13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

PD. Dr

Biomechanische Analyse der Band- und Sehnenstruktur des Kniegelenks

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Bei Verletzungen im Bereich des Kniegelenks sind meistens Band- oder Sehnenstrukturen betroffen. Um die Strukturen und damit verbundene Versagensmechanismen besser zu verstehen, ist ein spezifisches Verständnis der biomechanischen Eigenschaften der einzelnen Strukturen notwendig. Ziel dieser Studie war eine biomechanische Analyse der Sehnen- und Bandstrukturen im Bereich des Kniegelenks, um gewebespezifische mechanische Kennwerte zu akquirieren. Es wurden 5 Kniegelenke (fresh frozen) von 3 Spendern verwendet Anschließend wurden diese von der Haut abwärts zum Knochen hin präpariert. Dabei wurden die jeweiligen Bänder und Sehnen des Knies separiert, entnommen und für einen uniaxialen Zugversuch zugeschnitten. Die Proben wurden mittels 3D-gedruckten Probenhaltern in der Prüfmaschine eingespannt. Im Anschluss erfolgte die Abformung des Probenquerschnittes, gefolgt von einem quasistatischen Zugversuch bis zum Probenversagen. Es konnten insgesamt 67 Proben aus 14 verschiedenen Bändern und Sehnen erfolgreich getestet werden. Von jeder Struktur wurden mindestens zwei Proben erfolgreich geprüft. Es ergab sich eine Range des Querschnitts zwischen den Strukturen von 1,9 - 69,0 mm². Die Zugfestigkeit lag im Bereich von 0,5 - 68,9 MPa und für das Elastizitätsmodul zwischen 2,1 - 316,9 MPa. Die Versagensdehnung lag dabei in einer Range von 6,2 - 47,2 %. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche gewebsspezifische Schwankung in den Festigkeiten und Elastizitätsmoduln auf. Diese Punkte liefern die Grundlage für den Aufbau einer biomechanischen Parameterdatenbank, um z.B. realistischere Modelle im Bereich der Finite-Element-Methode generieren zu können. Gleichzeitig liefern die erhobenen Daten die Basis für mögliche Ersatzmaterialien bzw. Implantate im Bereich des ligamentären bzw. tendinösen Halteapparats des Kniegelenks. Die Ergebnisse dieser Studie Einblicke in die Verteilung der lasttragenden Strukturen des Kniegelenks und deren Rolle in der Stabilisierung des Kniegelenks.

Biologische Gewebe (Knochen, Knorpel, Muskel, Bänder, Meniskus, Organe)

ePoster-Kurzvortrag

Effects of feet warming on plantar pressure distribution, pain threshold, and skin sensitivity

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: The sensory inputs from the feet are essential for gait and posture. It was shown that temperature interventions can alter foot afferent inputs, improving tactile sensitivity [1], with potentially positive effects on postural control [2]. Further effects of temperature interventions could effect pain sensitivity and plantar pressure. Aim: To investigate whether improved tactile sensitivity following foot warming induces changes in foot pain sensitivity and plantar pressure distribution in adults. Materials &amp; Methods: Twenty-five adults (22.52 ± 3.27 yrs) were evaluated for tactile sensitivity (monofilaments), pain threshold (mechanical pain pressure), and plantar pressure (instrumented mat) during single-leg stance. This parameters were measured before and after a foot-warming protocol that increased foot temperature by ~6 °C [3]. Sensitivity, pain thresholds, and plantar pressure were analyzed for the forefoot, midfoot, and rearfoot. Results: Foot warming improved tactile sensitivity (Table 1) and reduced pain thresholds (Table 2). However, plantar pressure distribution measurements did not differ between pre- and post-warming conditions. Summary: Warming the feet improved cutaneous afferent information but did not change plantar pressure distribution in young adults. Improving sensitivity without changing plantar pressure distribution can be interesting in developing orthoses and footwear with clinical applications in sports, rehabilitation, and ergonomics. [1] Schmidt et al., Clin Neurophysiol Pract. 27;2:38-43 (2017). [2] Machado et al., The Foot, 50; 0958-2592, (2022). [3] Machado et al., Gait Posture, 102:132-138, (2023). Table 1: Mean ± SD of skin sensitivity (Log10). Pre- and post-heating assessments: * p &lt; 0.05. Table 2: Mean ± SD of pressure pain threshold (N/cm²). Pre- and post-heating assessments:* p &lt; 0.05.

Freie Themen

Prof.

Spatial neuromuscular activation of the M. Biceps femoris and the force-length-relationship in isometric contractions

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Despite extensive research on hamstring injuries, their incidence and time-loss rates are rising and the biceps femoris long head (BFlh) is the most prevalent muscle, primarily injured at the proximal muscle-tendon junction1. The behavior of neuromuscular activation of the BFlh in different situations and its impact on BFlh injury risk is unclear. The study aims to describe and compare regional spatial muscle activation amplitude and distribution of the BFlh in isometric contractions at short, intermediate and long Muscle-Tendon-Unit (MTU) lengths. High-density EMG was used to gain spatiotemporal insight into muscle activation and its relation to the Force-Length-Relationship (FLR) of the BFlh. Isometric knee flexion contractions were performed using an Isomed2000 and a 64-electrode HD-EMG matrix (positioned at 35% BFlh muscle length) three MTU lengths (0°, 45°, 90° hip flexion with 45° knee flexion). Activity maps were generated from Root Mean Square values from contractions in each MTU length at a specified target knee flexion torque (constant across conditions), both of which were normalized to a maximal-effort contraction in the 45° hip position. Results showed a decrease in the required nRMS to reach 25% Isomed torque of MVC45 with increasing MTU length, suggesting that the proximal BFlh operates on the ascending limb of the FLR. Entropy (measure for heterogeneity / homogeneity of a signal) values indicated homogenous neuromuscular activation across all trials, and did not show meaningful differences between conditions. In summary, in this setup the BFlh operates on the ascending limb of the FLR. Findings regarding spatial distribution remain inconclusive as Entropy values indicated homogeneous activation with minimal differences between conditions. Further investigation is warranted to enhance our understanding of spatial muscle activity in the BFlh and interpret these results in the context of injury mechanisms. 1 Ekstrand, J. et al. (2023). Hamstring injury rates in men's professional football: The UEFA Elite Club Injury Study, 2001/02-2021/22. Br J Sports Med.

Sportbiomechanik

Effects of a physical exercise session performed after a school content teaching on the modulation of students' learning

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: The learning process requires information acquisition and consolidation, processes that are mediated by neural changes. Preclinical studies have demonstrated that a single physical exercise session can modulate consolidation, involving mechanisms such as increased noradrenergic activity [1]. Goals: This study aims to evaluate the effects of a single aerobic exercise session on learning of a school content. Materials &amp; Methods: Students in the 8th year of an Elementary Brazilian Public School were divided into Control (CT; n=26) and Physical Exercise Group (PE; n = 26). After a class addressing cell biology content, the students in the PE group ran for 30 minutes at moderate intensity, controlled by the Borg Effort Scale and heart rate. Immediately after exercise, saliva was collected to measure salivary α-amylase levels, an indirect measure of noradrenergic activation. Knowledge tests to assess the students' learning of class content were performed 3h, 24h, and 7 days after the students attended the class. The tests were divided into easy, intermediate, and difficult questions. Saliva was also collected at the same times. Results: In the 24h test, the number of correct answers of the PE group was higher than those in the CT group on easy (P = 0.028) and difficult (p= 0.0026) questions (Fig 1). No difference between the groups was found in the tests carried out 3h and 7 days after the class. An increase in salivary α-amylase levels was verified in the PE group 3h (p = 0.026) and 24h (p = 0.009) collections (Fig 2). Summary: We confirmed that as in animal models [1], physical exercise can modulate learning, resulting in improved memory. Furthermore, a single physical exercise session can modulate noradrenergic activity, altering the salivary alpha-amylase levels until 24h after the exercise. We highlight that these data are preliminary, and the sample number is being expanded. [1] Vargas et al., Behav Brain Res, 30:329, 120-6 (2017).

PD Dr.

Paraspinal muscle endurance is related to paraspinal muscle fatigue in patients with lumbar spinal stenosis: A preliminary analysis

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Diminished endurance capacity1 and excessive fatigue of paraspinal muscles2 have been reported in patients with low back pain. To date, it is unknown if similar changes occur in patients with symptomatic lumbar spinal stenosis (sLSS). Aims The purpose of this study was to determine associations between paraspinal muscle endurance and muscle fatigue and examine differences in muscle fatigue between paraspinal muscles and sides in patients with sLSS. Methods We included 37 patients with sLSS (25M/12F; age, 69±9.1 years; body mass index, 25.6±4.4 kg/m2) in this study. Electromyography (EMG) sensors were attached bilaterally to the longissimus, iliocostalis and multifidus muscles. Muscle endurance and fatigue were tested with a modified Biering-Sørensen (BS) test (Fig.1). Paraspinal muscle endurance was assessed as the duration of the BS test. The median frequency (MDF) was calculated from the EMG power spectrum using 1s analysis windows with 50% overlap. Paraspinal muscle fatigue was assessed as the slope of the regression line of the MDF time series during the BS. Spearman correlation was used to investigate correlations between endurance and fatigue parameters, and Wilcoxon signed-rank tests to detect differences in muscle fatigue between paraspinal muscles and sides. Results At 4 of 6 muscle sites, endurance time correlated with MDF slope (R=0.340 to 0.520; Fig.2). MDF slopes showed positive correlations between all paraspinal muscles (R=0.330 to 0.710). No differences between left and right side MDF slopes were observed (P&gt;0.130). Conclusion The greater paraspinal muscle fatigue in patients with worse endurance performance suggests that muscle fatigue may limit performance. More research is needed to increase our understanding of factors that determine muscle fatigue in patients with sLSS. Funding: SNF#204461 1Matheve T et al. J Clin Med 2023 2Steele J et al. Cur Med Res Op 2014

Klinische Studien und Rehabilitation

Acute effects of running on sensitivity, plantar pressure, and stability in recreational runners

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Following a running session, alterations may take place in how the nervous system receives, processes, and utilizes information to regulate movements [1]. Knowing how skin sensitivity, plantar pressure, and stability change in response to exercise can help coaches and physical therapists to better plan post-exercise recovery. Aim: To determine whether a 5 km treadmill run affects foot sensitivity, plantar pressure distribution, and postural control in recreational runners. Materials &amp; Methods: Eleven male runners (35 ± 15 yrs) were submitted to assessment of plantar sensitivity (monofilaments), plantar pressure (baropodometry), and postural control (center of pressure on baropodometer). Assessments were conducted before, immediately after, and at 15 and 30 minutes following a 5 km running session (60% of maximum heart rate [2]) on a treadmill. Results: Running on the treadmill increased midfoot sensitivity and plantar pressure as well as contact area in the forefoot region, with effects that lasted up to 15 min after the exercise. The displacement of the center of pressure revealed greater body oscillations up to 30 minutes after the exercise. Summary: A 5 km run can acutely alter both sensory afferent parameters and biomechanical parameters related to postural control and plantar pressure. The choice of exercises after a running session must consider an acute negative effect on the postural control capacity in recreational runners. [1] Strzalkowski et al., Front Neurosci. 10:568 (2016). [2] Karvonen et al., Ann Med Exp Biol Fenn. 35(3):307–315 (1957).

M.Sc. PT

B.Sc. PT

Alters- und Seitendominanzabhängige isometrische Maximalkraft der Innen- und Außenrotatoren des Schultergelenks und dynamisches Gleichgewicht der oberen Extremität bei Judoka: Eine Querschnittstudie

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Im Judo gehört die Schulter zu den am häufigsten von Verletzungen betroffenen Regionen. Die Innen- und Außenrotatoren (IR und AR) des Schultergelenks (SG) haben eine hohe Relevanz bei der Stabilisierung des Gelenks. Ziele: Untersuchung der isometrischen Maximalkraft der IR und AR des SG, sowie der dynamischen Balance der oberen Extremität (OE) in Abhängigkeit des Alters sowie der Seitendominanz. Materialien und Methoden: 36 Judoka – 15 ♀, 21 ♂ – unterschiedlicher Leistungsniveaus wurden eingeschlossen. Sie wurden in zwei Gruppen eingeteilt [Jugendliche (N = 14): Alter = 12-18 Jahre; Erwachsene (N = 22): Alter = 19-44 Jahre]. Zum einen wurde die isometrische Maximalkraft der IR und AR des SG mit einem handgehaltenen Dynamometer gemessen und hinsichtlich Körpergewicht und Körpergröße normiert. Zum anderen wurde das dynamische Gleichgewicht der OE mittels des Upper Quarter Y-Balance Tests (UQ-YBT) bestimmt. Die Signifikanzprüfung der Unterschiede zwischen den Altersgruppen und zwischen dominanter (D) und nicht-dominanter Seite (ND) erfolgte mittels parametrischer oder nicht-parametrischer Tests (p ≤ 0,05). Ergebnisse: Die normierte Maximalkraft der IR und AR der D-Schulter sowie der ND-Schulter war bei den Erwachsenen im Mittel signifikant größer als bei den Jugendlichen (p = 0,001 bis p = 0,029). Bezogen auf die gesamte Stichprobe wurde für die IR und AR zwischen D- und ND-Schulter kein signifikanter Unterschied der Maximalkraft festgestellt. Jugendliche und erwachsene weibliche Judoka zeigten ein reduziertes Kraftverhältnis der D-Schulter im Vergleich zur ND-Schulter bei der Außenrotation. Der Gesamtwert des UQ-YBT unterschied sich nicht signifikant zwischen Jugendlichen und Erwachsenen sowie zwischen D- und ND-Schulter. Zusammenfassung: Erwachsene Judoka haben eine höhere isometrische Maximalkraft der IR und AR des SG als jugendliche Judoka. Beim dynamischen Gleichgewicht haben Alter und Seitendominanz keine leistungslimitierende Bedeutung.

Intra- und Interobserver Reliabilität von Parametern der unteren Extremitäten aus Röntgenbildern bei Kindern und Jugendlichen mit Achondroplasie und idiopathischer Achsdeformität

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Frontale Kniefehlstellungen in Achondroplasie (ACH), einer Form des Kleinwuchs, werden oft im Röntgen beurteilt [1], z.B. für Bestimmung der Gelenkwinkel, sowie der mechanischen Achse. Bei idiopathischen Deformitäten (ID) ist die Reliabilität der Analyse von Röntgenbildern hoch [2], während bei ACH die veränderte Knieanatomie dies ggf. erschwert. Ziel: Vergleich der Reliabilität der radiologischen Parameter zur Kniepathologie zwischen Kindern mit ID und ACH. Material &amp; Methoden: 2 Orthopäden haben a-p Röntgenbilder von je 12 ACH und ID Patienten mit TraumaCad (Brainlab) analysiert (Figure 1). Observer 1 hatte &gt; 5 Jahre Erfahrung mit ACH. Observer 2 war weniger erfahren. Intra- und Interobserver Reliabilität (ICC2,1), Standardfehler der Messungen (SEM) wurden quantifiziert. Ergebnisse: Intra- und Inter-Observer-ICC2,1 (Table 1) waren gut bis ausgezeichnet in ACH und ID (Tab.1). Der SEM in ID war, mit Ausnahme der Femurlänge und des mechanischen tibiofemoralen Winkels (mTFA), bei dem erfahrenen Observer kleiner. Bei ACH war der SEM für alle Parameter außer der mechanischen Achsenabweichung (MAD) kleiner für Observer 1. Es zeigte sich auch für Observer 1 allein ein größerer SEM bei ACH als bei ID, vorrangig bei Gelenkorientierungswinkeln. Zusammenfassung: ICC und SEM bei ID waren vergleichbar mit [2]. Der SEM bei ACH war aktuell höher, insbesondere für Observer 2. Röntgenbilder bei ACH sollten daher von einem erfahrenen Observer ausgewertet werden. Die Projektion des Röntgen in eine 2D Ebene ist zudem anfällig für eine Veränderung der Standposition [3], vor allem bei Kindern, wegen Strahlung zudem schwer untersuchbar. Bei ACH könnten Knieinstabilitäten und Rotationsfehler dies erschweren. 3D Motion Capturing kann potentiell Informationen über das dynamische Alignment, sowie Gelenkstabilität und -belastung bei ACH liefern. Pauli, Orphanet J Rare Dis 2019;14:1 Braun et al. J Orthop Surg Res 2023;27;18:69 Ahrend et al Arch Orthop Trauma Surg 2022;142:11

Does diabetes affect physical function and thigh muscle strength in subjects with or at risk for knee osteoarthritis? – A matched case-control study from the osteoarthritis initiative

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: The prevalence of both osteoarthritis (OA) and diabetes mellitus (DM) increases with age. Understanding the interdependencies of both diseases and their effect on physical performance is necessary for designing targeted therapies, or to prevent incident OA in DM patients. Purpose: To evaluate (a) self-reported measures of physical function (b) functional performance tests, and (c) thigh muscle strength in study participants with and without DM, selected from a public database (Osteoarthritis Initiative [OAI]) of subjects with or at risk for knee OA. Methods: OAI participants with DM were matched 1:1 to control subjects without DM. Subjects with inflammatory arthritis, previous knee surgery or knee replacement were excluded. Self-reported measures of physical function included the WOMAC function score for the right knee, the Knee Outcomes in OA Survey Quality of Life (KOOS QOL) score, and the Physical Activity Scale for the Elderly (PASE). The times needed for completing the 5-repetition chair-stand-test (CST), 20m and 400m walk tests (WTs) were recorded. Isometric knee extensor and flexor strength were measured in the right knee using a dynamometer chair. Cross-sectional statistical comparison between subjects with and without DM was performed using paired t-tests. Cohen&quot;s D was used as a measure of effect size. Results: 152 matched pairs with/without DM with complete data were identified (Table 1). DM participants did not show significant differences of the KOOS QOL, PASE, WOMAC function, CST, knee extension force or flexion force compared with matched non-DM controls. However, DM participants exhibited an 8% longer 20m WT time, and a 9% longer 400m WT time compared with non-DM controls (Table 2). Conclusion: Only the 20m and 400m walk tests differentiated between DM cases and non-DM controls. Despite the established impact of DM on OA pain, DM patients do not seem to suffer from clinically relevant limitations in physical function.

Gang- und Bewegungsanalyse

Ein neuer Ansatz für die Berechnung einer funktionellen subtalaren Achse

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Die Orientierung der subtalaren Achse (STA) beeinflusst u.a. die Tibiarotation [1] und die Muskulatur der unteren Extremität [2]. Ein einfaches Messverfahren für die STA-Bestimmung wäre ein Mehrwert für die Aufklärung dieser biomechanischen Zusammenhänge. Dies soll nun unter Verwendung einer einzelnen Inertial Measurement Unit (IMU) realisiert werden. Methode: Die IMU wird dorsal am Calcaneus angebracht. Die Abweichung des IMU-Koordinatensystems (KO) zum anatomischen KO des Fußes wird anhand der Beschleunigungs- Gyroskop- und Magnetfelddaten der IMU bestimmt. Das verwendete IMU-Modell gibt die entsprechende Orientierung bereits in Form von Quaternionen aus (Abb. 1a). Danach legt der Proband seinen Fuß so hoch, dass er frei beweglich ist und zieht ihn in maximale Dorsalflexion. Während der Versuchsleiter die Eversions-/Inversionsbewegung am Fuß ausführt, wird das Signal des IMU-Gyroskops erfasst (Abb.1b). Die Rotationsachse der Gyroskop-Daten wird über eine PCA berechnet. Daraus ergeben sich die STA-Winkel Inklination und Deviation. In einer Pilotstudie haben 3 Versuchsleiter je 10 Messungen an einem Probanden durchgeführt. Die arithmetischen Mittel (MW) und Standardabweichungen (STD) der drei Messreihen wurden miteinander verglichen. Ergebnisse: Die Unterschiede zwischen den Versuchsleitern (VL) in Form von Range und Standardabweichung sind im Rahmen der selbst definierten Vorgaben (Abb. 2). Diskussion: In folgenden Studien muss das Verfahren weiter auf die Gütekriterien Reliabilität und Objektivität überprüft werden. Die externe Validität wurde bereits am mechanischen Modell belegt [3]. Literatur [1] Jones: The Anatomical record 93, S. 151-159, 1945 [2] Zuppke et al.: J. Biomech. 147, S. 111451, 2023 [3] Seeger et al.: XXIX Congress of ISB, S. 557, 2023 Abb. 1: Messablauf: a) Ausrichtung des Sensors. b) Messung der STA. Abb. 2: Ergebnisse der Pilotmessungen: MW, STD und Range über 10 Messungen pro VL und über alle VL zusammen.

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