Dynamic pedobarographic evaluation of protective ankle braces

TITELBLATT & INHALTSVERZEICHNIS 1\. EINLEITUNG 1 1.1 Einführung in die Fragestellung 1 1.2 Funktionelle Anatomie und Biomechanik des Rück- und Mittelfußes 4 1.2.1 Überblick 4 1.2.2 Bewegungsprinzipien 5 1.2.3 Mechanik und Stabilität des Rückfußes 5 1.2.3.1 Oberes Sprunggelenk (Articulatio talocruralis) 5 1.2.3.2 Unteres Sprunggelenk (Articulatio subtalaris) 7 1.2.4 Mechanik und Stabilität des Mittelfußes 9 1.2.4.1 Queres Fußwurzelgelenk (Articulatio tarsi transversa) 9 1.2.5 Bewegungsachsen und Muskelfunktion 9 1.3 Landungsbiomechanik 11 1.3.1 Allgemein 11 1.3.2 Landestrategien 11 1.3.2.1 Körperhaltungsstrategien 12 1.3.2.2 Fußkontaktstrategien 14 1.3.3 Stoßkräfte und Fußbelastung 17 1.3.3.1 Allgemein 17 1.3.3.2 Stoßkräfte und Landestrategien 18 1.3.3.3 Einflussfaktoren 20 1.3.4 Muskelreaktion 21 1.3.5 Modifizierende Faktoren 22 1.3.5.1 Seitwärtsbewegungen 22 1.3.5.2 Visuelle Kontrolle 23 1.3.5.3 Geschlecht 24 1.3.5.4 Sporttraining 24 1.3.5.5 Landungsoberfläche 25 1.3.5.6 Schuhe 26 2\. MATERIAL UND METHODE 28 2.1 Geprüfte Orthesen 28 2.1.1 Beschreibung der einzelnen Orthesen 28 2.1.2 Orthesengruppen 34 2.2 Probanden 36 2.2.1 Klinische Untersuchung der Probanden 36 2.2.2 Radiologische Untersuchung 36 2.2.3 Probandengruppen 37 2.3 Versuchsaufbau 38 2.3.1 Sprungsituation 38 2.3.2 Zur Messung verwendete Sportschuhe 39 2.3.3 Druckmesssystem 40 2.3.4 Auswertung der Druckmessungen 43 2.3.5 Videoaufzeichnung 45 2.4 Fragebogen zur Schienenbewertung 45 2.5 Statistik 46 2.5.1 Allgemeiner Teil: Biomechanische Merkmale 46 2.5.2 Spezieller Teil: Orthesenvergleich 47 3\. ERGEBNISSE 49 3.1 Probanden 49 3.1.1 Ergebnisse der klinischen Untersuchung 49 3.1.2 Ergebnisse der radiologischen Untersuchung 49 3.1.3 Probandengruppen 49 3.2 Auswertung der Sprünge 50 3.2.1 Überblick 50 3.2.2 Druckschwerpunktsverlauf (DSP-Dynamik) 50 3.2.3 Fersendruck 52 3.2.4 Fersenratio 53 3.2.5 Ergebnisse 55 3.3 Statistische Auswertung 56 3.3.1 Allgemeiner Teil: Biomechanische Merkmale 56 3.3.2 Spezieller Teil: Orthesenprüfung 58 3.3.2.1 Orthesengruppenbildung 59 3.3.2.2 Orthesengruppenvergleich 61 3.3.2.3 Orthesengruppenunterschiede und Probandengruppen 62 3.4 Auswertung des Fragebogens 67 4\. DISKUSSION 70 4.1 Diskussion des Versuchsaufbaus 70 4.1.1 Literaturübersicht 70 4.1.1.1 Statische Verfahren 70 4.1.1.2 Dynamische Verfahren 74 4.1.1.3 Andere Möglichkeiten 78 4.1.2 Verwendetes Versuchsverfahren 80 4.1.2.1 Sprungsituation 80 4.1.2.2 Druckmesssystem 83 4.1.2.3 Ausgewählte Parameter 85 4.2 Diskussion der Ergebnisse 87 4.2.1 Biomechanische Merkmale und Auswahl der Sprünge 87 4.2.2 Orthesenprüfung 90 4.2.2.1 Orthesengruppenbildung 90 4.2.2.2 Orthesengruppenvergleich 92 4.2.2.3 Orthesengruppenunterschiede und Probandengruppen 95 4.3 Limitationen der Methode und Kritikpunkte im Überblick 97 4.4 Schlussfolgerungen 102 5\. ZUSAMMENFASSUNG 105 ANHANG 109 A. Material und Methode 110 B. Ergebnisse 111 LITERATURVERZEICHNIS 122Zur Erfassung der Fuß- und Sprunggelenkskinetik bei dynamischen Testverfahren wurden Druckmesssohlen in neuartiger Kombination mit einer dynamischen Orthesenevaluierungsmethode verwendet. Durch Tiefsprünge auf eine um 20° geneigte Rampe sollte der typische Verletzungsmechanismus des lateralen Kapsel-Bandapparates simuliert werden. Basierend auf der Annahme, dass Variationen der Fußstellung, insbesondere der Fußsohle in Relation zum Untergrund, in verschiedenen dynamischen Druckverteilungsschemata widerspiegelt werden, sollte die Anwendung von Druckmesssohlen Aufschlüsse über die Biomechanik der Landungen auf eine schiefe Ebene geben und somit das Verfahren genauer biomechanisch analysieren. Zuletzt sollte die Auswertung der Druckmessungen den Einfluss von 10 bekannten Orthesenmodellen auf die Fußsohlenbelastung evaluieren. Aus den gesammelten Messdaten aller gültigen Sprünge wurde erstmalig in einer Studie die jedem Probanden charakteristische Fuß-Lande-Biomechanik mit indirekten kinematischen und kinetischen Daten erhoben. Dies wurde realisiert mit dem Quotienten aus den Druckwerten des medialen und lateralen Fersenbereichs, dem aufsummierten Fersendruckwert und der Zeitdauer vom Bodenaufsetzen der Ferse bis zum Druckmaximum. Aus jedem der ausgewählten Sprünge wurde der Fersenbelastungsquotient zum Zeitpunkt der maximalen Fersenbelastung gemessen. Hieraus konnte indirekt die Fersenstellung zum Zeitpunkt des mit der Landung provozierten Supinationsstresses festgestellt und zur Orthesenevaluierung benutzt werden. Hiermit konnte indirekt die Kinetik des Rückfußes und die Muskelaktivität ohne gleichzeitige elektromyografische Untersuchung dokumentiert und beurteilt werden. Die sehr detaillierte und präzise Datenerhebung hat nicht nur Einsicht in die Biomechanik von Landungen auf eine schräge Ebene mit Supinationsschutz gewährt, sondern auch die ausführliche Überprüfung des Tiefsprungverfahrens ermöglicht. Ferner boten Druckmesssohlen die Gelegenheit, die Biomechanik des Sprunggelenkes und Fußes bei dynamischen Bewegungen unter realitätsnahen Bedingungen mit oder ohne Supinationsschutz zu beurteilen. Die Verwendung von Druckmesssohlen im Rahmen der dynamischen Orthesenevaluierung hat sich eindeutig bewährt. Die statistisch bewiesenen Unterschiede der getesteten Orthesenbedingungen deuten indirekt auf Veränderungen der Rückfußkinetik von unterschiedlichem Maße hin, welche auf die biomechanischen Aspekte der Orthesenkonstruktion zurückzuführen sind. Zugleich haben die Ergebnisse der Orthesenprüfung die hohe Komplexität der Schutzmechanismen erkennen lassen.To gain motion data of foot and ankle joint kinetics in a dynamic testing setup pedobarographic pressure soles were used in a newly developed drop-jump test method. Healthy young individuals performed drop-jumps on to a 20° tilted platform, which was designed to simulate a typical injury pattern for the lateral ligament capsule complex. Given the assumption that variations of the foot position can be deduced from different dynamic pressure distribution patterns the use of pressure soles should give insights into the biomechanism of individual landings onto the tilted platform. The calculation of the pressure distribution during landing should indirectly demonstrate the influence of ten commonly used braces on ankle-foot kinetics. In this study we were able, for the first time, to gain indirect biomechanical data of kinematic and kinetic aspects of individual landing patterns. This information was gained by calculating the ratio between the medial and lateral pressure distribution of the rearfoot and by determining the time interval of the pressure rise from zero to maximum. All data was validated and the rearfoot pressure distribution ratio at the time of the maximal impact from selected jumps was calculated. This ratio was used as an indication for the rearfoot position at the time of the induced supination stress impact, thus demonstrating the stress shielding influence of the tested ankle braces. In the same fashion we were able to indirectly document the kinematics of the rearfoot along with the muscle activity. The detailed interpretation of pressure sole data led not only to new evidence in the biomechanics of foot and ankle landing on tilted ground but proved to be useful in the profound evaluation of drop-jump testing. Furthermore we assessed information on ankle-foot kinematics in a close to reality supination stress impact with and without brace protection. The use of pressure soles in this context proved to be of great advantage. The statistically proven difference between the braces could be related back to the individual particulars of design