10 Fakultät Wirtschafts- und Sozialwissenschaften
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Item Open Access Analyse und Prognose von Trainingswirkungen: multivariate Zeitreihenanalyse mit künstlichen neuronalen Netzen(2011) Haar, Benjamin; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)Einleitung Modelle zur Analyse und Prognose von Trainingswirkungen sind vielversprechende Verfahren für eine individuelle Optimierung der Belastungsgestaltung. Die starken Vereinfachungen der antagonistischen und non-parametrischen Modelle führen aber zu einer geringen Modellgüte und Prognoseleistung. Forschungsbedarf besteht daher hinsichtlich neuer multifaktorieller Modelle, die den komplexen und dynamischen Trainingsprozess hinreichend abbilden. Künstliche neuronale Netze (KNN) haben sich als Methode zur Analyse und Prognose von nichtlinearem und dynamischem Systemverhalten bewährt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen Beanspruchung und sportlicher Leistungsfähigkeit mit KNN verlaufsorientiert abzubilden und die Leistungsentwicklung vorherzusagen. Material und Methoden An dieser Studie nahmen drei hochtrainierte Triathleten teil (27 ± 10 Jahre; VO2 max = 3,72 ± 0,15 l/min). Während des dreimonatigen Untersuchungszeitraums wurde täglich die Trainingsbeanspruchung in vier Kategorien (Laufen, Radfahren, Schwimmen und Krafttraining) anhand der Herzfrequenz und des zeitlichen Umfangs dokumentiert. Die Erholungs-Beanspruchungsbilanz der Athleten wurde jeden dritten Tag an 30 Messzeitpunkten mit einem Fragebogen erfasst. Die maximale Sauerstoffaufnahme wurde als Maß für die Ausdauerleistungsfähigkeit ebenfalls alle drei Tage mit einer Fahrrad-Spiroergometrie bestimmt. Für die multivariate Zeitreihenanalyse wurde ein Backpropagation-Netz eingesetzt. Die Trainingsbeanspruchung und der psychometrisch erfasste Erholungs- und Beanspruchungszustand wurden als Prädiktorvariablen berücksichtigt. Die Dynamik des Trainingsprozesses wurde über den Zusammenhang zwischen der Leistungsfähigkeit und der Leistungsentwicklung abgebildet. Die KNN wurden für jeden Athleten mit 24 Datensätzen trainiert. Die Entwicklung der Leistungsfähigkeit wurde über vier Messzeitpunkte vorhergesagt. Durch eine schrittweise Reduktion der Eingabedaten, wurde das multivariate Modellkonzept auf seine Gültigkeit hin geprüft. Die Modellgüte und Prognoseleistung wurden im Vergleich zu den antagonistischen Modellen bewertet. Ergebnisse Bei allen Probanden wird bei der Analyse und Prognose von Trainingswirkungen mit KNN (KNN-Modell) eine hohe Modellgüte (root mean square error (RMSE) = 0,05 ± 0,02 l/min) und Vorhersagegenauigkeit (RMSE = 0,08 ± 0,03 l/min) erreicht. Die Reduktion der Eingabedaten führt zu einer abnehmenden Abbildungs- und Prognoseleistung. Die Modellgüte und Prognoseleistung des KNN-Modells ist im Vergleich zu den antagonistischen Trainings-Wirkungs-Modellen höher. Diskussion KNN sind besonders zur verlaufsorientierten Analyse und Prognose von Trainingswirkungen geeignet. Der Vorteil dieser Methode ist in der multivariaten Modellstruktur zu sehen. Durch die differenzierte Berücksichtigung trainingsinduzierter Beanspruchungen und des aktuellen Erholungs- und Beanspruchungszustands wird ein höherer Erklärungswert für die Leistungsentwicklung erreicht. Trainings-Wirkungs-Modelle mit geringerer Komplexität bilden den Leistungsverlauf nur ungenau ab und können die Leistungsentwicklung nicht exakt vorhersagen. Schlussfolgerung Simulative Trainings-Wirkungs-Modelle eignen sich für eine individuelle Trainingssteuerung nur dann, wenn sie in hohem Maße die Komplexität und Dynamik des Trainingsprozesses abbilden. Dann bietet sich aber ein praktischer Einsatz vor allem in der kurzfristigen Trainingsplanung oder Wettkampfvorbereitung an.Item Open Access Die Bedeutung der subtalaren Gelenkachse und der Fußanatomie für die Entstehung von Überlastungsfolgen der unteren Extremität im Sport : eine empirische Untersuchung zu individuellen Risikofaktoren(2010) Reule, Claudia Anita; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)Chronische Überlastungsfolgen (cÜF) stellen im Spitzen- und Breitensport, speziell im Langstreckenlaufen ein großes Problem dar. Insbesondere die Achillessehne liegt mit einer Verletzungshäufigkeit zwischen 16 und 23 % im Fokus der Forschung. Mögliche Ursachen sind zahlreich, jedoch bis heute nicht eindeutig geklärt. In der Diagnostik individueller prädisponierender Faktoren ist ein Forschungsdefizit zu sehen. In dieser Arbeit werden mittels eines Ultraschallmesssystems zur Bestimmung der subtalaren Gelenkachse die individuellen anatomischen Variationen im Bereich des Sprungge-lenks in speziellen Kollektiven in-vivo aufgeklärt und retrospektiv die Relation zu cÜF empirisch erhellt. Eine Laufbandanalyse liefert weitere individuelle Merkmale, die ebenfalls in Beziehung zu den Verletzungen und den anatomischen Variationen im Bereich des Sprunggelenks gebracht werden. Mittels eines 3-D-Bewegungsanalyse-Verfahrens auf Ultraschallbasis (Zebris®) wur-den die Achsen des talocalcanealen Gelenks in-vivo und in Echtzeit bestimmt. Zusätz-lich wurden der Arch-Index und der Gangwinkel mit Hilfe eines Laufbandes mit plan-tarer Druckverteilung ermittelt (Zebris®). Mittels Videoanalyse wurde die Pronations-bewegung anhand des Achillessehnenwinkels gemessen. Bisherige Verletzungen, Beinachsen, Trainingsumfang und -intensität wurden per Anamnese erfasst. Es wurden Langstreckenläufer mit einer Laufleistung von mindestens 25 km pro Woche und 3 Jahren Lauferfahrung sowie Spielsportler in die Studie aufgenommen. 495 Personen wurden untersucht und davon 307 eingeschlossen. 69 % der 307 Probanden waren bereits verletzt. 21 % der Verletzungen waren am Sprunggelenk, 21 % am Kniegelenk und 15 % an der Achillessehne lokalisiert. Es konnten keine eindeutigen Zusammenhänge zwischen der Entstehung von cÜF und Pa-rametern der Laufbandanalyse festgestellt werde. Von 614 gemessenen Subtalarachsen wurde ein mittlerer Inklinationswinkel von 42° ± 16° und ein mittlerer Deviationswin-kel von 11° ± 23° berechnet. Es konnte ein signifikanter Mittelwertunterschied zwi-schen dem mittleren Deviationswinkel bei Personen mit Überlastungssymptomen an der Achillessehne (18° ± 23°) und Personen ohne (10° ± 23°) mittels t-Test für unabhängi-ge Stichproben festgestellt werden (p=0,002). Mit Hilfe der multivariaten Analyse wurden der Deviationswinkel, der Gangwinkel und die wöchentlich gelaufene Distanz als gering positive Einflussfaktoren für Achillessehnenbeschwerden und der Abstand der medialen Malleolen als gering positiver sowie die wöchentliche Laufdistanz als gering negativer Einflussfaktor für laterale Kapselbandverletzungen identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass die subtalare Gelenkachse, speziell der Deviationswinkel, einen Einfluss auf die Entstehung von cÜF zu haben scheint. Insbesondere Achilles-sehnenbeschwerden können möglicherweise mit Hilfe der Kenntnis über die Wirkung des Deviationswinkels auf die mechanische Belastung der Achillessehne besser aufge-klärt werden. Außerdem ist erkennbar, dass die hier ausgewählten Parameter nur zu einem kleinen Teil geeignet scheinen, das komplexe Problem der Entstehung von cÜF zu erklären.Item Open Access Item Open Access Entwicklung eines diagnostischen Verfahrens zur Bestimmung der Gelenkachsen des Sprunggelenks(2006) Hochwald, Harald; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit war es eine Methode zu entwickeln mit der es möglich ist, die Sprunggelenkachsen in vivo und nicht invasiv zu bestimmen. Ein hypothetischer Zusammenhang zwischen der individuellen Gelenkanatomie und chronischen sowie akuten Überlastungen der Strukturen der unteren Extremitäten wird in der Literatur zwar mehrfach angesprochen, konnte aber von bisher durchgeführten Studien aufgrund von methodischen Restriktionen und dadurch bedingten kleine Fallzahlen weder bestätigt noch verworfen werden. Folgende Anforderungen mussten von dem neuen diagnostischen Verfahren erfüllt werden: Im Feld einsetzbar (benötigt keine Laborbedingungen), in vivo, nicht invasiv, automatisierte Datenverarbeitung und Datenerfassung, einfach zu handhaben. Um diese Anforderungen zu erfüllen wurde das Ultraschall-Laufzeit-Bewegungsanalyse-System cms20 der Firma zebris modifiziert und eine eigene Software und die benötigten mathematischen Methoden entwickelt. Wie bisher angewandte nicht invasive Methoden zur Bestimmung der Lage der Sprunggelenkachsen in vivo stützt sich auch dieses Verfahren auf eine Bewegungsanalyse des Sprunggelenkkomplexes. Das eingesetzte mathematische Verfahren betrachtet die Bewegungen um die obere und untere Sprunggelenkachse als eine Rotation in der Ebene und reduziert somit die Bewegungsanalyse auf ein zweidimensionales Problem. Für die Berechnung der Gelenkachsen und damit des COR (Center of Rotation) aus den aufgezeichneten Bewegungsdaten genügen demnach die Koordinatendaten von drei verschiedenen Positionen eines Ultraschallmarkers. Der gesamte Messvorgang dauert weniger als zehn Minuten. Dabei muss in einem ersten Schritt das Tibiakoordinatensystem -- ein Koordinatensystem markanter anatomischer Punkte -- , mithilfe eines speziell für diesen Zweck entwickelten Ultraschalltaststiftes festgelegt werden. In der Neutral-Null-Stellung (hüftbreiter Aufrechter Stand) des Probanden müssen zur Bestimmung des Tibiakoordinatensystem zwei Punkte auf der Tibiakante und ein weiterer Punkt auf der Achillessehnenmitte aufgezeichnet werden. Mittels eines vierten Punktes in der Standfläche wird der Ursprung des Koordinatensystems festgelegt. Alle Ergebnisse werden relativ zu diesem Tibiakoordinatensystem ausgegeben. Anschließend erfolgt die Aufzeichnung der Bewegungsdaten. Dazu muss der Fuß aus der Neutral-Null-Stellung in die maximale Dorsalflexion bewegt werden. In dieser maximalen Dorsalflexion müssen mehrere Inversions/Eversionbewegungen durchgeführt werden. Die Software berechnet anhand der aufgezeichneten Bewegungskoordinaten alle benötigten Parameter des oberen und unteren Sprunggelenks und stellt diese nach der Messung numerisch und grafisch dar. Für die Achsdaten des unteren Sprunggelenks werden Mittelwerte und Standardabweichung ausgegeben, die aus den berechneten Sprunggelenk-Achsdaten der einzelnen Inversions- und Eversionsbewegungen gebildet werden. Mithilfe der Standardabweichung können direkt nach einer Messung Aussagen über die Qualität der Bewegungsausführung und damit über die Genauigkeit des Messergebnisses gemacht werden. Das Gesamtsystem wurde einer Reihe von Validitäts- und Reliabilitätstest am mechanischen Modell und in vivo unterzogen. Der ermittelte Fehler der Winkel für die Reliabilitätstests am mechanischen Modell war E<0,9°. Bei den in vivo Tests war der Fehler der Winkel mit E<2,5° etwas höher als bei den Tests am mechanischen Modell, was aufgrund von Hautverschiebungen und Abweichungen bei der willkürlichen Bewegungsausführung zu erwarten war. In ersten durchgeführten Studien wurden die Sprunggelenkachsen von n=97 Probanden in vivo bestimmt. Die Standardabweichung bzw. der Messfehler der Einzelmessungen von Deviation und Inklination betrug E<5°. Der Mittelwert des Deviationswinkels der gesamten Stichprobe war M=3,4° bei einer Standardabweichung von STAB<11,4°. Dieses Messverfahren ist dazu in der Lage, die Achsen des Sprunggelenkkomplexes in vivo und nicht invasiv bei großen Stichproben im Feld zu bestimmen. Der hypothetische Zusammenhang zwischen der individuellen Gelenkanatomie und chronischen und akuten Überlastungen der Strukturen der unteren Extremitäten sollte mit diesem neuen diagnostischen Verfahren aufgeklärt werden können.Item Open Access Trainingsquantifizierung im Krafttraining : Entwicklung eines automatisierten Systems zur Protokollierung und Steuerung von Krafttrainingsinhalten(2015) Brown, Niklas; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)Krafttraining, als essentieller Teil des leistungssportlichen Trainings, setzt die Grundlage für vielfältige Hochleistungen im Sport. Anders als in den Ausdauersportarten sind aber im Krafttraining kaum verlässliche Parameter vorhanden, um Training quantifizieren und steuern zu können. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Validierung eines Mess- und Informationssystems zur reliablen und validen Erfassung und Steuerung des Krafttrainings. Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilbereichen. Zunächst wird ein Signalverarbeitungs-Algorithmus zur Berechnung von relevanten Krafttrainingsparametern entwickelt und validiert. Dieser wird in einer Studie mit 50 Probanden mit einem Referenzsystem verglichen. Aufbauend auf den berechneten Parametern wird in Teilbereich zwei ein multifaktorieller Ermüdungsfaktor entwickelt. Dieser wird aus den Daten von 20 Probanden erarbeitet. Hierzu werden ermüdende und nicht ermüdende Trainingssätze absolviert und anhand einer Hauptkomponentenanalyse Veränderungen in der Kinematik bei auftretender Ermüdung gesucht. Aus den gefundenen Hauptkomponenten kann dann ein Ermüdungsfaktor berechnet und mit anderen bereits vorhandenen Ermüdungsparametern verglichen werden. Im abschließenden dritten Teilbereich wird ein automatisiertes Trainingssteuerungssystem, basierend auf einem Fuzzy-Regler zur individuellen Steigerung des Trainings eingesetzt und in einer Längsschnittstudie auf die Trainingswirksamkeit im Vergleich mit dem Training nach einem klassischen Trainingsplan überprüft. Für den Vergleich des Beschleunigungsalgorithmus mit einem Referenzsystem wurden vor allem für die Wiederholungszahl sowie für zeitliche Faktoren, wie die Dauer der Wiederholungen, eine hohe Übereinstimmung mittels Bland-Altman Plots festgestellt. Die Übereinstimmung der Messsysteme zeigte sich dabei abhängig von der getesteten Trainingsübung sowie der Trainingsmethode, war aber dennoch für alle getesteten Kombinationen gut. Der Bewegungsumfang konnte nicht zufriedenstellend anhand der Beschleunigungsdaten bestimmt werden. Für den zweiten Teilbereich konnten insgesamt sechs Trainingsparameter gefunden werden, die einer Veränderung bei muskulärer Ermüdung unterliegen. Anhand einer Linearkombination dieser Parameter wurde ein skalarer Ermüdungsfaktor bestimmt. Dabei konnte mit einem berechneten Grenzwert zwischen ermüdenden und nicht ermüdenden Trainingssätzen unterschieden werden. Die Untersuchung der Trainingswirkung von sieben Wochen intensivem Krafttraining mit automatisierter oder klassischer Trainingssteuerung ergab bei den acht Probanden der automatisiert trainierenden Gruppe gleiche oder höhere Trainingsanpassungen als bei der Kontrollgruppe. Dabei zeigten vor allem das intramuskuläre Fettvolumen und Muskelvolumen des M. Quadrizeps femoris sowie verschiedene Kraft- und Sprungparameter höhere Effektstärken hinsichtlich der Trainingsanpassungen mit der entwickelten automatisierten Trainingssteuerung. Anhand des entwickelten Verfahrens kann Training zukünftig objektiv protokolliert und gesteuert werden. Die Ergebnisse der Validierungsstudien sind vergleichbar mit bereits veröffentlichten Ansätzen zur automatischen Protokollierung, das hier vorgestellte Verfahren benötigt aber deutlich weniger Nutzereingaben und Rechenleistung. Daher könnte in einem zukünftigen Schritt eine Hard- und Softwareumsetzung der beschriebenen Algorithmen erfolgen, um auch in wissenschaftlichen und trainingspraktischen Settings eingesetzt werden zu können.Item Open Access Das untere Sprunggelenk als biomechanischer Einflussfaktor : Entwicklung und Anwendung eines IMU-Systems zur Beschreibung der Orientierung der Achsen des Sprunggelenks(2020) Schlechtweg, Sascha; Alt, Wilfried (Prof. Dr.)