Modellierung von Muskeln für die Simulation von Bewegung in der Biomechanik Martin Mössner [email protected] 28. Jan. 2016 Ziel: Modellierung der Muskelkräfte so, dass sie in Simulationsprogramm eingebaut werden können McLean et al (2003) Development and Validation of a 3D Model to Predict Knee Joint Loading During Dynamic Movement Transactions of the ASME, 125 864-874 (2003) G. Yamaguchi, Dynamical Modeling of Muskuloskeletal Motion, Kluwer Academic Press, London, 2001 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 2 1 Simulation von Muskelbewegung Makroskopische Eigenschaften Muskel kurz für Muskel-Sehnen-Komplex Mechanische Eigenschaften Modellkomponenten Segmentmodell des Menschen: Hanavan, Skelett Geometrie und Materialeigenschaften des Muskels: Ansatzpukte, Muskel/Sehnen-Länge, Maximalkraft, … Kraftentwicklung des Muskels auf Grund von Länge, Dehnungsgeschwindigkeit und Aktivierung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 3 Muskel aus Grays Anatomy In Simulation Starke Vereinfachungen Zusammenfassen von Muskeln zu Muskelgruppen Nur beteiligte Muskel werden modelliert Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 4 2 Sehnen In Simulation Starke Vereinfachungen Ein Muskel hat mehrere Sehnen Umlenkung durch Bänder und Knochen aus Burger (2004) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 5 2D Skifahrer mit Muskel im Bein Skifahrermodell: m. iliopsoas 4 Segmente 8 Muskelgruppen mm. glutei m. rectus femoris mm. vasti mm. ischiocrurales m. gastrocnemius m. tibialis anterior m. soleus aus Kaps et al (2000) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 6 3 Muskel: Teilmodelle Aktivierung (kurz) a mit 0 ≤ a ≤ 1 0 keine Aktivierung, 1 maximale Aktivierung Stimulierung durch Nervenimpulse Ca-Transport Muskelkraft (genau) siehe folgende Folien Ermüdung (nicht behandelt) Abfall der Aktivierung bei andauernder Stimulierung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 7 Muskel: Aktivierung zeitlicher Verlauf einer isometrischen Kontraktion 1 s für den Anstieg bis zur maximalen Aktivierung dann konstante Akitvierung aus: Burger (2004) dauert länger als viele sportliche Bewegungen Vorwegnahme von Bewegungen Anspannen der Muskeln bereits vor der Belastung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 8 4 Muskel: Aktivierung - Modell a Muskelaktivierung u Muskelstimulierung durch Nerven u = 0 keine Stimulierung u = 1 volle Stimulierung da = (u − a)(3.3u + 16.7) ~ 18(u − a ) dt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 9 Muskel: modellierte Einheiten Kontraktiles Element (CE, K) Muskelfaser, eigentlich nur die Muskelfibrillen aktiv, erzeugt die Kraft Parallel Elastisches Element (PEE, B) Bindegewebe im Muskel passiv, Widerstand gegenüber Formveränderung Seriell Elastisches Element (SEE, S) Sehne passiv, wie bei B Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 10 5 Muskel: Kontraktionsarten Isometrische Kontraktion Muskellänge bleibt konstant Muskel aktiviert und erzeugt Kraft Konzentrische Kontraktion Aktive Kontraktion bewirkt Verkürzung des Muskels Exzentrische Kontraktion Äußere Kräfte dehnen Muskel entgegen Kontraktionsbewegung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 11 Muskel: Hill-Modell Grundbeziehungen LK = LB LM = LK + LS FK + FB = FS FM = FS K B CE SEE PEE S LCE LM FM wird über Sehnen auf Segmente (Knochen) übertragen Eventuell weitere Reaktionskräfte bei Umlenkpunkten (z.B.: Kniescheibe auf Knie) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 12 6 Muskel: Bezeichnungen LK, VK = L’K Länge und Dehngeschwindigkeit des kontraktilen Element V>0 Dehnung V<0 Kontraktion LK ist die Länge der Muskelfaser quergestreifte Muskulatur, Anstellwinkel F = FK( LK, VK, a ) erzeugte Kraft im kontraktilen Element In Klammer Angabe, dass die erzeugte Kraft FK von der Länge LK, der Dehngeschwindigkeit VK und der Aktivierung a abhängt analog für B (Bindegewebe) und S (Sehne) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 13 Muskelkräfte: Daten FMAX LKopt W PB0 LS0 l0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 aus: McLean et al (2003) LB0 = LKopt ·PB0 l0 r1-r6 kS = FMAX / (0.04·LS0)2 kB = FMAX / (W·LKopt)2 VMAX = 10·LKopt VL: kS = 47.4 MPa kB= 0.67 MPa VMAX = 0.84 m/s Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 14 7 Hill-Modell: Sehnen Kraft sobald Sehne gespannt Kraftanstieg quadratisch LS0 0 FS ( LS ) = 2 k S ⋅ ( LS − LS 0 ) FMAX = F(1.04 LS0) kS = LS LS < LS 0 LS > LS 0 FMAX bei 4% Sehnendehnung Fmax (0.04 ⋅ LS 0 ) 2 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Hill-Modell: Sehnen 15 aus: Schmitt (2006) Sehne: zuerst quadratischer Anstieg, dann linear Anstieg Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 16 8 Sehnen Vastus Lateralis (VL) FMAX=1870 N, LS0=0.157 m kS = 1870 / (0.04·0.157)2 = 47.4 MPa Belastung von 4 kN auf Strecker der Oberschenkelmuskulatur. Gleichmäßige Belastung beider Beine und der beteiligten Muskeln. FOS = 4 kN, FVL = ? Anteil: 1870 / (780+1870+1295+1235) / 2 = 18% FVL = 0.18·4000 = 720 N Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Sehnen 17 Vastus Lateralis (VL) Gesucht Länge der S des VL bei einer Belastung von FVL = 720 N 720 = 47.4·106·(LS-0.157)2 LS = 0.161 m ∆LS = 4 mm bzw. 2.5% Sehnen dehnen sich wenig LM ≈ LS0+LK Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 18 9 Hill-Modell: Bindegewebe Kraft sobald Muskelbauch gespannt Kraftanstieg quadratisch LB0 0 FB ( LB ) = 2 k B ⋅ ( LB − LB 0 ) mit LB0 = PB0·LKopt und LB LB < LB 0 LB > LB 0 kB = Fmax (W ⋅ LKopt ) 2 FMAX wird bei Dehnung von W·LKopt erreicht, also bei Länge LB = (PB0+W)·LKopt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Bindegewebe 19 vgl. Beispiel SEE Vastus Lateralis (VL) FMAX=1870 N, LKopt=0.084 m, W=0.627, PB0=1.32 kB=FMAX/(W·LKopt)2 = 0.67 MPa LB0=PB0·LKopt=0.111 m Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 20 10 Bindegewebe vgl. Beispiel SEE Vastus Lateralis (VL) Belastung FVL = 720 N wie vorhin. Gesucht Länge des B des VL bei FB=FVL und FB=FVL/2 720=0.67·106·(LB–0.111)2 LB = 0.144 m ∆LB = 33 mm bzw. 23% 360=0.67·106·(LB–0.111)2 LB = 0.134 m ∆LB = 23 mm bzw. 17% Tatsächliche Dehnung hängt von der Kraftentwicklung des kontraktilen Elementes ab! Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 21 Muskel: Länge Muskel-Länge LM=l0+r1·φ LK=LB≈LM–LS0 LS≈LS0 φ=θ3-θ2 l0 Länge des Muskels bei gestrecktem Gelenk (φ=0) r1 Hebelarm/Radius des Gelenks Strecker r1 > 0, Beuger r1 < 0 φ Winkel im Gelenk (rad) φ (rad) φ (°) · (3.14/180) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 aus: Seth et al (2008) 22 11 Muskellänge: Strecker Muskel wird länger: r1 > 0 ! L = l0 Muskel wird kürzer: r1 < 0 ! L = l0+r1·φ l0 … Muskellänge r1 … Gelenksradius Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 23 Muskel: Dehngeschwindigkeit Muskel-Dehngeschwindigkeit LM=l0+r1·φ VM=r1·ω, ω=φ′ LK≈LM–LS0 VK≈VM ω Winkelgeschwindigkeit im Gelenk (rad/s) Näherung: ω=(φ2–φ1)/∆t Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 24 12 Niedersprung Vastus Lateralis (VL) Kniewinkel φ Stand φ=0° Hocke φ=90° Muskellänge l0=0.2023 m Knieradius r1=0.043 m Niedersprung in 0.2 s Beugung des Knie von 30 auf 120° Bestimme LM, LK und VK für 30, 60, 90 und 120° Bei welchem Winkel ist LK gleich LKopt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Niedersprung 25 Vastus Lateralis (VL) φ (°) φ (rad) LM (m) LK, LB (m) LS (m) 30 0.52 0.225 0.067 0.157 60 1.05 0.247 0.090 0.157 90 1.57 0.270 0.113 0.157 120 2.09 0.292 0.135 0.157 LKopt = LK = l0+r1·φ–LS0 φ = (LKopt+LS0–l0)/r1 φopt = 0.90 rad bzw. 51.5° φopt ist etwas größer, da LS>LS0 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 26 13 Niedersprung Vastus Lateralis (VL) φ1=30°, φ2=120°, ∆t=0.2 s, r1=0.043 m ω=(φ2-φ1)/∆t VM=r1·ω ω=(120–30)·(3.14/180)/0.2=7.8 rad/s VM=VK=0.043·7.85=0.33 m/s momentane Geschwindigkeit steigt stärker an beachte: VMAX=0.85 m/s Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 27 Russisprung in Lillehammer Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 28 14 Landebewegung Russisprung Zeiten * 10 ! Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 29 Kniewinkel Russisprung Kniewinkel (links) bei Landebewegung Winkel, Winkelgeschwindigkeit und Muskeldehngeschwindigkeit (rechts) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 30 15 Radfahren Tour de France Zielsprint Trittfrequenz 110 U/min, Winkelbereich ∆φ=90° Knieradius r1=0.043 m ω=(φ2-φ1)/∆t VM=r1·ω ½ Umdrehung in (60/110)/2 = 0.27 s ω = (90·3.14/180)/0.27 = 5.7 rad/s VM = VK = 0.043·5.76 = 0.24 m/s Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 31 Hill-Modell: Kontraktiles Element Muskelkraft hängt von Länge LK, Dehngeschwindigkeit VK und Aktivierung a ab F = FISO( LK )·G( VK )·a FISO(LK) G(VK)<1 G(VK)=1 G(VK)>1 a isometrische Kraft konzentrische Kraftabnahme für VK<0 isometrische Kraft für VK=0 exzentrische Kraftzunahme für VK>0 Aktivierung, eigene Modelle, bei uns a=1 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 32 16 Kraft-Länge Beziehung aus Yamaguchi Die wesentlichen Eigenschaften der F-L Beziehung ergeben sich aus dem mikroskopischen Aufbau ! Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 33 Kraft-Geschwindigkeit Beziehung aus Yamaguchi Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 34 17 Einfluss der Aktivierung aus Yamaguchi Aktive Muskelkraft ist proportional der Aktivierung Passive Muskelkraft ist unabhängig der Aktivierung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 35 Hill-Modell: isometrische Kraft FK Modell: Parabel FMAX maximale isometrische Kraft bei Muskel(faser)länge LKopt LKopt optimale Muskel(faser)länge W beschreibt Breite der Parabel LKopt LK 2·W·LKopt L −L Kopt FISO ( LK ) = FMAX ⋅ 1 − K W ⋅L Kopt 2 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 36 18 Isometrische Kraft Vastus Lateralis (VL) φ Kniewinkel LM=l0+r4·φ, l0=0.2023 m, r4=0.043 m FMAX=1870 N, LKopt=0.084 m, W=0.627 Bestimme FISO bei 30, 60, 90 und 120° LK(ϕ)=0.067, 0.090, 0.113, 0.135 siehe Folie 26 FISO(30°)= 1870·(1-((0.067–0.084)/(0.627·0.084))2)=1693 N FISO(60°)=1843N, FISO(90°)=1309N, FISO(120°)=92N Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Isometrische Kraft 37 vgl. Beispiel SEE Vastus Lateralis (VL) FISO(120°)=92 N ist sehr klein – versagt Modell? FB(120°) = 0.67·106·(0.135–0.111)2=399 N FVL = 92+399 = 491 N Bei großer Muskeldehnung hauptsächlich passive Krafterzeugung! Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 38 19 Isometrische Kraft Beiträge anderer Muskel φ = 120° aktiv passiv gesamt φ = 135° aktiv passiv gesamt 2·1005 N 2·1281 N 2·2286 N 2· 387 N 2·2429 N 2·2816 N 120° LM LK FISO FB FM VL 0.292 0.135 92 371 463 VM 0.265 0.139 252 404 656 VI 0.273 0.137 178 210 388 RF 0.505 0.159 483 296 779 135° LM LK FISO FB FM VL 0.303 0.147 0 813 813 VM 0.276 0.150 0 749 749 VI 0.285 0.149 0 474 474 RF 0.516 0.170 387 393 779 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Hill-Modell: Isometrische Kraft 39 aus: Schmitt (2006) Isometrische Kraft: verschiedene Formen der “Parabel” ev. auch Messkurven Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 40 20 Hill-Modell: Kontraktiles Element Muskelkraft hängt von Länge LK, Dehngeschwindigkeit VK und Aktivierung a ab F = FISO( LK )·G( VK )·a FISO(LK) G(VK)<1 G(VK)=1 G(VK)>1 a isometrische Kraft konzentrische Kraftabnahme für VK<0 isometrische Kraft für VK=0 exzentrische Kraftzunahme für VK>0 Aktivierung, eigene Modelle, bei uns a=1 Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 41 Hill-Modell: konzentrische Verkürzung G Hill Gleichung (1938) G (VK ) = VMAX + VK VMAX − VK / A Hyperbelast für VK<0 0<G(VK)<1 Kraftabnahme vK VK=0 G=1 isometrische Kraft VK=-VMAX G=0 Kraft gleich 0 A = 0.25, VMAX = 10·LKopt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 42 21 Max. Verkürzungsgeschwindigkeit Bei voller Aktivierung: VMAX = 10·LKopt nicht voll stimulierte Muskel haben eine kleinere max. Verkürzungsgeschwindigkeit Chow & Darling (1999) The maximum shortening Velocity of Muscle should be scaled with activation VMAX(a)= VMAX(1)·(1-0.44·(1-a)) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 43 Hill-Modell: exzentrische Streckung G G (VK ) = GMAX ⋅ VK + VMAX ⋅ B VK + VMAX ⋅ B Hyperbelast für VK>0 1<G(VK)<GMAX, Kraftzunahme vK VK=0 G=1 isometrische Kraft VK=∞ G=GMAX Kraft gleich GMAX·FISO GMAX=1.5, B=0.05 Beachte: wird VK sehr groß, so muss G abnehmen Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 44 22 Hill Modell Vastus Lateralis (VL) LM=a0+a4·φ, l0=0.2023 m, r4=0.043 m FMAX=1870 N, LKopt=0.084 m, VMAX=0.84 m/s W=0.627, LS0=0.157 m, LB0=0.111 kS=47.4 MPa, kB=0.67 MPa Bestimme LM, LK, FISO, FK, FB, FS, FM bei 30, 60, 90, 120, 90, 60 und 30°mit den dazugehörenden Dehngeswindigkeiten von +0.3, +0.2, +0.1, +0, -0.07, -0.14 und -0.21 m/s Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 Hill Modell: Beispiel 45 Vastus Lateralis (VL) φ LM LK FB FISO VK G FK FS 30 0.225 0.068 0 1693 0.3 1.438 2436 2436 60 0.247 0.090 0 1843 0.2 1.413 2604 2604 90 0.270 0.113 2 1309 0.1 1.352 1770 1772 120 0.292 0.135 399 92 0.0 1.000 92 491 90 0.270 0.113 2 1309 -0.07 0.688 900 902 60 0.247 0.090 0 1843 -0.14 0.500 921 921 30 0.225 0.068 0 1693 -0.21 0.375 634 634 FK = FISO·G, FS = FK+FB, FM = FS Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 46 23 Landen: Russisprung in Lillehammer Links: Rechts: VL ϕ (rot), ω (grün), VM (blau) FISO (blau), G (grün), FK (rot), FB (magenta), FM (schwarz) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 47 Simulation mit Muskel: Laufen Hamner et al. (2010) Muscle contribution to propulsion and support during running Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 48 24 Simulation mit Muskel: Laufen 1 Proband: L = 1.83 m, m = 65.9 kg, v = 3.96 m/s (252 s/km, Cooper 2850 m) Datenerfassung: Motion Capture: 6 Kameras, 41 Marker, 60 Hz (Motion Analysis) Laufband mit Kraftmessplatte, 600 Hz (Bertec) EMG Daten von 8 Muskeln, 600 Hz (Nortec) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 49 Simulation mit Muskel: Laufen Simulation mittels OpenSim 12 Segmente, 29 Freiheitsgrade Segmentmodell von de Leva Anpassung an anthropometrische Daten Bewegungsgleichungen Muskeldynamik (92 Muskel) Anpassung an gemessene Bewegung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 50 25 Simulation mit Muskel: Laufen Ergebnis: Simulation Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 51 Simulation mit Muskel: Laufen Validierung der Bewegung ----- Messung - - - Simulation Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 52 26 Simulation mit Muskel: Laufen Richtung der Muskelkräfte Quadrizeps - nach oben - bremst Soleus - nach oben - beschleunigt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 53 Simulation mit Muskel: Laufen Hamner et al. (2013) Muscle contribution to fore-aft and vertical body mass center accelerations over a range of running speeds Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 54 27 Simulation mit Muskel: Laufen 10 Probanden: L = 1.77±0.04 m, m = 70.9±7 kg, Alter 29±5 y v = 2,3,4,5 m/s, erfahrene Läufer: 50 km/Woche Vorgangsweise ähnlich zu vorherigem Artikel Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 55 Simulation mit Muskel: Laufen Ergebnis: Simulation bei 2,3,4,5 m/s Aktivierungslevel des Muskels blau keine Aktivierung rot volle Aktivierung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 56 28 Simulation mit Muskel: Laufen Veränderung von Laufparametern zw. 2 und 5 m/s: Schrittweite verdoppelt sich Schrittdauer, Standdauer nimmt ab Flugphase nimmt zu Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 57 Simulation mit Muskel: Laufen Veränderung der Beiträge diverser Muskel Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 58 29 Simulation mit Muskel: Laufen Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 59 Bestimmung von Muskelparametern Untersuchungen an Leichen Geometrieeigenschaften: Röntgen, MRT, CT, … Isometrische Kraftmessungen Tierversuche, zum Teil an lebenden Objekten Identifizierung von Muskeldaten durch Simulation Nigg et al, Calgary Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 60 30 Anpassung von Muskelparametern Skalierung von Muskelparametern durch Körper-/Segment-Größe und –Masse (Regressionsgleichungen, Tabellen) Körpergröße Segment-/Knochen-Länge optimale Muskel-/Sehnen-Länge Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 61 Anpassung von Muskelparametern Segmentumfang Segmentradius Segmentfläche physiologischer Querschnitt eines Muskels Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 62 31 Anpassung von Muskelparametern Isometrische Kraft ist proportional Querschnitt des Muskels FMAX = 25-40 N/cm2·PCSA PCSA physilogischer Muskelquerschnitt in cm2 Anwendung: Skifahrer mit kräftigem OS: ROS=11.1 cm, AOS=390 cm2 UOS=70 cm VL 20% des OS AVL=78 cm2, FMAX=30·78=2.3 kN Quadrizeps (VL+VM+VI+RF) 56% des OS:FMAX=30·218=6.5 kN Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 63 Datenbanken zum Thema Muskeln Medizinisch, anatomische Information http://www.kinesiology.net/muscle1.asp Allard et al (1995) 3-D Analysis of Human Movement Kapitel 11 und de Leva, J Biomech (1996) Vol 29 Sammlung und Implementierung dieses Wissens in Biomechanischer Software Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 64 32 Software zum Thema Muskeln SIMM Software-Package von MusculoGraphics, Inc. / Motion Analysis Corporation basiert auf SD/FAST zur automatisierten Erstellung von Quellode für Bewegungsgleichungen SIMM erweitert SD/FAST durch Muskeldynamik Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 65 Kräfte im Knie Herzog & Read (1993) Lines of Action and Moment Arms of the Major Force-Carying Structures Crossing the Human Knee Joint Untersuchung an 5 Leichen im Alter von 80 J Wirkunsrichtung der Kraft und Hebelarm bzgl. tatsächlicher Drehachse im Knie Patellasehne Bizeps Femoris, Semitendinosus, Semimembranosus Anterior, Posterior, Lateral und Medial Cruciate Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 66 33 Kräfte im Knie: Patellasehne Kraftrichtung Momentarm Herzog & Read 1993 β = -74.4-0.057·θ-0.05·θ2 (°) d = 4.71+0.04· θ-0.01·θ2 (cm) (-90°= senkrecht) (bzgl. Drehachse) Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 67 Belastungen im Knie Mizumo, 2009 Untersuchung mit Kadaverknieen 5 Männer / 5 Frauen Allgemeiner Lastfall ! Belastungen “gering“ damit viele Messwiederholungen möglich Messung: ACL strain vs knee load Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 68 34 Belastungen im Knie Mizumo, 2009 Ergebnis: Regressionsgleichung ACL Dehnung vs Kniebelastung Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 69 Belastungen im Knie Blankevoort et al., 1991 komplettes Kniemodell 4 Kadaverknie Bestimmung der Flächen Ansatzpunkte und Längen der Teilbänder, Kraft-Längen Beziehung Kontaktkräfte der Knorpelflächen Damit: Bestimmung der Belastung bei verschiedenen Stellungen des Knie Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 70 35 In Vivo Messungen Austin et al (2010) In Vivo Operational Fascile Length of Vastus Lateralis During Sub-Maximal and Maximal Cycling In Vivo Messung Muskelfaserlänge VL gegen Quadrizepskraft Messprinzipien: Ultraschall und Biodex Dynamometer 15 Männer, 20.9 Jahre, 67 kg Radfahren bei 50 und 80 U/min Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 71 In Vivo Messungen: Quadrizepskraft Mittels Dynamometer wird das maximale Moment durch Quadrizeps bestimmt (isometrische Messung) Momentarm im Knie Herzog & Read (1993) Qadrizepskraft = Moment / Momentarm Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 72 36 In Vivo Messungen: Muskelfaserlänge Mittels Ultraschall wird unter Belastung die Faserlänge, der Fiderungswinkel und die Dicke des Muskels bestimmt Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 73 In Vivo Messungen: L_K,VL—F_Q Muskelfaserlänge des Vastus Lateralis gegen gesamte Quadrizepskraft ϕ=70° ϕ=100° FMAX,Q = 4780 N FMAX,VL = 1725 N LKopt = 9.3 cm ϕopt = 70° ϕ=10° Flanken deutlich flacher als bei Parabel im Modell vgl. McLean: FMAX,Q=5180 N, FMAX,VL=1870 N, LKopt=8.7 cm Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 74 37 In Vivo Messungen: Anwendung 50 rpm 80 rpm Bei hohen Wattzahlen arbeitet Muskel im optimalen Bereich Längenänderung der Muskelfaser sinkt mit steigender Umdrehungszahl Aktuelle Forschung in der Biomechanik, WS 2015/16 75 38
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