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As society continues to age, the implementation of hip stems increases every year. However, there are a variety of different hip stem designs.
The aim of this project is to analyze which hip stem design implemented in a femur is most effective under different static loading conditions such as gait and sideways falling. In addition, a four-point-bending test was carried out. Therefore, the tech-niques were simulated in silico by FEA with Abaqus/CAE 2019.
A short stem, a straight stem and an anatomical stem were tested. All prosthesis are cementless press-fit stems. Each hip stem was examined in physiological and osteoporotic bone applying all three tests. To compare the stems the tests were also applied on a native bone model as a reference. Boundary conditions were used in order to simulate the tests.
The average von Mises stress, tension, compression and the risk of fracture were extracted and compared.
Biomechanical results show that the straight stem induces higher von Mises stresses compared to the anatomical stem. The risk of fracture is higher for osteo-porotic bone than for physiological bone. However, there is no risk of fracture as all the results are below the risk of value.
Einleitung: Nach einer Verletzung oder Operation ist die Rehabilitation und das eigenständige Training entscheidend für die Wiederherstellung der Funktion und Unabhängigkeit. Für eine höhere Trainingsadhärenz wurde der auf Inertialsensoren basierende digitale Trainingsassistent re.flex (Kineto Tech Rehab SRL, Bukarest, Rumänien) entwickelt, der Gelenkwinkel messen und visuell darstellen kann. Eine Smartphone App dient als Therapieanleitung. Durch die Kombination des re.flexSystems mit einer Knieorthese, wurde die Genudyn® OA smart (Sporlastic GmbH, Nürtingen, Deutschland) entwickelt, ein digitales Behandlungskonzept bei Gonarthrose. Damit haben Patient:innen die Möglichkeit eigenständig ein 12-wöchiges individuelles Trainingsprogramm mit integriertem Echtzeit-Biofeedback zu absolvieren. In der vorliegenden Arbeit soll die Messgenauigkeit des re.flexSystems evaluiert und mögliche Einflussgrößen erfasst werden.
Methoden: Die Messergebnisse des re.flex-Systems wurden mit einem 3D MotionCapture-System von Vicon (Vicon, Oxford, England) als Referenz verglichen. In vier Durchgängen wurden jeweils fünf therapeutische Übungen durchgeführt, bei denen Knie- und Hüftwinkel gemessen wurden. Für die Erfassung möglicher Einflussgrößen wurden Messungen nur mit den Sensoren am Bein, mit Knieorthese, mit 1cm und 3cm senkrechter Verschiebung eines Sensors durchgeführt und kleinere mit größeren Oberschenkelumfängen verglichen. Für die statistische Analyse wurde der RMSE und ICC berechnet und Bland-Altman-Plots erstellt.
Ergebnisse: Der ICC aus der ROM lieferte Werte von 0,26 - 0,82, aus den Maxima 0,01 – 0,82. Der RMSE reichte von 6,53° - 15,39°. Kniewinkel und Hüftflexion lieferten die besten Ergebnisse, Hüftabduktion mittelmäßige und Hüftextension die schlechtesten. Die Bland-Altman-Plots zeigten wenige Ausreißer. Die Knieorthese und das Weichteilgewebe zeigten einen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Die Verschiebung des Sensors hatte keinen Einfluss.
Schlussfolgerung: Da besonders die Kniegelenkwinkelmessungen, auf denen der Fokus für das Behandlungskonzept bei Kniearthrose liegt, hohe Genauigkeiten erzielten, konnte der digitale Trainingsassistent re.flex in der vorliegenden Arbeit als Therapiehilfsmittel überzeugen.
Aufgrund der Beliebtheit des Laufsports herrscht in der biomechanischen Forschung ein großes Interesse, die Laufbewegung zu erforschen. Ein Gold-Standard der biomechanischen Laufanalyse konnte jedoch bisher noch nicht gefunden werden. Zumeist werden markerbasierte Systeme verwendet, welche die Kinematik des Laufens durch aufgeklebte Marker bestimmen. Diese bringen jedoch einige Fehlerquellen mit sich und benötigen einen hohen zeitlichen und organisatorischen Aufwand. Seit Kurzem werden auf dem Markt auch markerlose Softwares angeboten, welche über eine Videoanalyse die Kinematik des Laufens bestimmen können.
Da dieses markerlose System bisher nur wenig angewendet wird, kann in der vorhandenen wissenschaftlichen Literatur aktuell nur wenig über den Vergleich der beiden Systeme herausgefunden werden. Ein Großteil der Berichte stammt von den Herstellern der markerlosen Softwares. Diese bieten zudem selten eine Aussage über die Vergleichbarkeit ihrer Werte mit den Werten von markerbasierten Systemen.
Das Ziel dieser Thesis ist daher ein Vergleich von einem markerbasierten mit einem markerlosen System anhand einer Laufbandanalyse. Getestet wurde dabei vor allem, ob und inwiefern die Systeme einen Unterschied in der Laufkinematik durch eine Schuhmodifikation erkennen können. Dazu wird der Fokus auf die Rückfuß-Eversion gelegt, da diese laut der vorhandenen Literatur einen signifikanten Faktor in der Laufkinematik darstellt.
Elf Proband:Innen (sechs männliche und fünf weibliche) wurden untersucht: Sie haben mit drei verschiedenen Schuhbedingungen jeweils einen circa einminütigen Trial auf dem Laufband bei einer Geschwindigkeit von 2,5 msˉ abgeschlossen. Dabei wurden ihnen Marker an 22 anatomischen Landmarken aufgeklebt. Während dieses Trials wurden Sie gleichzeitig von Infrarot-Kameras und normalen Video-Kameras gefilmt, um den Vergleich der identischen Schritte zu ermöglichen. Im Anschluss wurden bei der Bearbeitung der Daten Grafiken zu den Gelenkwinkelverläufen der Hüftgelenks-, Kniegelenks- und Rückfuß-Bewegungen in allen drei Körperebenen erstellt. Die Rückfuß-Eversion wurde im Detail betrachtet und statistisch mittels einer zweifaktoriellen repeated Measures ANOVA auf Haupteffekte untersucht.
Als Ergebnis zeigen sich einige Unterschiede in den Gelenkwinkelverläufen zwischen markerbasiertem und markerlosem System. Der markerbasierte Ansatz misst größere Flexionen in der Sagittalebene, wohingegen sich in Frontal- und Transversalebene teilweise systematisch verschiedene Winkelverläufe zeigen. Unter der Prämisse, dass das Offset beachtet wird, können die Ergebnisse der Sagittalebene verglichen werden. Die Ergebnisse in Bezug auf die Frontalund Transversalebene sind hingegen kaum vergleichbar und führen nicht zu übereinstimmenden Interpretationen. Für die Rückfuß-Eversion zeigt das markerlose System ein Offset, sowie neutralere Winkelverläufe, dennoch ist ein Vergleich interpretatorisch möglich. Auch die Ergebnisse zwischen den Schuhbedingungen sind hier zwischen beiden Systemen interpretatorisch gleich und führen zu den gleichen Schlussfolgerungen. Statistisch tritt ein Haupteffekt sowohl durch Schuhintervention, als auch durch das System auf, womit bestätigt wird, dass ein direkter Vergleich der Werte nicht möglich ist.
Die Schuhmodifikation zeigt bei beiden Systemen, dass eine laterale Lagerung zu einer verstärkten Rückfuß-Eversion führt, während eine mediale Lagerung des Schuhs zu einer verringerten Rückfuß-Eversion führt.
Da Perturbationen die Hauptursache für Stürze in der Ebene darstellen, befasst sich diese Studie mit der Erzeugung von Gangstörungen unter sicheren Laborbedingungen. Dies hat sich als nützliches Werkzeug im Bereich der Rehabilitation bewährt. Zunächst wurde ein Perturbationstest auf einem instrumentierten Laufband unter Verwendung von Matlab entwickelt. Anschließend wird dieser auf die Präzision und Wiederholbarkeit evaluiert. Hierfür wurden die Parameter Auslöseverzögerung, maximale Laufbandgeschwindigkeit und Abweichung der zu störenden Schritte untersucht sowie der Einfluss der Faktoren Plot, Ganggeschwindigkeit und Perturbationsintensität auf die Parameter bestimmt. Die Auslöseverzögerung liegt bei 0,24 ± 0,004 s und wird maßgeblich von dem Faktor Plot beeinflusst. Die maximale Laufbandgeschwindigkeit liegt bei 3,10 ± 0,03 m/s und wird signifikant von dem Faktor Störungsintensität beeinflusst. Die Abweichung der Schritte beträgt 3,9 ± 3,6 Schritte und wird stark von dem Faktor Plot beeinflusst. Die erreichten Werte sind für Studien mit normalen Ganggeschwindigkeiten und mittlerer Perturbationsintensität ausreichend. Für höhere Belastungen ist eine Überarbeitung des Matlab-Skripts erforderlich.
Hintergrund: Menschen mit Beinamputation (MmB) haben ein erhöhtes Sturzrisiko. Die Bewertung ihrer Balancefähigkeiten ist von hoher Relevanz, um das Sturzrisiko einschätzen zu können und entsprechende therapeutische Maßnahmen zu planen. Balancespezifische funktionelle Tests und/oder Fragebögen sind dafür verlässliche Werkzeuge bei gleichzeitig geringem instrumentellem Aufwand.
Zielsetzung: Entwicklung eines Protokolls aus performance- und selbsteinschätzungsbasierten Erhebungsmethoden zur strukturierten und umfassenden Untersuchung der Balancefähigkeiten von MmB im klinischen Alltag. Ergänzung eines bestehenden Messprotokolls zur Bewertung von Gehfähigkeit und Mobilität.
Stichprobe: 12 Menschen mit unilateraler Beinamputation (6 transtibial/6 transfemoral; 9 m/3 w; Alter: 48±16,1; Größe: 179±6,75 cm; Gewicht: 87,51±17,98 kg)
Methodik: Das Messprotokoll besteht aus verschiedenen funktionellen Tests und einem Fragebogen, die alle für die Bewertung der Mobilität und Balancefähigkeiten von MmB validiert sind. Die Testdurchführung wurde mit fünf Kameras und einem digitalen Messprotokoll von einer Untersucherin dokumentiert. Die Korrelationen zwischen den Ergebnissen des in dieser Studie eingeführten Narrowing Beam Walking Test (NBWT) und weiteren balancespezifischen Tests wurden nach Spearman überprüft. Außerdem wurde mit einem Mann-Whitney-U-Test untersucht, ob die verschiedenen Tests zwischen den Amputationsniveaus bzw. zwischen den gut und den schlecht mobilen MmB differenzieren können.
Ergebnisse: Der Four Square Step Test (FSST) und der NBWT konnten jeweils von drei bzw. vier Personen nicht absolviert werden. Von den Probandinnen und Probanden, die den NBWT absolvierten, erreichte niemand den Höchstwert und alle einen Wert höher als den Mindestwert. Es gab keine statistisch signifikanten Korrelationen zwischen dem NBWT und weiteren balancespezifischen funktionellen und selbsteinschätzungsbasierten Tests. Beim Vergleich der Ergebnisse zwischen den Amputationsniveaus fanden sich keine Unterschiede. Bei der Stratifizierung und Vergleich der Ergebnisse nach dem Mobilitätsgrad der Teilnehmerinnen und Teilnehmer, unabhängig vom Amputationsniveau zeigten sich statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Mobilitätsgraden (FSST und NBWT aufgrund zu kleiner Stichprobe nicht betrachtet). Die Dauer für die Messungen lag bei 38,75 ± 6,8 Minuten.
Schlussfolgerung: Die zusätzlichen Tests konnten ohne großen Aufwand oder Verlängerung der Messdauer in das bestehende Protokoll aufgenommen werden. Die Kombination aus BBS und NBWT in einem Messprotokoll eignet sich gut dazu, ein großes Funktionsspektrum bezüglich der Balancefähigkeiten von MmB abzudecken. Die zusätzlichen Tests können die Ergebnisse des Protokolls durch wichtige Informationen zu der proaktiven statischen und dynamischen Balance ergänzen.
Ausblick: Weitere Untersuchungen mit einer größeren und repräsentativeren Stichprobe sind nötig, um die Ergebnisse dieser Studie zu bestätigen. Es sollte außerdem geprüft werden, ob für eine vollständige Abbildung der Balancefähigkeiten das Messprotokoll durch Tests für die reaktive Balance und dual-task Aufgaben komplettiert werden kann.
Ziel dieser Studie war es, Zusammenhänge zwischen Kinematik und Kraftanforderungen an den Ringen im Gerätturnen zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde das Schwung- und Krafthalteelement Stemme rückwärts zum Kreuzhang gewählt und analysiert.
Die Datenerhebung erfolgte im Rahmen der Europameisterschaften 2022 in München. Für die Analyse der Kraftanforderungen wurde die vertikale Kraft in den Aufhängungen der Ringe mit eindimensionalen Kraftsensoren gemessen und für die Analyse der Kinematik ein markerloses Bewegungserfassungssystem eingesetzt.
Insgesamt wurden die Ausführungen von 17 professionellen Turnern untersucht. Für die Analyse der Kinematik wurden vier Ausführungsparameter bestimmt und deren Einfluss auf den Kraftbedarf statistisch analysiert, wobei die Kraftdaten auf das jeweilige Körpergewicht normiert wurden und das relative Kraftmaximum als Bezugspunkt für den Kraftbedarf gewählt wurde. Bei den vier Ausführungsparametern handelte es sich um die maximale Körpervorneigung während des Rückschwungs vor der Stemmbewegung des Elementes, den minimalen Arm-Rumpf-Winkel (ARW) während des Elementverlaufs, die höchste Position des Körperschwerpunktes (KSP) während des Elementverlaufs und die Distanz, um die der KSP von der höchsten Position in den Kreuzhang absinkt.
Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen der höchsten KSP-Position und dem Kraftmaximum. Für die anderen Ausführungsparameter konnten Tendenzen ermittelt werden. Darüber hinaus konnten die Korrelationen der Parameter untereinander zu zwei Ausführungsvarianten zusammengefasst werden. Dabei führt eine Ausführungsvariante zu einem größeren relativen Kraftmaximum und zu größeren Abzügen als die anderen. Die biomechanische Betrachtung dieser Ausführungsvarianten ergab jedoch, dass die Ausführungsvariante mit dem größeren mittleren Kraftmaximum dennoch leichter auszuführen ist, während die andere Ausführungsvariante in der Durchführung anspruchsvoller ist und besser bewertet wird.
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.
Das Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob bei der Verwendung von Perturbationen in einem Laufschuhvergleich eine Adaptations-Phase im Voraus durchgeführt werden sollte, um den Einfluss potenzieller Adaptationseffekte zu reduzieren. Dafür absolvierten die acht Probanden insgesamt 15 Perturbationen auf einem Laufband, welche sich durch die kurzzeitige Beschleunigung des Laufbands von 2,5 𝑚/𝑠 auf 3,5 𝑚/𝑠 kennzeichneten. Anschließend wurden aus den normalisierten Daten die initialen Gelenkswinkel bei Bodenkontakt im Knie und Sprunggelenk, die minimale bzw. maximale Bodenreaktionskraft in x- bzw. z-Richtung und die Bodenkontaktzeit bestimmt. Um sowohl potenzielle Vorwärtssteuerungen als auch Feedbackbezogene lokomotorische Anpassung zu berücksichtigen, wurden die zwei Schritte vor der Perturbation, der perturbierte Schritt und die drei Schritte nach der Perturbation analysiert. Neben deskriptiver Statistik wurden die einzelnen Schritte mittels Varianzanalyse und paarweisen t-Tests aufeinanderfolgender Trials untersucht. Der initiale Sprunggelenkswinkel zeigt zwar einen Einfluss der Perturbationen im zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation, aber es lässt sich keine Anpassung im Verlauf der Messung feststellen. Auch bei der Bodenkontaktzeit lassen sich Unterschiede in den Messwerten und zwischen den Schritten finden, diese können allerdings ebenfalls nicht der Adaptation zugeordnet werden. Die Entwicklung der Mittelwerte und signifikante Ergebnisse in ANOVA und t-Tests deuten beim initialen Kniewinkel für den zweiten und dritten Schritt nach der Perturbation auf eine sukzessive Anpassung des Parameters an den Einfluss der Störung hin, welche nach acht Perturbationen abgeschlossen ist. Für die minimale Bodenreaktionskraft in x-Richtung (Bremskraft) befinden sich die Daten dagegen bereits nach einem Trial auf einem stabilen Niveau, wobei die Abweichungen hier ebenfalls im zweiten Schritt nach der Beschleunigung des Laufbands auftreten. Die maximale vertikale Bodenreaktionskraft (z-Richtung) zeigt Tendenzen zu einer fortschreitenden Anpassung im ersten und zweiten Schritt nach der Perturbation. Hier lassen sich aufgrund des Verlaufs der Mittelwerte und signifikanter Unterschiede beim ersten Schritt sechs Trials als Mindestanzahl für eine Adaptations-Phase ausmachen. Somit konnten in drei von fünf analysierten Parameter Merkmale von Adaptationseffekten gefunden werden, die sich alle in den Schritten nach der Perturbation zeigten und somit Feedbackbezogener Anpassung zuzuordnen sind. Sofern alle Parameter in der anschließenden Messung verwendet werden, sollten in der Adaptations-Phase mindestens acht Perturbationen durchgeführt werden, damit der Einfluss von Anpassungseffekten im Vergleich vernachlässigbar ist.
Rupturen des vorderen Kreuzbandes werden meist mit einer Kreuzbandplastik-Operation wiederhergestellt. Bei einer gängigen OP-Methode wird hierbei Sehnenmaterial am Semitendinosus-Muskel entnommen, und mit diesem gewonnenen Sehnenmaterial das Kreuzband rekonstruiert. Dies hat zur Folge, dass es zu neuromuskulären Defiziten und dem Verhalten der Co-Kontraktion von Quadrizeps und Hamstrings kommen kann. Weitere Folgen sind Muskelschwäche und ein weniger flektiertes Verhalten in der Stützphase beim Gehen am operierten Bein. Das Auftreten von Co-Kontraktion beim Laufen ist im Zusammenhang mit einer expliziten Co-Kontraktionsberechnung noch nicht ausreichend untersucht worden. Auch ist unklar, welchen Einfluss die Kraftfähigkeiten auf Co-Kontraktion und Gelenkwinkel haben. In dieser Studie soll untersucht werden, inwieweit diese Effekte auch bei der Bewegung des Laufens auftreten. Mögliche Zusammenhänge zwischen Kraft/Co-Kontraktion und Kraft/Kniegelenkswinkel werden ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen und damit auch zur Verbesserung der Rehabilitationsprozesse leisten. Im Rahmen von „Return to Sport“ Messungen wurden im IFD Colgone über einen Zeitraum von zwei Jahren „Return to Sport“ Messungen durchgeführt und relevante biomechanische Parameter erfasst. Die Untersuchungen fanden im Durchschnitt sieben Monate nach der Kreuzbandoperation statt. Innerhalb der Studie wurden 26 Patientendaten ausgewertet. Die Co-Kontraktion wurde durch Auswertung der EMG-Daten mit Hilfe einer Formel bestimmt. Die Patienten zeigten unabhängig vom Geschlecht signifikant erhöhte Co-Kontraktionswerte, reduzierte Kniegelenkswinkel und reduzierte Kraftfähigkeiten am operierten Bein. Dabei konnten die erhöhten Co- Kontraktionswerte als auch weniger flektierte Kniewinkel nicht bei allen Patienten der Stichprobe auf deren schlechte Kraftfähigkeit zurückgeführt werden. Hier gab es leichte Zusammenhänge aber keine signifikanten Ergebnisse. Da Co-Kontraktion als auch reduzierte Kniegelenkswinkel mit unterschiedlichsten Problemen in Verbindung gebracht werden können, sollte daran mit Hilfe von angepassten Reha- Maßnahmen gearbeitet werden. Rehabilitationsprozesse sollten verschiedene Kraft- und Koordinationsfähigkeiten fördern, mit dem Ziel, das neuromuskuläre Zusammenspiel zu verbessern.
Einfluss der Zehenfreiheit auf die dynamische Stabilität bei medio-lateralen Laufbandperturbationen
(2023)
Das Tragen von Barfußschuhen, so die These, führt zu einem natürlichen und damit gesunden Gangbild. Ein Merkmal des Barfußschuhs ist die breite Zehenbox, die eine maximale Zehenfreiheit gewährleistet. In dieser Studie wurde der Faktor Schuhweite hinsichtlich seines Einflusses auf die Gangstabilität untersucht. Mit dem GRAIL-System wurden 28 Probanden in jeweils vier Schuhkonditionen (Wash out = eigene Schuhe, schmal, breit, Tape) und 3 Trials (Baseline, Perturbations, Simulated Inebriation) mittels Motion Tracking erfasst. Die Gangstabilität wurde anhand von 𝑀𝑜𝑆 (𝑀𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛 𝑜𝑓 𝑆𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), 𝑃𝑜𝐼 (𝑃𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑦), Schrittbreite und Schrittdauer beurteilt.
Es konnte kein signifikanter Einfluss der Schuhweite auf die Gangstabilität festgestellt werden. Dagegen ist das Alter ein signifikanter Einflussfaktor (ältere Probanden gehen weniger sicher) sowie die Art des Trials (simulated Inebriation ist am unsichersten). Zusätzlich wurden die Probanden in eine BX (Barefoot Experienced) und eine BUX (Barefoot Unexperienced) Gruppe eingeteilt, um zu untersuchen, ob es einen Unterschied macht, ob ein Proband in der Vergangenheit bereits Barfußschuhe getragen hat. Im Vergleich zur BUX-Gruppe war das Gangbild der BX-Gruppe durch folgende Merkmale gekennzeichnet: kürzere Schrittdauer, breitere Schritte und niedrigere 𝑃𝑜𝐼-Werte (in den Barfußschuhen).
Es kann vermutet werden, dass Personen mit Barfußschuherfahrung in einer neuen Schuhkondition sicherer gehen, weil sie unabhängiger vom Schuh sind. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die BX-Personen durch das Barfußlaufen stärkere Fußstrukturen entwickelt haben, die sich unabhängig vom Schuh positiv auf das Gangbild auswirken. Somit wirken sich Barfußschuhe erst langfristig positiv auf den Gang aus.