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The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der sogenannten „Advanced-Spike-Technology“. Dabei wird ein fortschrittliches Vorfußdämpfungselement betrachtet, dessen Kompressionssteifigkeit variiert wird. Die Technik soll die Sprint-Spikes maßgeblich verbessern. Die Arbeit untersucht, ob die Variation der Kompressionssteifig-keit der Sprint-Spikes einen Einfluss auf die sportliche Leistungsfähigkeit beim Sprinten hat. Es werden drei Prototypen von Adidas getestet, die jeweils unterschiedliche Steifigkeiten im Vorfußbereich aufweisen (hart, mittel und weich). Das Ziel besteht darin, die Auswirkungen der Variation der Kompressionssteifigkeit auf den Start bis 10 Meter und den Sprint auf etwa 50 bis 60 Meter zu untersuchen. Dabei werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Körperschwerpunktes in Matlab R2023b berechnet. Anhand der Ergebnisse wird die Fragestellung beantwortet. Zu Beginn werden folgende Hypothesen aufgestellt: Die Variation der Kompressionssteifigkeit hat keinen signifikanten Einfluss auf die sportliche Leistungsfähigkeit. Allerdings können individuelle Präferenzen der Sportler*innen in Bezug auf die Steifigkeit der Spikes berücksichtigt werden.
Die Untersuchung wird am Advanced Motion Lab in Offenburg (AMLO) der Hochschule Offenburg durchgeführt. Die Messung erfolgt auf einer Tartanbahn, wobei Kraftmessplatten im Bodenbelag integriert sind, um die Bodenreaktionskräfte beim Fußaussatz zu messen. Zusätzlich werden acht High-Speed-Videokameras eingesetzt, um die Sprintbewegung mittels markerlosem 3D-Motion-Capturing aufzuzeichnen. Es werden 30 Proband*innen getestet, davon 20 männliche und 10 weibliche Teilnehmer*innen, die eine saisonale persönliche Bestleistung von 12,5 Sekunden beziehungsweise 13,5 Sekunden über 100 Meter besitzen. Außerdem dürfen die Proband*innen in den letzten sechs Monaten keine kardiovaskulären Einschränkungen oder Verletzungen aufgewiesen haben. Nach Unterzeichnung der Einverständniserklärung und einem kurzen individuellen Warm-up wird die Kalibrierung der verwendeten Software beziehungsweise Messgeräte durchgeführt. Anschließend beginnt die eigentliche Messung. Pro Person werden jeweils mindestens zwei gültige Starts und ein gültiger maximaler Sprint pro Schuhbedingung durchgeführt. Die Pausengestaltung zwischen den einzelnen Messungen wird individuell gewählt, um Ermüdung zu vermeiden. Nach der Durchführung erfolgt die Auswertung und Verarbeitung der Daten durch das Programm Theia Markerless.
Zu Beginn wird die Berechnung in Matlab realisiert. Der erste allgemeine Schritt in der Berechnung des Startes und Sprints ist identisch. Die verarbeiteten Daten aus Theia werden unter Einsatz einer Funktion eingelesen. Diese Funktion durchläuft eine Ordnerstruktur, die zuvor manuell erstellt werden muss und die die einzelnen Daten der Proband*innen beinhaltet.
Um den Start berechnen zu können, müssen zunächst die Daten der vertikalen Bodenreaktionskraft umgerechnet werden. Daraufhin folgt eine Filterung der vertikalen Bodenreaktionskraft mit einer Schwelle von -3 Newton, da um die Nulllinie ein Rauschen vorliegen kann. Die Daten unterhalb dieser Schwelle entsprechen denen des Fußaufsatzes der Kraftmessplatte. Im Anschluss werden die Indizes unterhalb der Schwelle identifiziert. Auch die Daten des Körperschwerpunktes müssen gefiltert werden, da ungültige Datenauswertungen in Theia für den Wert des Körperschwerpunktes -999999 annehmen. Um diese Daten zu eliminieren, wird eine Schwelle von -100 eingeführt. Daraufhin folgt die Zuordnung der Indizes der Bodenreaktionskraft zu den Werten des Körperschwerpunktes und die Extraktion der Daten des Körperschwerpunktes. Im nächsten Schritt werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung anhand der internen Funktion „gradient“ berechnet. Weiterführend folgt die Berechnung der minimalen, mittleren und maximalen Werte der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Letztendlich werden die Parameter als Excel-Datei exportiert, um eine statistische Auswertung durchzuführen.
Der erste Schritt zur Berechnung des maximalen Sprints besteht darin, den Körperschwerpunkt bei der Startfilterung zu identifizieren. Hierbei wird erneut die Schwelle von -100 verwendet und es werden die lokalen Maxima (Höhepunkte) in der Sagittalebene des Körperschwerpunkts identifiziert. Das Ziel ist es, die Daten zwischen zwei Maxima zu extrahieren, was genau einem Schritt entspricht. Es wird eine Mindestsuchhöhe für die Maxima festgelegt. Der Code unterscheidet zwischen den Fällen, in denen ein, zwei, drei oder vier und mehr Maxima gefunden werden. Des Weiteren werden verschiedene Abfragen und Unterscheidungen durchgeführt, um die beiden besten Maxima zu ermitteln. Danach werden die Indizes im Intervall von Maxima zu Maxima identifiziert und dem Körperschwerpunkt zugeordnet. Im Folgenden werden die Geschwindigkeitsberechnungen mithilfe der Funktion „gradient“ sowie die minimalen, mittleren und maximalen Geschwindigkeiten dargestellt. Abschließend erfolgt der Export der Parameter für die statistische Auswertung.
Nachfolgend wird die Leistungsfähigkeit der erstellten Programme in Matlab manuell überprüft. Beim Start und Sprint ergibt sich eine Genauigkeit von 98,89 und 96,66 %. Dies ermöglicht eine präzise statistische Auswertung, die im Programm „Jasp“ durchgeführt wird. Es wird eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit Messwiederholung angewendet, wobei einige Voraussetzungen erfüllt sein müssen. Es lässt sich feststellen, dass die Variation der Kompressionssteifigkeit keinen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeit oder Beschleunigung hat. Beim maximalen Sprint ist der Einfluss größer als beim Start, jedoch nicht signifikant. Diese Ergebnisse bestätigen die Hypothese.
Die Beschleunigungsleistung ist ein großer limitierender Faktor beim Sprinten. Es stellt sich die Frage, mit welcher Technik diese verbessert werden kann.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu klären, ob die Unterschenkelkinematik einen Einfluss auf die Beschleunigungsleistung beim Sprintstart hat. Dafür wurden die Annahmen von Alt et al. (2022) über Schlüsselpositionen des Unterschenkels herangezogen und überprüft. Die gestellte Forschungsfrage lautet: Können die Annahmen von Alt et al. (2022) in die Praxis übertragen und angewendet werden?
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde jeweils der erste Schritt nach dem Sprintstart aus einem Startblock analysiert. Hierfür wurden ein markerbasiertes 3D Motion Capture System und im Boden integrierte Kraftmessplatten verwendet. Insgesamt 30 Proband:innen haben jeweils sechs Starts ausgeführt. Die Auswertung wurde mit Hilfe von MATLAB Skripten durchgeführt. Mit linearen und quadratischen Regressionsberechnungen wurden die Zusammenhänge zwischen den Schlüsselpositionen des Unterschenkels und der Beschleunigungsleistung analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass keine allgemeingültigen Aussagen über eine erfolgreiche Unterschenkelkinematik getroffen werden können. Werden die Proband:innen aber individuell betrachtet, ist teilweise zu erkennen, dass die Beschleunigungsleistung mit der Unterschenkelkinematik zusammenhängt.
Weiterführende Forschung in diesem Bereich könnte individueller und auf Trainingsanweisungen mit Technikverbesserung ausgerichtet sein.
Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.
Rückenschmerzen sind ein weit verbreitetes Problem in der deutschen Gesellschaft. In der Mehrzahl der Fälle von Schmerzen im unteren Rücken ist es schwierig, eine spezifische nozizeptive Ursache zu finden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass manuelles Heben eine Belastung für die Wirbelsäule darstellen kann. Die Geschwindigkeit der Hebebewegung spielt eine Rolle, ebenso wie Gewicht und Stabilität der Gelenke und Gliedmaßen.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Veränderungen in der Kinematik der Lendenwirbelsäule, der Hüfte und des Knies beim Heben von Lasten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gewichten. Für diese Arbeit wurden die kinematischen Daten von insgesamt 79 Personen ausgewertet. Die Stichprobe bestand aus 20 asymptomatischen Frauen, 22 asymptomatischen Männern, 19 Frauen mit chronischen Rückenschmerzen und 18 Männern mit chronischen Rückenschmerzen. Die Daten wurden mit einem 3D-Bewegungsanalysesystem in Verbindung mit einem Set passiver Marker aufgenommen.
Es wurde kein signifikanter Effekt auf die mittleren maximalen Gelenkwinkel durch den Vergleich der geschlechtlich gemischten Gruppe mit Rückenschmerzen mit asymptomatischen Personen festgestellt, im Vergleich des Verhältnisses zwischen lumbaler Bewegung zu Beckenbewegungen (L/P-ratio) konnten signifikante Unterschiede ermittelt werden. Der Vergleich der Geschlechter zeigte signifikante Unterschiede für den lumbopelvinen Rhythmus. Für die Parameter Gewicht und Geschwindigkeit wurde kein signifikanter Effekt erfasst.
In dieser Bachelorarbeit wurde eine Studie zum Dehnungsverhalten von Schuhen mit elastischem Obermaterial beim Gehen und Laufen bei verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. Aktuell gibt es auf diesem Gebiet keine belastbaren Daten. Hierfür wurde von 33 Probandinnen und Probanden mit vier verschiedenen Schuhgrößen die Dehnung des Schuhobermaterials durch markerbasiertes Motion Capturing aufgenommen. Hierzu wurde eine Markerkette von insgesamt 6 Markern über dem Mittelfußbereich angebracht. Auf einem Laufband wurden im Gehen drei Geschwindigkeiten zwischen 1,0 m/s und 1,5 m/s und im Laufen sieben Geschwindigkeiten zwischen 1,5 m/s und 4,5 m/s aufgenommen. Die Datenauswertung erfolgte zum Großteil mittels von Matlab. Die Ergebnisse zeigen für die maximale Dehnung des Obermaterials im Gehen signifikante Unterschiede von p < 0,001. Auch das Laufen zeigt diese Signifikanz jedoch ausschließlich in den Vergleichen der niedrigen Laufgeschwindigkeiten. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt im Gehen und in den meisten Bereichen des Laufens eine Signifikanz von p < 0,001. Die Ergebnisse der Dehnungsbeschleunigung weisen ebenfalls eine Signifikanz von p < 0,001 auf. Die Betrachtung der Teilbereiche der Markerkette zeigt in der Dehnung und der Dehnungsgeschwindigkeit Signifikanzen von p < 0,001. Die größte Dehnung entstand im mittleren Markerbereich, wohingegen die Randbereiche signifikant weniger gedehnt wurden. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt jedoch eine signifikant höhere Geschwindigkeit in den Randbereichen im Vergleich zu dem mittleren Bereich. Im direkten Vergleich zwischen Gehen und Laufen zeigt sich keine Signifikanz. Nicht signifikant sind außerdem die verschiedenen Schuhgrößen im Vergleich zueinander. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufgeschwindigkeit einen Einfluss auf das Dehnungsverhalten bezüglich Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit und Dehnungsbeschleunigung hat.
Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.