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Dissertation: Steffen Willwacher


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Dissertation: Steffen Willwacher

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Institut für Biomechanik und Orthopädie
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Willwacher, Steffen (2014): Neuromuscular biomechanics and environment: 
Interaction in running Zusammenfassung:
Der Laufsport ist ein effektives Mittel zur Prävention und Rehabilitation von kardiovaskulären und psychologischen Erkrankungen und hat einen positiven Einfluss auf das allgemeine Wohlbefinden. Eine negative Nebenwirkung des Laufsports ist die relativ hohe Inzidenz von Überlastungsverletzungen. Basierend auf dem neuesten Übersichtsartikel, erleiden Läufer mit einer Wahrscheinlichkeit zwischen 19.4% und 79.3% eine laufsportbedingte Überlastungsverletzung innerhalb eines Trainingsjahres. Zwischen verschiedenen extrinsischen und intrinsischen Risikofaktoren wird eine anormale individuelle Laufbiomechanik als Prädiktor für das Erleiden laufsportinduzierter Verletzungen angesehen. Allerdings konnten bisher nur wenige biomechanische Risikofaktoren identifiziert werden, deren wissenschaftliche Evidenz allerdings als sehr gering bewertet werden muss.
Der momentan dominierende wissenschaftliche Ansatz zur Analyse der individuellen Laufbiomechanik berücksichtigt nicht die natürliche Variabilität der physikalischen Umgebung, in der Laufsport typischerweise ausgeübt wird. Die Laufumgebung kann hierbei durch die Eigenschaften der Lauffläche, den Eigenschaften des Interfaces zwischen Läufer und Boden (dem Laufschuh) und geographischen Bedingungen beschrieben werden. In der Vergangenheit wurde die Biomechanik des Laufens in drei Raumebenen fast ausschließlich in Laborumgebungen untersucht. Dies erfolgte zumeist bei konstanter Laufgeschwindigkeit und auf einem harten, ebenen Laufuntergrund. Modifikationen von Schuhwerk wurden immer nur beim Laufen auf einem unveränderten Boden vorgenommen, weshalb die Interaktion von Schuhdesigneffekten und Bodeneffekten auf die Laufbiomechanik bisher nicht untersucht werden konnte.
Daher sollten innerhalb der vorliegenden Arbeit die Effekte von Variationen der Laufumgebung auf die Biomechanik des Laufens studiert werden.
Hierbei wurde die Gelenkkinematik mit Hilfe eines infrarotbasierten Bewegungsanalysesystems (Vicon Nexus, Vicon Motion Systems, Oxford, Großbritannien) bestimmt. Bodenreaktionskräfte wurden mittels in den Boden eingelassener dreidimensionaler Kraftmessplatten (Kister Instrumente AG, Winterthur, Schweiz) analysiert. Die Bewegung von am Körper der Probanden angebrachten reflektierenden Markern, anthropometrische Information über den Körperbau der Sportler und Bodenreaktionskraftdaten wurden in ein fünf segmentiges Computermodell der rechten unteren Extremität eingeführt. Dreidimensionale externe Gelenksmomente und Hebelarme der Bodenreaktionskraft wurden mittels invers dynamischer Methoden berechnet. Gelenkswinkel wurden mittels Cardan Winkel Konvention (Rotationsreihenfolge: 1. Flexion / Extension; 2. Abduktion / Adduktion; 3. Interne / Externe Rotation) ermittelt.
Unterschiedliche Modifikationen der Laufumgebung wurden vorgenommen. Die Veränderungen umfassten eine systematische Variation der Steifigkeit und der mediolateralen Neigung des Laufuntergrundes, sowie Veränderungen der Fersenkonstruktion und der Biegeeigenschaften der Mittelsohle von Laufschuhen. Weiterhin wurden Barfuß- und beschuhtes Laufen auf unterschiedlichen Untergründen untersucht, um potentielle Interaktionen von schuh- und Untergrundeffekten aufzudecken.
Die Veränderung der Laufumgebung hatte einen deutlichen Effekt auf die Biomechanik der unteren Extremität in allen analysierten Bedingungen. Die stärksten Effekte wurden an den Gelenken gefunden, die in großer Nähe zu der jeweiligen Modifikation liegen. In den meisten Fällen war dies das Sprunggelenk. Allerdings konnten auch Veränderungen von biomechanischen Größen an mehr proximal gelegenen Gelenken identifiziert werden, jedoch zumeist bei kleineren Effektstärken. Es wurden signifikante Interaktionseffekte zwischen Schuhwerk und Bodeneigenschaften gefunden, was darauf schließen lässt, dass Schuhwerkmodifikationen zu unterschiedlichen Anpassungen der Laufbiomechanik auf unterschiedlichen Untergründen führen können. Als unterliegender Mechanismus zur Erklärung der gefunden Veränderungen der Gelenkskinetik konnte eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes der Bodenreaktionskraft identifiziert werden.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Eigenschaften der Laufumgebung einen signifikanten Einfluss auf die Laufbiomechanik haben können und daher bei Untersuchungen zum Auftreten von Laufverletzungen berücksichtigt werden müssen. Weiterhin sollte eine Analyse des Einfluss von Schuhkonstruktionsvariationen auf die Laufbiomechanik immer auf verschiedenen Laufuntergründen vorgenommen werden, um potentielle Interaktionseffekte zwischen Schuhkonstruktion und Bodeneigenschaften zu berücksichtigen. Hierbei scheint das Potential zur Veränderung des Kraftangriffspunktes der Bodenreaktionskraft eine Kernvariable zur Beschreibung des Einflusses der Laufumgebung auf die individuelle Laufbiomechanik zu sein. Zukünftige Studien sollten versuchen, die vielfältigen Variationsmöglichkeiten der Laufumgebung umfassender zu studieren und dabei die Individualität der Anpassung besser zu berücksichtigen.


Distance running has been shown to be an effective countermeasure for the development of cardiovascular and psychological diseases and has been proven to positively influence general well being. A negative side effect of running exercise is the high incidence of running related overuse injuries. Based on the latest review of the literature, between 19.4% and 79.3% of all runners suffer from running injuries within one year. Among other extrinsic and intrinsic risk factors, abnormal running biomechanics have been considered to predict the individual risk to sustain an overuse injury. Still, even though huge effort was taken into the investigation of biomechanical risk factors, only limited or even conflicting evidence exists for the predictive performance of certain parameters.
Currently, the predominant experimental approach to study individual running biomechanics does not take into account the variations of the running environment. The running environment is described by the characteristics of the running surface, the characteristics of the runner-ground-interface (i.e. footwear) and geographical characteristics. In the past, 3D running biomechanics were studied almost exclusively in a laboratory setting, at constant speed on a level, rigid running surface. Footwear modifications were analyzed only on one surface and interactions between footwear and ground modifications have not been systematically analyzed yet.
Therefore, the purpose of the present thesis was to analyze the effect of modifications of the running environment on human running biomechanics.
Joint kinematics were analyzed using an infrared based motion capture system (Vicon Nexus, Vicon Motion Systems, Oxford, UK). Ground reaction forces were measured using piezo type force platforms (Kistler, Instrumente AG, Winterthur, Switzerland). Marker trajectories, anthropometric information of the participants and force plate data were put into a five segment model of the right lower extremity that was used in all studies of the thesis. Inverse dynamics procedures were used to determine 3D joint moments and ground reaction force lever arms. Joint kinematics were calculated using the Cardan angle convention (order of rotation: 1. flexion / extension, 2, ab- / adduction, 3. internal / external rotation).
Different modifications of the running environment were performed, including modifications of the running surface stiffness and mediolateral tilting as well as modifications of the heel construction and midsole longitudinal bending stiffness of the running shoe. Further, barefoot and shod running were compared while running on different surfaces in order to investigate potential interactions between footwear and running surface.
The modification of the running environment had a clear impact on lower extremity running mechanics in all of the analyzed conditions. Strongest effects were found for those joints that are in close proximity to the induced modification of the running surface or shoe construction. In most cases this was the ankle joint. Still, effects were also detected for more proximal joints, even though effect sizes were smaller. Significant interactions between footwear and surface conditions could be identified, which shows that footwear interventions can lead to different responses in running biomechanics on different surfaces. Changes in the running environment seem to induce running style adaptations that lead to a shift of the point of force application, which is a mechanism that explains most of the alterations in joint kinetics observed in the individual studies of the thesis.
The results presented show that the running environment needs to be considered in the research on the relationship between individual biomechanics and overuse injuries. Further, the functional evaluation of footwear construction should include running on different surfaces, to give a complete picture on how it affects running biomechanics and joint loading. Here, the potential to change the point of force application seems to be a key variable that should be included in the standard assessment of footwear function. Future studies need to address the interaction between running environment and running biomechanics in greater detail. Further, individual response strategies in response to variations of the running environment should be investigated.


24.06.2017 - 03:16