Inhalt VL Biomechanik des Sports
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Inhalt VL Biomechanik des Sports
1 Definition, Gliederung und Aufgaben der
Biomechanik des Sports
2 Biomechanische Merkmale und
Untersuchungsmethoden im Sport
3 Biomaterialien
4 Biomechanische Aspekte der sportlichen
Leistung
5 Zur Biomechanik von Sportverletzungen
1
Verletzungspräventionsforschung
Verletzungspräventionsforschung wird in 4 Schritten beschrieben:
(Van Mechelen W et al. Sports Med 1992, 14:88-92)
Art und
Häufigkeit Verletzungs-
der Verletzungen mechanismen
(Epidemiologie)
Evaluierung
Risikofaktoren
Präventivmaß-
nahmen
Biomechanik: Verletzungsmechanismen
Risikofaktoren
Prävention
2
Schwere Skiverletzungen, Ausfall > 5 Wochen (Quelle: ISS ÖSV)
Relative ÖSV-Athleten-Verletzungsereignishäufigkeit in
Skiwettkampf & Skitraining - Geschlechterdifferenzierung
Bezug auf Kadergröße der Saison (n=364)
35%
radius & height length width & height radius & width radius male GS
30%
rel. Verletzungshäufigkeit
25%
20%
32%
31%
29%
15%
28%
27%
26%
25%
24%
23%
23%
22%
22%
21%
21%
20%
19%
10%
17%
17%
16%
16%
16%
16%
16%
15%
15%
15%
13%
13%
13%
13%
12%
12%
12%
11%
10%
9%
9%
5% 9%
9%
7%
7%
7%
6%
5%
4%
4%
0%
m w m durchschnitt w durchschnitt
• männlich: 157 Verletzungsereignisse mit folgender „schweren Verletzung“ bei 1288 Athleten (12,2%)
• weiblich: 207 Verletzungsereignisse mit folgender „schweren Verletzung“ bei 1033 Athletinnen (20,0%)
3
Schwere Skiverletzungen, Lokalisation: 1997-2019 (Quelle: ISS ÖSV)
Struktur abs. Häufigkeit rel. Häufigkeit
Kopf 2 0,5%
Hals (ohne HWS) 0 0,0%
Schulter 19 4,6%
Oberarm 6 1,4%
Ellbogen 1 0,2%
Unterarm 0 0,0%
Hand 0 0,0%
Rumpf (ohne BWS und LWS) 4 1,0%
Becken/Hüfte 4 1,0%
Oberschenkel 15 3,6%
Knie 252 60,6%
Unterschenkel 77 18,5%
Fuß 24 5,8%
Wirbelsäule 12 2,9%
Summe 416 100,0% 4
Schwere Knieverletzungen Ski: Struktur
Kniestruktur abs. Häufigkeit rel. Häufigkeit
Außenband 11 2%
Außenmeniskus 72 16%
Femurknorple 22 5%
hinteres Kreuzband 9 2%
Innenband Knie 61 13%
Innenmeniskus 59 13%
Knie - allgemeines Krankheitsbild 1 0%
Knie - nd. Band 1 0%
Kniegelenk 1 0%
Kniegelenkskapsel 4 1%
nd. Kreuzband 6 1%
nd. Meniskus 5 1%
nd. Seitenband 4 1%
Patellaknorpel 1 0%
Patellasehene 10 2%
Pobliuteussehne 2 0%
Tibiaknorpel 14 3%
vorderes Kreuzband 176 38%
5
Summe 459 100%
Schwerer Skiverletzungen, Entwicklung 22 Saisonen: 1997-2019
(Br J Sports Med 2020, Quelle: ISS ÖSV)
Poisson Regression über 22 Saisonen
Mittlere Zunahme der Inzidenz im WC Team:
0,49 Verletzungen pro 100 Athleten pro Saison
verdoppelt (1.99 fach) von 1997 bis 2019
6
in Ausarbeitung
Purpose
to describe the start-related incidence of in competition
severe injury events (SIE) in elite alpine ski racing
to compare the discipline-specific SIE incidence
Method
population: Austrian Ski Team athletes
(approx. 2.400 skier seasons over 24 seasons)
severe injuries in competitions: n=169 in 24 seasons
competition starts from FIS database
(approx. 114.500 starts in 2.400 skier seasons)
Wettkampfverletzungen bezogen auf Kadermitglieder 1997 bis 2020 Mean increase of severe injuries (Poisson regression over 24 seasons): 0.22 injuries per 100 athletes per season approx. doubling (2.11 times) from 1997 to 2020
Wettkampfverletzungen bezogen auf Starts 1997 bis 2020 Mean increase of severe injuries (Poisson regression over 24 seasons): 0.06 injuries per 1000 starts per season 2.67 times from 1997 to 2020
Verletzungspräventionsforschung
Art und
Verletzungs-
Häufigkeit Verletzungs-
Mechanismen
der Verletzungen mechanismen
(Unfallanalyse)
(Epidemiologie)
Evaluierung
Risikofaktoren
Präventivmaß-
nahmen
(Van Mechelen W et al. Sports Med 1992, 14:88-92) 10Analyse Sturz Mausefalle
1,24s
1,56sAnalyse Absprung/Flugphase Absprung •Absprunggeschwindigkeit: 65 km/h • leichte Rechtsrotationsbewegung Flugphase • Dauer: 1,84 s • 70 – 80 Grad Rotation um Längenachse
Prävention
Rotation um Körperlängenachse vermeiden
gerade Anfahrt
Hoch-Tief ca. 0,6 s; 15 m gerade Anfahrt bei 25 m/s
geringere Geschwindigkeit
bis ca. 1,5 s Ski noch in Landerichtung durch
Ausgleichsrotation
(zudem Vorwärtsrotation beim Absprung erleichtert
Luftwiderstand geringer, rückwärts drehend)
(Geländeform)
gleichmäßige, konkave Geländekrümmung
definierter, sichtbarer Absprungkante
(gute Sicht)Analyse Landung
Hangnormalgeschwindigkeit: 4 m/s (14,4 km/h)
entspricht Landehöhe lh = 0,82 m
FR
lh
d v
Der Kopf wird bei der Landung durch Drehmomente
zusätzlich beschleunigt.
Hangnormalgeschwindigkeit Aufprall Kopf:
9 – 13 m/s (32 – 47 km/h)Head Injury Criteria (HIC)
Cerebral Concussion Tolerance Curve:
- translatorische, resultierende Beschleunigung
- Anprall an ebener, starrer Platte
Zeitbereich Objekt Konfiguration Kriterium
A Falltest: Kopf
2 - 5 ms Leichen auf Stahlplatte Schädelfraktur
Schlagtest:
B Leichen Druck auf das Pathologische
5 - 40 ms und Tiere offene Gehirn Veränderungen
C Schlittertest: Bewusstseinsstörung
> 40 ms Freiwillige Beschleunigung Gehirnerschütterung
Beschleunigung und EinwirkdauerHead Injury Criteria (HIC)
5000
v = 9m/s
4500
v = 13m/s
4000
3500
3000
HIC
2500
2000
1500
1000
500
0
0 20 40 60 80 100 120
Deformationsweg gesamt (mm)
HIC (Head Injury Criterion):
basiert auf WSTC (Wayne State Tolerance Curve)
Grenzwert 1000 (50% probability für schwere Verletzung)Helmbeschädigung
Helmschale: keine Beschädigung
Innenmaterial (Polystyrol):
- Längs- und Querriss
- teilweise um 7 mm komprimiertNORM - Prüfungen
Falltest mit gleichem Helmtyp laut Norm EN 1077:
maximale Beschleunigung 220g
ca. 8 – 11 mm Verformungsweg
Normen für verschiedene Sportarten:
Sportart v Fallh. max. a mittler a Deform.
(m/s) (m) (g) (g) (mm)
Ski 5,4 1,50 250 150 10
Motorrad 7,7 3,00 275 165 19
Auto 9,5 4,60 300 180 25,5
Einführung besser dämpfender Helme
>>> FIS Spezifikation: v 6,8 m/s; max. 220 gVerbesserungen?
Stoßdämpfung
Deformationsweg
Material
seitliche Dämpfung, Messung?
Verteilung der Kraft
Helmschale
Passform
Sonstiges
Kinnriemen, Verschluss
…Verletzungspräventionsforschung
Art und
Häufigkeit Verletzungs-
ACL Verletzungs-
der Verletzungen mechanismen
Mechanismus:
(Epidemiologie)
Evaluierung
Risikofaktoren
Präventivmaß-
nahmen
(Van Mechelen W et al. Sports Med 1992, 14:88-92) 2021
VKB Festigkeit
Age (y) Failure Load (N)
22-35 2160±157
40-50 1503±83
60-97 658±129
(Woo et al. 1991)
Zuggrenze 1730 N (16-26 Jahre)
734 N (48-86 Jahre)
Lineare Zuggrenze 1170 N (16-26 Jahre)
622 N (48-86 Jahre) (Noyes/Grood 1976)
Zuggrenze 2250 N male
1800 N female (Stapleton et al. 1998)
Zuggrenze 400±248 N (73.6 ± 15.8 Jahre, 10 Knie) (Paschos et al. 2010)
Länge 38.2 mm, Dicke 11.1 mm (24 Knie) (Girgis et al. 1975)
22ACL Verletzungsmechanismen
Landen in Rückenlage bzw.
Boot-Induced Anterior Drawer
Vorwärts Drehsturz bzw.
Valgus-Außenrotationsmechanismus
Phantom Fuß Mechanismus
schließt ein
Slip and Catch
Dynamischer SchneepflugLanden in Rücklage/BIAD Mechanismus
Analyse von 20 Videoaufnahmen von VKB-Verletzungen
von Welcupfahrern (Bere et al. 2011)
4/20 20% Landen in Rücklage
Beschreibung
Rücklage beim Landen nach Sprung
Skienden zuerst Kontakt mit Schnee
Ski klappen auf Schnee
Tibia wird nach vorne rotiert
verusacht eine
anteriore Scherkraft im Kniegelenk
tibiafemorale Kompressionskraft
gestrecktes Kniegelenk
(McConkey 1986, Nachbauer et al. 1996, Baron et al. 1999)
BIAD Boot Induced Anterior Drawer 24Kraft [N]
PCL
ACL
Zeit [s] (Nachbauer et al. 1996)ACL Verletzungsmechanismen
Landen in Rückenlage bzw.
Boot-Induced Anterior Drawer
Vorwärts Drehsturz bzw.
Valgus-Außenrotationsmechanismus
Phantom Fuß Mechanismus
schließt ein
Slip and Catch
Dynamischer SchneepflugValgus-Außenrotationsmechanismus
Beschreibung
Verschneiden Innenkante
vorwärts Drehsturz
verursacht
- Tibia Außenrotation
- Knie valgus
Verletzung
Unhappy Triad
Ruptur ACL, MCL und
Innenmeniskus
Zweifel an unhappy triad, da sehr oft
Außenmeniskus betroffen ist
28Vorwärts Drehsturz
Rennlauf selten (a)
z.B. Einfädeln (a)
z.B. Landen (b)
Breitensport häufig (b)
51% der Fälle
(Ruedl et al. 2009)
66% der Fälle
(Posch et al. 2020)
Erfassung mittels
Befragung
29ACL Verletzungsmechanismen
Landen in Rückenlage bzw.
Boot-Induced Anterior Drawer
Vorwärts Drehsturz bzw.
Valgus-Außenrotationsmechanismus
Phantom Fuß Mechanismus
schließt ein
Slip and Catch
Dynamischer Schneepflug
Siehe mechatronische BindungVerletzungspräventionsforschung
Art und
Häufigkeit Verletzungs-
der Verletzungen mechanismen
(Epidemiologie)
Evaluierung
Risikofaktoren
Risikofaktoren
Präventivmaß-
nahmen
(Van Mechelen W et al. Sports Med 1992, 14:88-92) 31Risikofaktoren
interne – externe (bezogen auf Person) Risikofaktoren
modifizierbare – nicht modifizierbare Risikofaktoren
Athleten bezogene Risikofaktoren (interne)
Geschlecht, anatomische (genetische) Faktoren,
Vorverletzung/Krankheit, mentale Faktoren,
technisches und taktisches Können …
Ausrüstung bezogene Risikofaktoren (externe)
Ski-Bindung-Schuh
Umwelt bezogene Risikofaktoren (externe)
Schnee-, Wetterverhältnisse, Pistenpräparierung,
Sprungdesign, Fahrgeschwindigkeit …
Untersuchungsmethoden
Experten Bewertung
Statistische Analysen
Computersimulation
32Experten Bewertung
Qualitative Studie, Interviews 61 Experten, 32 Risikokategorien angeführt
Reihung nach möglicher Bedeutung (Risk Factor Rating):
# 1 System Ski, Bindung, Platte, Schuh
too aggressive ski-snow interaction, too direct force transmission,
difficult to control, strong self-steering behaviour of skis
# 2 Wechselnde Schneebedingungen
hard to adapt, hard to setup equipment
# 3 Geschwindigkeit und Kurssetzung
speed too high in combination with low turn radii
# 4 Physische Aspekte
fittness (f) level at limit, f cannot further improved, forces too high, f not sufficient
# 4 Geschwindigkeit im Allgemeinen
falls higher energy, skiing errors more frequent
(Spörri et al. 2012, Perceived key injury risk factors in World Cup alpine ski racing—an
explorative qualitative study with expert stakeholders. BJSM 46(15): 1059-1064)
33Statistische Analysen
Rumpfkraft bei weiblichen Nachwuchssportlern
Logistische Regression: verletzt-nicht verletzt, 9 motorische Tests
175 weibliche/195 männliche Nachwuchsrennfahrer (Stams), 14 -19 Jahre
keine weitere mot. Eigenschaft: aerobe und anaerobe Ausdauer;
Schnellkraft, Maximalkraft und Kraftausdauer der Beinstrecker;
Sprungkoordination
(Raschner, Platzer et al. 2012)
Harmstrings/Quadrizeps Kraftverhältnis (>60%) kein Beleg
Funktionelle Assymetrien kein Beleg
Eltern von ACL Verletzten auch häufiger ACL verletzt
Genetische Faktoren: Kniegeometrie, z.B Neigung Tibiaplateau
(Westin et al. 2016)
34Harmstrings/Quadrizeps Kraftverhältnis
Verhältnis >60% angestrebt
Quadriceps: 0-80° Kniewinkel, anteriore Scherkraft belastet VKB
> 80° Kniewinkel: posteriore Scherkraft, schützend
Hamstrings: immer schützend
0 Kniewinkel 0° - 120 Kniewinkel 120° (Herzog & Read 1993)Computersimulation: Landen in Rücklage
Sceletal Model
Muscle Model Output
Input Movement
neuronale
Stimulation
GRF Ski position
velocity
Ski-Snow-Model
36Einfluss Hangneigung
Kraft [N] v = 97 km/h
1.600
23 Grad
1.400
25 Grad
1.200 27 Grad
1.000 29 Grad
31 Grad
800
600
400
200
0
0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3
Zeit [s]
37Einfluss Landegeschwindigkeit
Kraft [N] Neigung = 27 °
1.400
83 km/h
1.200
97 km/h
1.000 112 km/h
800
600
400
200
0
0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3
Zeit [s]
38Einfluss Skischuhsteifigkeit (Eberle et al. 2017)
Schuhsteifigkeit nach hinten systematisch variiert
Skischuh- FACL (N)
Steifigkeit (Nm/°)
13 2146±529
16 2177±452
24 2241±383
27 2329±334
13 Nm/° … nominal flex index 90
16 Nm/° … nominal flex index 110
24 Nm/° … racing boot used in reference simulation
27 Nm/° … very stiff racing boot
39Einfluss Körperposition (Heinrich et al. 2014)
• Rumpforientierung und Gelenkswinkel vor Bodenkontakt variiert
• Aktive Bewegung zur Erhaltung des Gleichgewichtes während
folgender Landung
• multiple lineare Regression zur Bestimmung der VKB Kraft
Rumpfrücklage wichtigster Prädiktor
für max. VKB Kraft
60% der Varianz der maximalen VKB Kraft
durch Rumpforientierung vor Bodenkontakt erklärt
Rücklage vermeiden
40Verletzungspräventionsforschung
Art und
Häufigkeit Verletzungs-
der Verletzungen mechanismen
(Epidemiologie)
Evaluierung
Risikofaktoren
Präventivmaß-
Präventivmaß-
nahmen
namen
(Van Mechelen W et al. Sports Med 1992, 14:88-92) 41Mechatronische Skibindung
Bindung 2 Aufgaben:
Kopplung Skischuh mit Ski
Auslösen, wenn Überbelastung des Beines
1952 erster auslösender Vorderbacken (Marker Duplex)
ab 1970 Auslösewerte für Bindungen (Wittmann 1973, Asang 1976)
Mechatronische Skibindungen
1975 bereits erstes Patent (US 3,909,028, Knee Twist Sensing Ski Binding)
-> Verdrehung zw. Knie und Fuß
ab 1980 mehrere Patente und Studien der University of California Davis
Muskelaktivität (Lieu/Mote 1980)
Kraftmessung an Bindung (MacGregor/Hull/Dorius 1985)
6-Komponenten Dynamometer (Quinn/Mote 1990)
bisher kein marktfähiges ProduktMechatronische Skibindung
Komponenten
Sensor: z.B. Bindungskräfte, Gelenkwinkel, Verformung Ski …
Mikroprozessor: Sensorsignal wird mit Normwerten verglichen
(= Auslösealgorithmus)
Auslösevorrichtung: Luftdruck …
Probleme
Identifikation eines messbaren Unterscheidungskriteriums
zw. normalen Fahren und Verletzung
Festlegen der Schwellenwerte für das AuslösenPhantom Fuß Mechanismus
Analyse von 20 Videoaufnahmen von VKB-Verletzungen
von Welcupfahrern (Bere et al. 2011):
13/20 65% Slip und Catch, Dynamischer Schneepflug
Innenrotation der Tibia
Knie valgus
(schnelle Kniebeugung)
ähnlich/entspricht Phantom Fuß Mechanismus
(Ettlinger et al. 1996)
Video: Ettlinger - phantom
B. Schild, WC Sölden, Oktober 2019 – slip and catch
Rädler, WC Lake Louise, Dezember 2019 – dynamischer Schneepflug
Reichelt, WC Bormio, Dezember 2019
Brunner, Ushuaia, Sommer 2019
44Phantom Fuß Mechanismus Skibelastung: Angriffspunkt von Normal- und Seitkraft hinter hinterem Bindungsbacken
Messung Auslösung
46Auslösemomente
Mz (Nm)
160
140
120
100 25
80 35 45 cm
60
40
20
0
0 BW 0,5 BW 1 BW 1,5 BW
Vertikale Vorbelastung 0-1,5 BW (Body Weight)
Kraftangriffspunkt 25, 35 und 45 cm hinter Ferse
Auslösung bis 2,5 fache über Norm
47Phantom Fuß Mechanismus Bindung löst nicht aus: Rücklage erzeugt Zwangskräfte (Zug) am Vorderbacken, wodurch seitliches Auslösen erschwert wird
Entwicklung einer mechatr. Skibindung
identification of the characteristic loading
at the binding for the “phantom-foot” fall
development of a release control algorithm
for an mechatronic binding to prevent
“phantom-foot” ACL injuries
(Nachbauer et al., Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy 2004)Method – Data Collection
imitation of the movement which leads to the
phantom foot ACL injury
12 male subjects
extra release mechanism to prevent injuries
force measurement F z ,1
F z ,2
F x,1
F x ,2
F y ,1
F y ,2Extra Auslösung
Imitation of injury situation
Result - Imitation Vorderbacken: Zugkraft – 300 N, laterale Kraft 200 N, Dauer 300 ms
Conclusions
characteristic loading of the binding
for the phantom-foot injury mechanism:
high tractive force and
high lateral force
at the toe piece of the binding
rel. long loading durationBindung mit Messvorrichtung 150 runs with prototypes (t = 30-360 s) different skiing level variations in terrain, snow conditions, speed force measurement
Result - Runs
normal force [N]
Inadvertent
Release
lateral force [N]Result – Running mean over 300 ms
normal force [N]
Release
300 ms lateral force [N]Result
running mean (300 ms) of
Fz < -200 N, Fy > 80 N or Fy > 100 N
9
8
release number
7
6
5
Fy> 80N
4
Fy>100N
3
2
1
0
ski runs imitation
n = 150 n = 12
ski runs: 5/0 inadverted releases during 150 runs
Injury imitation: 9/7 releases of 12Conclusions
proposed release control algorithm:
running mean (300 ms) of
normal toe force (< -200 N)
lateral toe force (> 100 N)
no inadvertent release during 150 test runs
release in 7 of 12 injury imitationsUmsetzung
Technische Lösungen für
- Kraftmessung
- Stromversorgung
- Rechenzeit für Auslösealgorithmus
- Vorrichtung zur Auslösung (Luftdruck …)
Kosten
verteuerte Bindung um ca. 150,- EuroVerletzungspräventionsforschung
Art und
Häufigkeit Verletzungs-
der Verletzungen mechanismen
(Epidemiologie)
Evaluierung
Evaluierung
Risikofaktoren
Präventivmaß-
nahmen
(Van Mechelen W et al. (1992). Sports Med 14:88-92) 62Sie können auch lesen
