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Degenerative changes in the spine as well as back pain can be considered a common ailment. Incorrect loading of the lumbar spine structures is often considered as one of the factors that can accelerate degenerative processes, leading to back pain. For example, a degenerative change could be the occurrence of spinal stenosis following spondylolisthesis. Surgical treatment of spinal stenosis mainly focuses on decompressing the spinal canal with or without additional fusion through dorsal spondylodesis. There are differing opinions on whether fusion along with decompression provides potential benefits to patients or represents an overtreatment. Both conventional therapies and surgical methods aim to restore a “healthy” (or at least pain-free) distribution of load. Surprisingly little is known about the interindividual variability of load distribution in “healthy” lumbar spines. Since medical imaging does not provide information on internal forces, computer simulation of individual patients could be a tool to gain a set of new decision criteria for these cases. The advantage lies in calculating the internal load distribution, which is not feasible in in-vivo studies, as measurements of internal forces in living subjects are ethically and partially technically unfeasible. In the present research, the forward dynamic approach is used to calculate load distribution in multi-body models of individual lumbar spines. The work is structured into three parts: (I) Load distribution is quantified depending on the individual curvature of the lumbar spine. (II) Confidence intervals of the instantaneous center of rotation over time are determined, with which the motion behavior of healthy lumbar spines can be described. (III) Lastly, the effects of decompression surgeries on the load distribution of lumbar spines are determined.
Since the Bologna reform a continuous improvement of the lessons’ quality at school, which is often connected with the professionalization of the future teachers and the teaching post education, is aimed by Alliance and federal states. The quality of the lessons is connected with the professionalization of the future teacher and the teaching post education. In most studies about quality improvement the consideration occurs predominantly from the university view and it is seldom related on the subject Sport. The quality study is established on these two points and leads to the main question: Are there any differences in the teachers‘ and learners‘ perceptions of the professionalization of sport teachers in the certain education phases in Rheinland-Pfalz?
With the help of 101 guide interviews and the evaluation according to the Grounded Theory this source question can be answered straight. There were interviewed teachers of the universities, of the state study seminars and the school, as well as learners, to that refer trainees and students. During the study the „missing school relation” crystallizes consistent in all personal groups as key element (core category) in the first and second education phase. The interviewed, which belong to different school forms, give relevant concrete, specific for sport and partially subject covering optimization proposals. As a result a main focus forms untimely relations to the school everyday life and at the same time collect teaching experiences with learning groups at school to get to know their different motor abilities and skills. The improvement approaches concern the university phase and the training period in the study seminars and schools, and the involved consider for necessary a more intensive interlinking of the individual institutions. A mutual, continuous cooperation for the professionalization in the sportsman's education and therefore the optimization of the sports teacher training is very important for all involved.
Computer modelling of human partial body structures is becoming increasingly important for medical application. This is an interdisciplinary field of research in which new methods can be developed through the cooperation of physics, mathematics, computer visualistics and medicine. These methods can be used to make more precise statements about the mechanical loads of internal force-transmitting structures, such as intervertebral discs, ligaments, joints and muscles, during motion sequences.
At the beginning of this work, the importance of the need for research in computer modeling, specialized in the area of the spine, is presented.
In the following, the basic anatomical structures will be discussed, including intervertebral discs, ligaments, facet joints and musculature.
Algorithms are then developed to create individual lumbar spine models from CT data in a short time and semi-automatically. Methods will be developed to model the presented force transmitting structures of the spine, such as the intervertebral discs, ligaments, facet joints and muscles.
In addition different imaging methods (MRT data, x-ray film, x-ray functional images) will be presented and validate the lumbar spine models.
Finally, the algorithms developed will be used to create a larger number of individual lumbar spine models, which will then be examined for similarities and differences with regard to internal loads as well as for physiologically correct movement sequences. In particular, the relative momentary center of rotation between two adjacent vertebrae is calculated.
Hintergrund
Das neue Modell einer Knieorthese Condlya 4 soll die Bewegungsfreiheit im Knie nur geringfügig einschränken, so dass viele sportliche Bewegungen weiterhin gewährleistet sind. Dennoch stabilisiert die Orthese das Gelenk soweit, dass Scherbewegungen vermieden werden und während der Rehabilitationsphase nach Knieverletzungen und Instabilitäten bereits nach kurzer Zeit mit dem Sport wieder begonnen werden kann.
Das Ziel der Arbeit
Ziel der Masterarbeit war es mittels Bewegungsanalyse den Einfluss der Knieorhese auf die Bewegungsqualität des Handstands zu prüfen. Zu dieser 2D- Analyse wurden die Bewegungsabläufe mit mehreren digitalen Hochgeschwindigkeitskameras (OptiTrack Flex 3) aus zwei Ebenen gefilmt. Über die an anatomischen Fixpunkten angebrachten Markern wurden die Aufnahmen mit der Software MyoVideo am Rechner mittels automatischem Marker Tracking verarbeitet. Damit konnten die zeitlichen Verläufe von Marker-Koordinaten und Gelenkwinkeln aufgezeigt werden.
Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Untersuchung bestätigten, dass die untersuchte Knieorthese Condyla 4 für den Sport geeignet ist und keinen negativen Einfluss auf die Bewegungsqualität des Handstands nimmt. Die Anwendung der Knieorthese lässt sich dadurch auch auf andere Elemente aus dem Bereich des Turnens übertragen, bei denen die unteren Extremitäten ähnlichen Belastungen ausgesetzt sind.
Das Integrationspotenzial des Sports am speziellen Beispiel des Rollstuhlbasketball von Simone Janda "Integration ist eine ständige Aufgabe. Insofern kann es kein Ziel im Sinne eines Ergebnisses geben. Vielmehr geht es darum, Prozesse, die zu einer erfolgreichen Integration führen, immer besser zu verstehen, sie weiterzuentwickeln und sie vor allem an die sich ständig verändernden Rahmenbedingungen anzupassen" (DOSB 2009: 5).
Trotz traditioneller Zuschreibung sozial-integrativer Funktionen an sportliche Aktivität gibt es sowohl erhebliche empirische als auch theoretische Defizite (vgl. Hoffmann 2002), die in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. In einer differenzierten Analyse werden verschiedene Integrationsaspekte und die Rahmenbedingungen integrativer sportlicher Aktivität berücksichtigt.
Da dem Sport eine besondere integrierende Funktion zugeschrieben wird und diese sozialen Prozesse vor allem in Gruppen stattfinden, soll in dieser Arbeit das Potenzial einer Mannschaftssportart untersucht werden, die für Menschen mit und ohne Behinderung gleichermaßen zugänglich ist " der Rollstuhlbasketball. Neben der körperlichen Belastung kommen hier in besonderem Maße soziale Faktoren hinzu, die das Gemeinschaftsgefühl im Mannschaftsverbund stärken und Individuen in ein soziales Gefüge integrieren können.
Aus der geschilderten Problematik ergibt sich folgende übergeordnete Fragestellung für die Untersuchung: Was macht das Integrationspotenzial einer Sportart (am Beispiel des Rollstuhlbasketballs) aus? Es stellt sich die Frage, welche Faktoren eine Sportart erfüllen muss, um integrativ ausgeführt werden zu können bzw. welche Schwierigkeiten und Hürden dabei überwunden werden müssen, um behinderten und nichtbehinderten Menschen gleichermaßen gerecht zu werden und deren speziellen Bedürfnisse zu befriedigen. In dieser Studie erfolgt die Datenerhebung durch die Kombination von qualitativer (Interviews) und quantitativer (Fragebogen) Forschungsmethoden. Diese Verknüpfung verschiedener Forschungsmethoden ermöglicht es, dass Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln und individuelle Betrachtungsweisen möglichst vollständig erfasst werden können. Der Nutzen für die Wissenschaft liegt darin, eine aktuelle Situationsanalyse in Form eines Modells zu erstellen, um die Rahmenbedingungen, die ständigen Veränderungen unterliegen, weiterzuentwickeln und zu verbessern, um Menschen mit Behinderung ein maximal inklusives Sportangebot bieten zu können.
Non-Contact anterior cruciate ligament (ACL) injuries are a major problem in modern football (soccer). The stud design of the football shoes is suspected to be one important risk factor for ACL injuries.
The aim of this thesis was therefore to investigate whether or not the football shoe stud design corresponds to the loads occurring in the ACL. As direct measurements as well as subject tests (ethical reasons) are not possible, mechanical tests of the shoe-surface interaction are the only way to answer the research question. Hereby the realistic loading of the football shoes during the experimental tests is of major importance in order to get reliable and meaningful measurement results.
Therefore the kinematics and ground reaction forces of real ACL injury situations were determined by means of the Poser method and the resulting joint moments were calculated via computer simulation using an inverse dynamics approach. The results of the Poser analysis and the computer simulation were the basic condition for the experimental setup comparing four different stud designs using a novel pneumatic driven test device called TrakTester.
The measurement data showed significant differences of the measured forces and torques between the different stud designs. In order to estimate the influence of the stud design on the loading of the ACL risk potentials were derived from the measurement data for each loading scenario considering also medical and biomechanical knowledge. These risk potentials lead to the conclusion that the stud design influences the loading of the ACL. But they depend substantially on the specific boundary conditions and the loading scenario. This thesis basically contradicts the assumption that the use of football shoes with bladed studs causes a higher risk for the ACL compared to shoes with conventional round studs. In summary the new method developed during this thesis enables in combination with the TrakTester a considerably more realistic investigation of the shoe-surface interaction than approaches used up to now. Beside their role as boundary conditions for the experimental setup the results of the Poser analysis and the computer simulation provide furthermore a lot of biomechanical perceptions regarding the injury mechanism of non-contact ACL-injuries.
Entwicklung eines Computermodells der lumbalen Wirbelsäule zur Bestimmung mechanischer Belastungen
(2009)
Ziel der Arbeit war die Erstellung eines MKS-Modells der menschlichen lumbalen Wirbelsäule zur Ermittlung der mechanischen Belastungen innerer Körperstrukturen. Die Oberflächen der Wirbelkörper wurden aus CT-Daten menschlichen Sektionsguts als CAD-Oberflächen generiert und bilden das Grundgerüst des Modells. Die genaue Positionierung des Facettengelenke ist dabei vorgegeben ebenso wie die Ansatzpunkte und Verlaufsrichtungen der ligamentösen Strukturen. Zwischen den starren Wirbelkörpern wurden elastische Bandscheiben eingeführt, deren Mittelpunkte als jeweiliges Drehzentrum der entsprechenden funktionalen Einheiten definiert sind. Damit sind gleichzeitig die Hebelarme zu den Ansatzpunkten der einzelnen Bänder festgelegt. Das mechanische Verhalten dieser verschiedenen Strukturen wurde über physiologische Gleichungen oder Kennlinien in das Modell implementiert. So wurde für die Facettengelenke ein Ansatz für Kontaktkräfte in horizontaler Richtung eingeführt. Für die Kraftentwicklung bei Dehnung der Bänder fanden individuelle Kennlinien aus der Literatur Verwendung. Bei der Deformation der Bandscheiben folgt die Kraftentwicklung einer mechanischen Relation in Abhängigkeit der Deformation sowie der Deformationsgeschwindigkeit. Die entsprechenden Materialkonstanten in den Gleichungen wurden über experimentelle Messdaten aus der Literatur ermittelt. Dem Aufbau von Drehmomenten bei Auslenkung der Bandscheiben um die drei möglichen Rotationsachsen liegen wiederum Kennlinien aus der Literatur zugrunde. In Anpassung an diese experimentell ermittelten Kurven wurden mechanische Gleichungen entwickelt, die letztendlich in das Modell implementiert wurden und die bei jeweiliger Verdrehung der Bandscheibe die Entwicklung eines entsprechenden Moments angeben. Die Validierung des Modells erfolgt auf der einen Seite über die Gleichgewichtsbedingung, bei der die Summe aller Kräfte und Drehmomente bezüglich des Schwerpunkts einer funktionalen Einheit Null sein muss. Dieser Zustand konnte mit dem Modell eindeutig nachgewiesen werden. Auf der anderen Seite konnten punktuell Messergebnisse aus der Literatur über die Modellrechnungen in guter Näherung reproduziert werden. Hier besteht jedoch die Schwierigkeit, dass Messungen an Sektionsgut immer nur in isoliertem Zustand und in einem definierten Versuchsaufbau mit Belastung nur einer Richtung durchgeführt wurden. Innerhalb des Modells befinden sich die Strukturen in einem beweglichen Verbund und unterliegen damit vielfältigen mechanischen Einflüssen, was der Realität im menschlichen Körper auch wesentlich mehr entspricht. Dennoch spiegelt das Materialverhalten der elastischen Elemente innerhalb des Modells größenordnungsmäßig die Ergebnisse der verschiedensten experimentellen Messungen aus der Literatur wider. Zur Simulation unterschiedlicher Belastungssituationen wurde das Modell der Lendenwirbelsäule in verschiedenen Fallbeispielen der Einwirkung einer jeweils konstanten äußeren Kraft unterschiedlicher Größe ausgesetzt. Nach einer kurzen Phase der Bewegung aller Teilstrukturen stellte sich in jedem gerechneten Fallbeispiel ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Für alle implementierten Strukturen, wie Bandscheiben, Bänder und Facettengelenke, konnte der zeitliche Verlauf der Belastungszunahme sowie die Belastung im Endzustand berechnet werden. Eine Überprüfung ergab, dass sich alle Ergebnisse im physiologisch gesunden Wertebereich befanden. Damit ist der Nachweis erbracht, dass mit dem vorliegenden Modell ein Instrument entwickelt wurde, das im Rahmen der Genauigkeit des Modells die Belastung der inneren Strukturen bei äußerer Krafteinwirkung zuverlässig berechnet werden können. Die Anwendungen eines derartigen Modells sind vielfältiger Art. Durch Variationen von Parametern können die verschiedensten Situationen simuliert werden. Beispiele sind hier die Auswirkung von degenerierten Bandscheiben mit völlig anderem Materialverhalten auf die umgebenden gesunden Teilstrukturen. Weitere Krankheitsbilder wie schwache Bänder, Wirbelgleiten, Knochenveränderungen oder auch der Einfluss von operativen Maßnahmen wie Versteifung einzelner Abschnitte oder die Einsetzung von Implantaten können damit simuliert werden und ermöglichen quantitative Aussagen über die Veränderung der Beanspruchung der angrenzenden Strukturen. Als Beispiel einer Anwendung in der Medizin wurde der Fall einer degenerierten Bandscheibe aufgezeigt. Die Bandscheibe wurde chirurgisch entfernt und durch ein Implantat zur Versteifung ersetzt. Mit Hilfe der Simulationsrechnung wurde die Auswirkung der Versteifung auf die Deformation der angrenzenden Bandscheiben und die veränderte Kraftentwicklung dargelegt.
Die Biomechanik umfasst natur-, ingenieur- und sportwissenschaftliche sowie medizinische Aspekte. Unter Berücksichtigung all dieser Aspekte leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Verletzungsmechanismen ausgewählter Sportarten. Dabei stellen numerische Verfahren ein adäquates Mittel dar, wenn Messtechnik an ihre Grenzen stößt oder experimentelle Untersuchungen aus ethischen Gründen nicht oder nur bedingt durchführbar sind. Den Schwerpunkt in dieser Arbeit bildet daher der Aufbau und die Überprüfung detaillierter physikalischer Modelle, sog. Mehrkörpersysteme (MKS), ausgesuchter Regionen des menschlichen Körpers. Die entsprechenden Bereiche des Bewegungsapparates wurden anatomisch detailliert besprochen und die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen untersucht.
