroskopie 35 4.2.1 Einleitung 35 4.2.2 Methoden 35 4.2.2.1 Probanden 35 4.2.2.2 Messverfahren 36 4.2.2.3 Studiendesign 39 4.2.3 Ergebnisse 39 4.2.4 Diskussion 41 5. Teilstudie 2 - Untersuchungen zum Einfluss sportlicher Belastung und NSE 47 5.1 Belastungsart und NSE 47 5.1.1 Einleitung 47 5.1.2 Methoden 47 5.1.2.1 Probanden 47 5.1.2.2 Studiendesign 48 5.1.3 Ergebnisse 50 5.1.4 Diskussion 54 5.2 Belastungsintensität und NSE 56 5.2.1 Einleitung 56 5.2.2 Methoden 56 5.2.2.1 Probanden 56 5.2.2.2 Studiendesign 57 5.2.3 Ergebnisse 57 5.2.4 Diskussion 61 6. Teilstudie 3 - Untersuchungen zum Einfluss von Marathonbelastungen auf NSE und S-100B 62 6.1 Einleitung 62 6.2 Methoden 64 6.2.1 Probanden 64 6.2.2 Sonstige Blutparameter 69 6.2.3 Studiendesign 71 6.3 Ergebnisse 71 6.3.1 Zeitlicher Verlauf 71 6.3.2 Geschlecht und NSE 73 6.3.3 Einfluss des Alters 75 6.3.4 Sportanamnestische Daten 79 6.3.5 Renntaktik 81 6.3.6 Wetterbedingungen 82 6.3.7 Dysnatriämie 84 6.3.8 NSE und S-100B im Zusammenhang mit weiteren belastungsspezifischen Laborparametern 85 6.4 Diskussion 91 6.4.1 Zeitlicher Verlauf 91 6.4.2 Alter und Geschlecht 93 6.4.3 Trainingshäufigkeit und -umfang 94 6.4.4 Renneinteilung 95 6.4.5 Elektrolytstörungen 97 6.4.6 NSE und S-100B im Zusammenhang mit weiteren belastungsspezifischen Laborparametern 98 7. Teilstudie 4 - Untersuchungen bei laufassoziierten Notfällen 104 7.1 Laufassoziierte Notfälle und NSE 104 7.1.1 Einleitung 104 7.1.2 Methoden 105 7.1.2.1 Probanden 105 7.1.2.2 Studiendesign 105 7.1.3 Ergebnisse 106 7.1.4 Diskussion 108 7.2 Einzelfallstudie 111 7.2.1 Einleitung 111 7.2.2 Methoden 111 7.2.2.1 Proband 111 7.2.2.2 Studiendesign 112 7.2.3 Ergebnisse 112 7.2.4 Diskussion 114 8. Abschließende Diskussion 118 9. Zusammenfassung 123 10. Literaturverzeichnis 125 11. Anhang 140 12. Danksagung 145 13. Eidesstattliche Erklärung 146 / Introduction: Epidemiological studies show long term benefits of exercise and sports for neurological diseases and cognitive deficits in elderly populations. In contact sports however also acute and chronic neuronal impairment of the brain itself caused by repetitive mechanical impact have been found. NSE and S-100B are biochemical markers used in diagnostics of brain injuries. Through several studies found increased values of theses markers after exercise without evident existence of traumatological occasion or neurological impairment. Whether NSE and S-100B and its corresponding reference- and cut-off-values can be applied in clinical routine or if exercise-induced effects apply for a more sophisticated evaluation, should herein be examined by the effects of traditionally endurance sports running and cycling. Results and discussion: At first the proof for repeatability of NSE in endurance sportsmen at rest and during physical activity was given. When comparing the effects of cycling and running as well as different training intensities in these sports, no significant changes could be noticed. Possible causes of elevated NSE due to slight concussions of the brain based on repetitive impact forces during running are obviously irrelevant. Running a marathon tends to result in a significant raise of NSE and S-100B in the acute period after the competition. The further process shows a decline to the base level independent of age or gender. NSE values above norm values after completing a marathon have clearly no pathophysiological effects or clinical correlates. Thus high NSE- concentrations should be interpreted with caution in clinical praxis. Further marathon specific factors like training, pacing strategy, weather conditions, dysnatraemia show no significant correlations with NSE or S-100B. Clustering emergency cases by diagnosis and running distance revealed no relationships to NSE. Further research with larger populations is necessary, to emphasize the relevance for NSE and S-100B during exercise.:1. Einleitung und allgemeine Problemstellung 1 1.1 Einleitung 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 2. Theoretische Grundlagen 5 2.1 Theoretische Grundlagen zu NSE 5 2.2 Theoretische Grundlagen zu S-100B 8 2.3 Einfluss sportlicher Belastungen auf NSE 9 2.4 Einfluss sportlicher Belastungen auf S-100B 10 3. Grundlegende Aspekte zur Methodik dieser Arbeit 12 3.1 Blutanalytik 13 3.2 Messverfahren NSE und S-100B 13 3.3 Ausschluss Hämolyse 14 3.4 Plasmavolumenkorrektur 17 3.5 Leistungsdiagnostik 18 3.6 Auswertung und Statistik 19 4. Teilstudie 1 - Methodische Untersuchungen 21 4.1 Reproduzierbarkeit von NSE unter Ruhe- und Belastungsbedingungen 21 4.1.1 Einleitung 21 4.1.2 Methoden 21 4.1.2.1 Probanden 21 4.1.2.2 Studiendesign 23 4.1.3 Ergebnisse 24 4.1.4 Diskussion 30 4.2 Pilotstudie zur In-vivo-Bestimmung von zerebralen S-100B mittels 1H-Magnetresonanzspetroskopie 35 4.2.1 Einleitung 35 4.2.2 Methoden 35 4.2.2.1 Probanden 35 4.2.2.2 Messverfahren 36 4.2.2.3 Studiendesign 39 4.2.3 Ergebnisse 39 4.2.4 Diskussion 41 5. Teilstudie 2 - Untersuchungen zum Einfluss sportlicher Belastung und NSE 47 5.1 Belastungsart und NSE 47 5.1.1 Einleitung 47 5.1.2 Methoden 47 5.1.2.1 Probanden 47 5.1.2.2 Studiendesign 48 5.1.3 Ergebnisse 50 5.1.4 Diskussion 54 5.2 Belastungsintensität und NSE 56 5.2.1 Einleitung 56 5.2.2 Methoden 56 5.2.2.1 Probanden 56 5.2.2.2 Studiendesign 57 5.2.3 Ergebnisse 57 5.2.4 Diskussion 61 6. Teilstudie 3 - Untersuchungen zum Einfluss von Marathonbelastungen auf NSE und S-100B 62 6.1 Einleitung 62 6.2 Methoden 64 6.2.1 Probanden 64 6.2.2 Sonstige Blutparameter 69 6.2.3 Studiendesign 71 6.3 Ergebnisse 71 6.3.1 Zeitlicher Verlauf 71 6.3.2 Geschlecht und NSE 73 6.3.3 Einfluss des Alters 75 6.3.4 Sportanamnestische Daten 79 6.3.5 Renntaktik 81 6.3.6 Wetterbedingungen 82 6.3.7 Dysnatriämie 84 6.3.8 NSE und S-100B im Zusammenhang mit weiteren belastungsspezifischen Laborparametern 85 6.4 Diskussion 91 6.4.1 Zeitlicher Verlauf 91 6.4.2 Alter und Geschlecht 93 6.4.3 Trainingshäufigkeit und -umfang 94 6.4.4 Renneinteilung 95 6.4.5 Elektrolytstörungen 97 6.4.6 NSE und S-100B im Zusammenhang mit weiteren belastungsspezifischen Laborparametern 98 7. Teilstudie 4 - Untersuchungen bei laufassoziierten Notfällen 104 7.1 Laufassoziierte Notfälle und NSE 104 7.1.1 Einleitung 104 7.1.2 Methoden 105 7.1.2.1 Probanden 105 7.1.2.2 Studiendesign 105 7.1.3 Ergebnisse 106 7.1.4 Diskussion 108 7.2 Einzelfallstudie 111 7.2.1 Einleitung 111 7.2.2 Methoden 111 7.2.2.1 Proband 111 7.2.2.2 Studiendesign 112 7.2.3 Ergebnisse 112 7.2.4 Diskussion 114 8. Abschließende Diskussion 118 9. Zusammenfassung 123 10. Literaturverzeichnis 125 11. Anhang 140 12. Danksagung 145 13. Eidesstattliche Erklärung 146

Accelerometers and gyroscopes are used to detect foot strike (FS), i.e., the moment when the foot first touches the ground. However, it is unclear whether different conditions (footwear hardness or foot strike pattern) influence the accuracy and precision of different FS detection methods when using such micro-electromechanical sensors (MEMS). This study compared the accuracy of four published MEMS-based FS detection methods with each other and the gold standard (force plate) to establish the most accurate method with regard to different foot strike patterns and footwear conditions. Twenty-three recreational runners (12 rearfoot and 11 forefoot strikers) ran on a 15-m indoor track at their individual running speed in three footwear conditions (low to high hardness). MEMS and a force plate were sampled at a rate of 3750 Hz. Individual accuracy and precision of FS detection methods were found which were dependent on running styles and footwear conditions. Most of the methods were characterized by a delay which generally increased from rearfoot to forefoot strike pattern and from high to low midsole hardness. It can be concluded that only one of the four methods can accurately determine FS in a variety of conditions.

Die Fortbewegung des Menschen – ob gehend oder laufend – war und ist bis zum heutigen Tag im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Dabei gehört die Durchführung von etwaigen Studien im Labor zu einer anerkannten methodischen Verfahrensweise. Durch die stete technologische Weiterentwicklung von Messsystemen, bestehen nunmehr veränderte Möglichkeiten, wodurch das Laufen des Menschen in seinem natürlichen Bewegungsraum quantifiziert werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss des Experimentalraums auf das Laufen zu untersuchen. Zusätzlich wurde dabei die Rolle von drei Laufschuhen unterschiedlicher Kategorien genauer betrachtet. Für die Erhebung der zum Vergleich notwendigen Messgrößen diente zum einen ein Inertialsensor-System, um die Kinematik der Läufer zu erfassen und zum anderen EMG-System, um Rückschlüsse auf deren muskulären Status ziehen zu können. In den Ergebnissen zeigte sich, dass nicht nur der Laufschuh sondern auch der Experimentalraum mit seinen jeweiligen Gegebenheiten Einfluss auf den Laufstil der Probanden nahmen. Generell kann aus den Ergebnissen abgeleitet werden, dass auf Grund der besseren Laufrhythmik im Feld, die Läufer einen messbar effizienteren Laufstil aufwiesen.

Die Fortbewegung des Menschen – ob gehend oder laufend – war und ist bis zum heutigen Tag im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Dabei gehört die Durchführung von etwaigen Studien im Labor zu einer anerkannten methodischen Verfahrensweise. Durch die stete technologische Weiterentwicklung von Messsystemen, bestehen nunmehr veränderte Möglichkeiten, wodurch das Laufen des Menschen in seinem natürlichen Bewegungsraum quantifiziert werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss des Experimentalraums auf das Laufen zu untersuchen. Zusätzlich wurde dabei die Rolle von drei Laufschuhen unterschiedlicher Kategorien genauer betrachtet. Für die Erhebung der zum Vergleich notwendigen Messgrößen diente zum einen ein Inertialsensor-System, um die Kinematik der Läufer zu erfassen und zum anderen EMG-System, um Rückschlüsse auf deren muskulären Status ziehen zu können. In den Ergebnissen zeigte sich, dass nicht nur der Laufschuh sondern auch der Experimentalraum mit seinen jeweiligen Gegebenheiten Einfluss auf den Laufstil der Probanden nahmen. Generell kann aus den Ergebnissen abgeleitet werden, dass auf Grund der besseren Laufrhythmik im Feld, die Läufer einen messbar effizienteren Laufstil aufwiesen.

Accelerometers and gyroscopes are used to detect foot strike (FS), i.e., the moment when the foot first touches the ground. However, it is unclear whether different conditions (footwear hardness or foot strike pattern) influence the accuracy and precision of different FS detection methods when using such micro-electromechanical sensors (MEMS). This study compared the accuracy of four published MEMS-based FS detection methods with each other and the gold standard (force plate) to establish the most accurate method with regard to different foot strike patterns and footwear conditions. Twenty-three recreational runners (12 rearfoot and 11 forefoot strikers) ran on a 15-m indoor track at their individual running speed in three footwear conditions (low to high hardness). MEMS and a force plate were sampled at a rate of 3750 Hz. Individual accuracy and precision of FS detection methods were found which were dependent on running styles and footwear conditions. Most of the methods were characterized by a delay which generally increased from rearfoot to forefoot strike pattern and from high to low midsole hardness. It can be concluded that only one of the four methods can accurately determine FS in a variety of conditions.

Aktuelle In-vivo-Methoden zur Bewertung der Belastung und Dehnung der Achillessehne (AT) in der biomechanischen Literatur haben bestimmte Einschränkungen, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Daher hatte die erste Studie zum Ziel, die AT-Dehnung und -Kraft während der Fortbewegung mithilfe einer genauen, nicht-invasiven Methode zu messen. Die Länge der AT wurde unter Berücksichtigung ihrer Krümmung mit reflektierenden Folienmarkern von der Insertion am Fersenbein bis zum Übergang zwischen der Muskel-Sehnen-Verbindung des Musculus gastrocnemius medialis (GM-MTJ) gemessen. Die Kraft der AT wurde durch Anpassung einer quadratischen Funktion an die experimentelle Kraft-Längen-Kurve der Sehne ermittelt, die aus maximalen freiwilligen isometrischen Kontraktionen (MVC) gewonnen wurde. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigen, dass eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit zu einer 21%igen Abnahme der maximalen AT-Kraft bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit führt, während die Nettobelastung der AT-Kraft am Sprunggelenk (ATF-Arbeit) in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus trugen eine frühere Plantarflexion, erhöhte elektromyografische Aktivität der Muskeln Sol und GM sowie der Energieübertrag von Knie- zu Sprunggelenk durch die biartikulären Musculi gastrocnemii zu einer 1,7- bzw. 2,4-fachen Zunahme der netto ATF-Mechanik-Arbeit bei Übergangs- und maximalen Gehgeschwindigkeiten bei. Das Ziel der dritten Studie war es, die in der ersten Studie vorgeschlagene Methode zu vereinfachen, indem die Anzahl der reflektierenden Folienmarker reduziert wurde, jedoch die hohe Genauigkeit beibehalten wurde. Die Krümmung der AT wurde mithilfe von reflektierenden Folienmarkern zwischen dem Ursprung des GM-MTJ und dem Einführungsmarker am Fersenbein beurteilt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Anzahl der Folienmarker um 70% beim Gehen und um 50% beim Laufen zu einem marginalen Fehler führen würde und somit einen vernachlässigbaren Effekt auf die Länge der AT und die maximale Dehnungsmessung hätte. / Current in vivo methods to assess the Achilles tendon (AT) strain and loading in the biomechanics literature have certain limitations that require careful consideration. Therefore, the first study was to measure the AT strain and quantify AT force during locomotion with an accurate non-invasive method. AT length was measured considering its curvature using reflective foil markers from AT insertion at calcaneus to gastrocnemius medialis muscle-tendon junction (GM-MTJ). The force of the AT was calculated by fitting a quadratic function to the experimental tendon force-length curve obtained from maximum voluntary isometric contractions (MVC). The findings in second study indicate that an increase in walking speed leads to a 21% decrease in maximum AT force at higher speeds compared to the preferred speed, yet the net work of the AT force at the ankle joint (ATF-work) increased as a function of walking speed. Additionally, an earlier plantar flexion, increased electromyographic activity of the Sol and GM muscles, and knee-to-ankle joint energy transfer via the biarticular gastrocnemii contributed to a 1.7 and 2.4-fold increase in the net ATF-mechanical work in the transition and maximum walking speeds. The objective of the third study was to simplify the proposed method in the first study by reducing the number of foil reflective markers while preserving high accuracy. The AT curvature was assessed using reflective foil markers between the GM-MTJ origin and the calcaneal insertion marker. Our results indicate that reducing the number of foil markers by 70% during walking and 50% during running would result in a marginal error and, thus, a negligible effect on the AT length and maximum strain measurement.