Universität Stuttgart
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Item Open Access Einfluss von visuellem Feedback und interne Bewegungsrepräsentation auf die Bewegungsprogrammierung bei Kontraktionen im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus(2001) Rapp, Walter; Gollhofer, Albert (Prof. Dr.)Das Kontraktionsverhalten im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ) ist der grundlegende Aspekt reaktiver Bewegungsformen. Durch eine muskuläre Voraktivierung kann einer anschließenden Dehnungsphase ein größerer Widerstand entgegengesetzt werden was durch energetische Speicherprozesse zu erklären ist. Voraussetzung dafür aber ist, dass ein zentral generiertes Bewegungsprogramm die motorischen Befehle über das ZNS an die Muskulatur leitet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von sensorischen Informationen auf die Bewegungsprogrammierung bei fehlendem visuellem Feedback und variierenden Dehnungsbelastungen zu untersuchen. Hierzu führten Probanden reaktive Tief-Hochsprünge aus 24 cm, 34 cm, 44 cm und 54 cm ohne visuelle Kontrolle aus. Durch Variation in den Absprunghöhen und der, den Probanden zur Verfügung gestellten, verbalen Höheninformation wurden unterschiedliche Aspekte der Bewegungssteuerung und Bewegungskontrolle beleuchtet. Für eine quantitative und qualitative Darstellung der Bewegungsausführung wurden Bodenreaktionskräfte und die muskuläre Aktivierung mittels Oberflächenableitungen registriert. Die Ergebnisse zeigen, dass fehlende visuelle Informationen kompensiert werden können wenn aus vorhergehenden Sprüngen kinästhetische Informationen zur Verfügung stehen. Ein Transfer von gespeicherten Bewegungserfahrungen über die Bewegungsparameter erscheint nur eingeschränkt möglich. Stehen diese nicht zur Verfügung erfolgt ein Wechsel in der Bewegungsstrategie dahingehend, dass primär eine Stabilisation des Körperschwerpunktes angestrebt wird um damit das individuelle, gespeicherte Körperschema zu sichern.Item Open Access Item Open Access Die neuromuskuläre Kontrolle des Kniegelenks vor und nach einem spezifischen sensomotorischen Training beim unverletzten Sportler(2001) Gruber, Markus; Alt, Wilfried (PD Dr.)Die neuromuskuläre Kontrolle hat einen großen Einfluß auf die Qualität der sportlichen Bewegung. Um eine zielgerichtete Verbesserung der neuromuskulären Kontrolle zu erreichen, wird häufig ein sensomotorisches Training durchgeführt. Für die neuromuskuläre Kontrolle des Kniegelenks liegen zu dieser Thematik bisher keine Untersuchungen vor. Um am Kniegelenk stärkere Anpassungen zu erreichen, bietet sich eine Fixierung des Sprunggelenks während der Trainingsintervention an. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb die neuromuskuläre Kontrolle des Kniegelenks vor und nach einem speziellen sensomotorischen Training untersucht. An der Untersuchung nehmen 63 Sportstudenten (32 männlich / 31 weiblich) der Universität Stuttgart teil. Es werden Parameter zur Bestimmung der Standstabilität, der funktionellen Gelenkstabilität und der isometrischen Maximalkraftfähigkeit erhoben. Eine adäquate Beurteilung der neuromuskulären Kontrolle kann dabei nur in Verbindung von mechanischen (Innensicht) und neurophysiologischen (Außensicht) Parametern erfolgen. Alle Trainingsgruppen zeigen deutliche Anpassungseffekte bezüglich der Standstabilität. Für die funktionelle Gelenkstabilität des Knies kommt es zu einer Vergrößerung der Gelenkstiffness. Es lassen sich reizadäquate Anpassungen der neuromuskulären Kontrolle feststellen, die hochfunktionell im Sinne der Reduktion einer ventralen Verschiebung des Unterschenkels sind. Für die Kraftfähigkeit ergeben sich, durch das sensomotorische Training mit fixiertem Sprunggelenk, Verbesserungen in einem sehr frühen bis frühen Bereich der Kraftentwicklung. In diesem Bereich kommt es zu einer Verbesserung der Explosivkraft, die von einer verstärkten neuromuskulären Aktivität des Quadrizeps begleitet ist. Diese Verbesserungen sind nur durch eine Fixierung des Sprunggelenks während des sensomotorischen Trainings zu erreichen.Item Open Access The influence of sex, stroke and distance on the lactate characteristics in high performance swimming(2013) Holfelder, Benjamin; Brown, Niklas; Bubeck, DieterBackground: In order to achieve world-class performances, regular performance diagnostics is required as an essential prerequisite for guiding high performance sport. In high performance swimming, the lactate performance diagnostic is an important instrument in testing the sport specific endurance capacity. Although the role of lactate as a signaling molecule, fuel and a gluconeogenic substrate is accepted, lactate parameters are discussed concerning stability, explanatory power and interpretability. Methods: We calculated the individual anaerobic threshold (IAT) of Bunc using the swimming-specific lactate threshold test by Pansold. Results: The cross-sectional analysis (ANOVA) of n = 398 high performance swimmers showed significant effects for sex, stroke and distance on the IAT, the percentage of personal best time on the IAT (% of PB on IAT) and maximal lactate values (max. bLA). For the freestyle events the IAT decreased, % of PB on IAT and max. bLA increased from 100 to 400 m significantly in men and women. Women showed significantly higher % of PB on IAT with descriptive lower IAT in 7 of 8 analyzed events. Men showed significantly higher max. bLA in 5 of 8 events. In the second step, the analysis of 1902 data sets of these 398 athletes with a multi-level analysis (MLA) showed also significant effects for sex, swimming distance and stroke. For initial status and development over time, the effect sizes for the variables distance and sex were medium to large, whereas for stroke there were no or small effect sizes. Discussion: These significant results suggest that lactate tests in swimming specifically have to consider the lactate affecting factors sex and distance under consideration of the time period between measurements. Anthropometrical factors and the physiology of women are possible explanations for the relative better performance for lower lactate concentrations compared to men.Item Open Access How to investigate within-subject associations between physical activity and momentary affective states in everyday life : a position statement based on a literature overview(2013) Kanning, Martina; Ebner-Priemer, Ulrich W.; Schlicht, WolfgangSeveral meta-analyses have investigated the association between physical activity and affective states and have found evidence suggesting that exercise exerts a positive effect on affective state. However, in this field of research, most studies have conducted between-subject analyses. Nonetheless, there is more and more interest in the within-subject associations between physical activity and momentary affective states in everyday life. This position statement pertains to this up-and-coming field of research and provides methodological recommendations for further studies. The paper is divided into three parts: First, we summarise and evaluate three methodological requirements necessary for the proper evaluation of within-subject associations between physical activity and momentary affective states in everyday life. We propose that the following issues should be considered: a) to address the dynamic nature of such relationships, repeated assessments are necessary; b) as activities performed in everyday life are mostly spontaneous and unconscious, an objective assessment of physical activity is useful; c) given that recall of affective states is often affected by systematic distortions, real-time assessment is preferable. In sum, we suggest the use of ambulatory assessment techniques, and more specifically the combination of acceloremeter-assessment of physical activity with an electronic diary assessment of the momentary affective state and additional context information. Second, we summarise 22 empirical studies published between 1980 and 2012 using ambulatory assessment to investigate within-subject associations between momentary affective states and physical activity in everyday life. Generally, the literature overview detects a positive association, which appears stronger among those studies that were of high methodological quality. Third, we propose the use of ambulatory assessment intervention strategies to change people's behaviour (ambulatory assessment intervention) and to enable people to be active as often as possible during the day (e.g., reducing sitting time, taking more steps per day).Item Open Access Fast and powerful: biomechanics and bite forces of the mandibles in the American cockroach Periplaneta americana(2015) Weihmann, Tom; Reinhardt, Lars; Weißing, Kevin; Siebert, Tobias; Wipfler, BenjaminKnowing the functionality and capabilities of masticatory apparatuses is essential for the ecological classification of jawed organisms. Nevertheless insects, especially with their outstanding high species number providing an overwhelming morphological diversity, are notoriously underexplored with respect to maximum bite forces and their dependency on the mandible opening angles. Aiming for a general understanding of insect biting, we examined the generalist feeding cockroach Periplaneta americana, characterized by its primitive chewing mouth parts. We measured active isometric bite forces and passive forces caused by joint resistance over the entire mandibular range with a custom-built 2D force transducer. The opening angle of the mandibles was quantified by using a video system. With respect to the effective mechanical advantage of the mandibles and the cross-section areas, we calculated the forces exerted by the mandible closer muscles and the corresponding muscle stress values. Comparisons with the scarce data available revealed close similarities of the cockroaches’ mandible closer stress values (58 N/cm2) to that of smaller specialist carnivorous ground beetles, but strikingly higher values than in larger stag beetles. In contrast to available datasets our results imply the activity of faster and slower muscle fibres, with the latter becoming active only when the animals chew on tough material which requires repetitive, hard biting. Under such circumstances the coactivity of fast and slow fibres provides a force boost which is not available during short-term activities, since long latencies prevent a specific effective employment of the slow fibres in this case.Item Open Access Sensorbasierte Messung und Bedeutung körperlicher Aktivität bei Patienten nach Hüftfraktur in der geriatrischen Rehabilitation(2012) Nicolai, Simone Elisabeth; Schlicht, Wolfgang (Prof. Dr. phil. habil.)Einleitung Der Umfang der körperlichen Aktivität älterer Bevölkerungsschichten liegt zum Großteil weit unter den allgemeinen Aktivitätsempfehlungen, obwohl diese als Schlüsselfaktor für eine gute Lebensqualität und die Aufrechterhaltung der Selbständigkeit gilt. Im Fokus der Forschung standen bislang neben der breiten Bevölkerungsschicht vor allem ältere noch zuhause lebende Menschen. Der demographische Wandel wird verstärkt dazu führen, dass das Gesundheitssystem und die Pflegekassen durch die zunehmende Anzahl hochaltriger, gebrechlicher Personen finanziell stärker belastet werden. Eine Personengruppe, die besonders gefährdet ist, langfristig immobil zu werden, ist die Gruppe der Patienten nach proximaler Femurfraktur (PFF). Die Fragestellungen der vorliegenden Arbeit sollen daher exemplarisch anhand dieser Personengruppe behandelt werden. Vordringliches Ziel dieser Studie war die objektive Beschreibung und Bewertung der in der geriatrischen Rehabilitation mittels Sensor gemessenen körperlichen Aktivität und deren Verlauf bei Patienten nach PFF. Weitere Ziele waren die Ermittlung der Veränderungssensitivitäten inkl. Boden- und Deckeneffekte der angewandten Messverfahren und die Überprüfung möglicher Zusammenhänge zwischen der körperlichen Aktivität und der körperlichen Leistungsfähigkeit sowie psychosozialen Parameter. Methoden Fünfundsechzig geriatrische Patienten nach PFF (Alter M = 82,54 Jahre ± 7,17 SD) wurden zu Beginn der Rehabilitation (T1) und nach zwei Wochen (T2) untersucht. Neben der körperlichen Aktivität wurden funktionelle, biomechanische und fragebogenbasierte Parameter erhoben. Zusätzlich fand zu einem definierten Nachbeobachtungszeitraum (sechszehn Wochen nach T1; TFU) eine weitere sensorbasierte Messung der körperlichen Aktivität statt. Ergebnisse Die körperliche Aktivität erhöhte sich während und nach der Rehabilitation für die Gesamtgruppe signifikant. Es konnten moderate Zusammenhänge zwischen der körperlichen Aktivität und vor allem funktionellen und fragebogenbasierten Parametern (wie z. B. Alltagsfunktion oder Mobilität) aufgezeigt werden. Die Generierung eines Prädiktionsmodells zur Erklärung der körperlichen Aktivität innerhalb der Rehabilitation war mit 55 % erklärter Varianz nur in Teilen möglich. Eine Prädiktion der körperlichen Aktivität war zum Nachbeobachtungszeitpunkt für die Gesamtgruppe ebenfalls nur teilweise möglich (erklärte Varianz 22 %). Die Messung der körperlichen Aktivität erwies sich als veränderungssensitiv. Es konnten keine Boden- oder Deckeneffekte aufgezeigt werden. Schlussfolgerung Die Messung der körperlichen Aktivität war in dem untersuchten Kollektiv gut durchführbar. Die sensorbasierte Messung der körperlichen Aktivität stellt eine gute Möglichkeit dar, um in Ergänzung zur Funktion und physischen Kapazität einen Teilaspekt des ICF-Bereichs Partizipation quantitativ abzubilden. Die gefundenen Ergebnisse könnten künftig helfen, die Therapieplanung und -evaluation zu optimieren, um dadurch das rehabilitative Outcome im Sinne einer Reduktion des Immobilitätsrisikos und Teilhabeverlustes zu verbessern und damit zu einer Entlastung des Gesundheits- und Versorgungssysteme beizutragen. Weitere Studien sind nötig um die Übertragbarkeit dieser Schlussfolgerungen für andere geriatrische Fallgruppen zu überprüfen.Item Open Access Determination of muscle shape deformations of the tibialis anterior during dynamic contractions using 3D ultrasound(2024) Sahrmann, Annika S.; Vosse, Lukas; Siebert, Tobias; Handsfield, Geoffrey G.; Röhrle, OliverPurpose: In this paper, we introduce a novel method for determining 3D deformations of the human tibialis anterior (TA) muscle during dynamic movements using 3D ultrasound. Materials and Methods: An existing automated 3D ultrasound system is used for data acquisition, which consists of three moveable axes, along which the probe can move. While the subjects perform continuous plantar- and dorsiflexion movements in two different controlled velocities, the ultrasound probe sweeps cyclically from the ankle to the knee along the anterior shin. The ankle joint angle can be determined using reflective motion capture markers. Since we considered the movement direction of the foot, i.e., active or passive TA, four conditions occur: slow active, slow passive, fast active, fast passive. By employing an algorithm which defines ankle joint angle intervals, i.e., intervals of range of motion (ROM), 3D images of the volumes during movement can be reconstructed. Results: We found constant muscle volumes between different muscle lengths, i.e., ROM intervals. The results show an increase in mean cross-sectional area (CSA) for TA muscle shortening. Furthermore, a shift in maximum CSA towards the proximal side of the muscle could be observed for muscle shortening. We found significantly different maximum CSA values between the fast active and all other conditions, which might be caused by higher muscle activation due to the faster velocity. Conclusion: In summary, we present a method for determining muscle volume deformation during dynamic contraction using ultrasound, which will enable future empirical studies and 3D computational models of skeletal muscles.Item Open Access The effect of multidirectional loading on contractions of the M. medial gastrocnemius(2021) Ryan, David S.; Stutzig, Norman; Helmer, Andreas; Siebert, Tobias; Wakeling, James M.Research has shown that compression of muscle can lead to a change in muscle force. Most studies show compression to lead to a reduction in muscle force, although recent research has shown that increases are also possible. Based on methodological differences in the loading design between studies, it seems that muscle length and the direction of transverse loading influence the effect of muscle compression on force production. Thus, in our current study we implement these two factors to influence the effects of muscle loading. In contrast to long resting length of the medial gastrocnemius (MG) in most studies, we use a shorter MG resting length by having participant seated with their knees at a 90° angle. Where previous studies have used unidirectional loads to compress the MG, in this study we applied a multidirectional load using a sling setup. Multidirectional loading using a sling setup has been shown to cause muscle force reductions in previous research. As a result of our choices in experimental design we observed changes in the effects of muscle loading compared to previous research. In the present study we observed no changes in muscle force due to muscle loading. Muscle thickness and pennation angle showed minor but significant increases during contraction. However, no significant changes occurred between unloaded and loaded trials. Fascicle thickness and length showed different patterns of change compared to previous research. We show that muscle loading does not result in force reduction in all situations and is possibly linked to differences in muscle architecture and muscle length.Item Open Access A muscle model for injury simulation(2023) Millard, Matthew; Kempter, Fabian; Fehr, Jörg; Stutzig, Norman; Siebert, TobiasCar accidents frequently cause neck injuries that are painful, expensive, and difficult to simulate. The movements that lead to neck injury include phases in which the neck muscles are actively lengthened. Actively lengthened muscle can develop large forces that greatly exceed the maximum isometric force. Although Hill-type models are often used to simulate human movement, this model has no mechanism to develop large tensions during active lengthening. When used to simulate neck injury, a Hill model will underestimate the risk of injury to the muscles but may overestimate the risk of injury to the structures that the muscles protect. We have developed a musculotendon model that includes the viscoelasticity of attached crossbridges and has an active titin element. In this work we evaluate the proposed model to a Hill model by simulating the experiments of Leonard et al. [1] that feature extreme active lengthening.