20. Juli 2020

Die Biomechanik des Laufens mit unterschiedlichen Sohlentechnologien

U-TECH Nevos von True Motion mit dem U-förmigen, in sich runden Element im Rückfuß, der Biomechanik der plantaren Bänder nachempfundenen Verbindung von Rück- und Vorfuß und der hufeisenartigen Struktur im Vorfuß. Foto: Brüggemann
GERT-PETER BRÜGGEMANN | EVA HIRSCHHÄUSER | TANJA ESSER
 
Zusammenfassung:
Zwei neue Paradigmen, die „Minimierung von Kräften und Drehmomenten in den sekundären Bewegungsebenen an Knie- und Sprunggelenk“ und die „Verbesserung der Effizienz der Muskelarbeit an Sprung- und Kniegelenk beim Laufen“, wurden mit dem Ziel entwickelt, nicht notwendige und unphysiologische Belastungen insbesondere des Kniegelenks zu reduzieren und damit zur Reduktion des Verletzungsrisikos beizutragen sowie bei einer Verbesserung der Leistung und der Leichtigkeit des Laufens zu helfen. Die Wirksamkeit der technischen Lösung U-TECHTM wird durch eine biomechanische Vergleichsstudie der neuen U-TECHTM Technologie mit zwei etablierten, konventionellen Laufschuhtechnologien (Neutral, Support) nachhaltig untersucht. Dazu werden zweiunddreißig Läufer in ihrem individuellen Trainingstempo mittels 3D Bewegungsanalyse kinematisch und kinetisch in drei unterschiedlichen Laufschuhen bei jeweils mehr als 80 Laufschritten analysiert. Am Kniegelenk wird die Kinematik der Sekundärebenen (Frontalebene und Transversalebene; Adduktion und Innenrotation) durch die U-TECHTM Technologie signifikant (p<0,05) reduziert; insbesondere am Sprunggelenk kann die sagittale Kinematik dahingehend beeinflusst werden, dass die Plantarflexoren in günstigeren Längen ihrer Muskel-Sehnen-Einheiten und vor allem mit reduzierten Verkürzungsgeschwindigkeiten arbeiten. U-TECHTM beeinflusst und reduziert signifikant die internen Gelenkmomente am Kniegelenk sowohl in Frontal- als auch der Transversalebene. Zudem gelingt gegenüber den konventionellen Schuhtechnologien eine Reduktion der negativen und positiven mechanischen Arbeit an Sprung- und Kniegelenk und letztlich eine Verringerung der metabolischen Kosten während der Standphase beim Laufen. Weiterhin konnten geringere Belastungen an Knie- und Sprunggelenk und damit auch an der Achillessehne gegenüber konventionellen Laufschuhtechnologien gezeigt werden.
2018 brachte die neue deutsche Laufschuhmarke True Motion mit der U-TECHTM Technologie ein neues, biomechanisch fundiertes und bionisch basiertes Konzept in die Diskussion und kam mit der technischen Lösung U-TECHTM im Juni 2019 in Form des U-TECH Nevos auf den deutschen Markt. Mit den Paradigmen „Minimieren nicht-vortriebswirksamer Kräfte und Drehmomente an Sprung- und Kniegelenk“ und „Optimierung der Effizienz der Muskelarbeit“ soll es gelingen, (1) übermäßige Belastungen beim Laufen vor allem am Kniegelenk systematisch zu reduzieren und gleichzeitig (2) Leistung, Komfort und die Leichtigkeit des Laufens zu verbessern. Es ist ein konsequenter Paradigmenwechsel, nachdem die überkommenen Konzepte („Dämpfung“ und „Pronationskontrolle“) zu keiner nachweisbaren Verbesserung der Verletzungshäufigkeit geführt haben und auch Leistung und Komfort weder nachhaltig noch systematisch verändern konnten. Mit dem Leitgedanken „Kontrollieren des Kraftangriffspunktes“ mittels geeigneter Mittelsohlenkonstruktionen und -materialien unter der Mittelachse des Fußes und damit unter dem Sprung- und Kniegelenk, erhielt der erste Schuh von True ­Mo­tion – noch bevor der Schuh überhaupt im Handel war – den ISPO Award des besten Laufschuhs des Jahres 2019. Durch die Zentrierung des Kraftangriffspunktes unter Sprung- und Kniegelenk sollen sowohl in der Frontalebene als auch in der Transversalebene die Hebel der Bodenreaktionskraft zu den Gelenken minimiert werden. Damit wird die Ursache übermäßiger Drehmomente – wie dies durch konventionelle Sohlenkonzepte  forciert wird – eliminiert. Die kontrollierte Abwicklung des Kraftangriffspunktes vom Rückfuß zum Vorfuß mittels der U-TECHTM Technologie und das neue U-TECHTM Foam mit weich-elastischen Materialeigenschaften gestattet weiterhin eine optimale und energetisch günstige Nutzung der Antriebsmuskeln von Sprung- und Kniegelenk und macht das Laufen leichter und weniger ermüdend. Erstmalig für den technischen Laufschuh liegen jetzt ein auf Paradigmen basiertes Konzept und eine technische Lösung vor, welche nun auch empirisch evaluiert und damit auf Evidenz geprüft wurden.
 
Ziel der biomechanischen Evaluation von Laufschuhtechnologien 
Zur wissenschaftlichen Evaluation der Wirksamkeit der U-TECHTM Technologie wurden umfangreiche biomechanische Untersuchungen und Trageversuche mit einer großen Zahl an Läufern und Läuferinnen durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse der biomechanischen Studien werden im Folgenden aufgearbeitet und sollen zeigen, was anders ist und was wirklich dran ist an dieser Innovation U-TECHTM. Die neue U-TECHTM Mittelsohlentechnologie von True Motion ist designed, um den Kraftangriffspunkt (KAP) zunächst nach dem Fußaufsatz unter dem Sprunggelenk zu zentrieren und im Anschluss unter der Mittellinie des Fußes zum Vorfuß zu führen. Damit sollen die Drehmomente in der Frontalebene und auch in der Transversalebene am Sprunggelenk und vor allem am Kniegelenk gegenüber den traditionellen Mittelsohlentechnologien reduziert und so die nicht-vortriebswirksamen Kräfte und Momente verringert werden. Mit Verwendung des neuen U-TECHTM Foam und einer an den biologischen Lösungen der menschlichen Ferse orientierten Sohlengestaltung (ringartige Weichteilstruktur um Fersenbein; Abbildung 2) 3-T MRT eines linken Fußes unter axialer Last. Die ringartige Weichteilstruktur, die das schmale Fersenbein umschließt, war Vorbild für die technische Lösung der U-TECHTM Technologie zur Zentrierung des Kraftangriffspunktes unter dem Sprunggelenk beim Fußaufsatz. Dargestellt ist ein linker Fuß mit Sicht (A) von hinten und (B) von oben. Foto: Brüggemannwird der KAP unmittelbar nach Krafteinleitung bei der Landung des Fußes wie bei einer mechanischen Kalotte in das Zentrum der U-förmigen Konstruktion der Sohle gedrängt. Die technische Lösung gleicht einem Trampolin, dessen Rahmen zusätzlich weich-elastisch ist und damit elastische Energie in erheblicher Menge aufnehmen, speichern und zur gegebenen Zeit an den Fuß zurückgeben kann. Neben der Zentrierung des KAP und seiner funktionellen Führung vom Rückfuß zum Vorfuß gelingt durch Material und Konstruktion eine Reduktion der kinetischen Energie des Läufers und vor allem des stützenden Beins in der frühen Standphase mit dem Ergebnis, dass die Antriebe um das Sprunggelenk und das Kniegelenk und damit die Muskel-Sehnen-Einheiten der Plantarflexoren und der Knieextensoren langsamer und in ­einem günstigen Längenbereich der kontraktilen Elemente arbeiten können. Muskeln arbeiten bei geringerer Verkürzungsgeschwindigkeit und bei optimaler Länge effizienter, d.h. bei gegebener Aktivierung erzeugen sie eine größere Kraft oder für eine gegebene Kraft benötigen sie weniger metabolischen Aufwand. Eben diese Effekte der Zentrierung des KAP, der Reduktion der Belastungen der Gelenke der unteren Extremität, der Verbesserung der Effizienz der Muskelarbeit, der Antriebe von Sprunggelenk und Kniegelenk gegenüber konventionellen Laufschuhtechnologien aus der Klasse „Neutral“ („Dämpfen“) und „Support“ („Stützen“) sind experimentell zu zeigen. Als Repräsentanten der Kategorien „Neutral“ und „Support“ wurden die international bestens akzeptierten Laufschuhe der letzten Jahre herangezogen. Für die Kategorie „Support“ wurde der Adrenalin GTS 18 (Brooks) (SB: SUPP_BR) und für die Klasse „Neutral“ der Glycerin 15 (Brooks) (NB: NEUT_BR) gewählt und mit dem U-TECH Nevos von True Motion (UT: UTEC_TM) verglichen (Abbildung 3).
 
Untersuchte Laufschuhe: UT, NB, SB. Foto: Brüggemann
Basierend auf den theoretischen Überlegungen, die zur Entwicklung der ­U-TECHTM Mittelsohle geführt haben und unseren bisherigen Studien zur Wirkung von Mittelsohlentechnologie auf die Verlagerung des Kraftangriffspunktes beim Laufen wurden folgende Hypothesen formuliert: 
(i) Laufen mit UT gestattet dem Läufer mit geringeren internen Abduktions- und Außenrotationsmomenten am Knie und damit mit reduzierten mechanischen Belastungen des Kniegelenks zu laufen. 
(ii) Beim Laufen mit UT werden bei gegebener Laufgeschwindigkeit die Knieextensoren und die Plantarflexoren des Sprunggelenks weniger beansprucht und die muskulären Antriebe effizienter genutzt. Das Laufen wird leichter und eine gegebene Laufgeschwindigkeit kann mit geringerem metabolischem Aufwand absolviert werden.
 

Methodik

Mechanische Eigenschaften der Schuhe
Zunächst wurden die Materialeigenschaften der drei Laufschuhe bzw. ihrer Sohlentechnologie in der jeweiligen Größe US 9,5 mit Hilfe einer Materialprüfmaschine (Zwick Z020) untersucht.  Ein starrer Kunststoffleisten wurde in die jeweiligen Laufschuhe eingebracht und der Schuhboden Kraft-gesteuert über die Prüfmaschine mit einer konstanten Kompressionsgeschwindigkeit von 16 mm/s komprimiert. Drei Lastfälle wurden bei Berücksichtigung der beim Laufen auftretenden Kräfte und den Bereich ihrer Krafteinleitung berücksichtigt. Für alle Kraftfälle konnte die Weichheit oder Nachgiebigkeit der Sohlen und ihre Elastizität gemessen werden. Damit konnte die in der Sohle in den drei unterschiedenen Arealen gespeicherte elastische Energie (Weichheit) und der Betrag der Energierückgabe (Elastizität; Energy Return) bzw. der Energieverlust realitätsnah quantifiziert werden.
Verlauf des Kraftangriffspunktes (ay) (grau gefüllte Kreise) und der vertikalen Bodenreaktionskraft (Fz) (nicht gefüllte Kreise) während der Standphase beim Laufen. Es können drei Areale unterschiedlicher Krafteinleitung (Kraftgesetze) am Rückfuß (RF), Mittelfuß (MF) und Vorfuß (VF) identifiziert werden. Foto: BrüggemannBeim Laufen mit Landung auf dem Rückfuß (über 95% der Läufer landen zuerst auf dem Rückfuß [Shorten et al. 2017]) befindet sich der Kraftangriffspunkt und damit das Zentrum der Krafteinleitung zunächst unter dem Rückfuß, um nach ca. 30% der Standphase unter den Mittelfuß bewegt zu werden. Erst bei etwa 60% der Standphase wandert der KAP auf den Vorfuß. Bemerkenswert ist die unterschiedliche Größe der wirkenden Kräfte in den drei Phasen. Abbildung 4 erläutert den Verlauf des Kraftangriffspunktes von Rückfuß zum Vorfuß und die entsprechenden wirkenden Kräfte. In der ersten Phase finden sich vertikale Kräfte vom bis zum 15-fachen der Körpermasse also von weniger als 1500 N. Die zweite Phase mit einer Lage des Kraftangriffspunktes unter dem Mittelfuß zeigt die größten Kräfte vom ca. 25-fachen der Körpermasse und damit von bis zu 2000 N. Konsequent wurden Energiespeicherpotential und Energierückgabe bzw. Energiedissipation für alle drei Lastszenarien mit den entsprechenden Kraftgesetzen für die Laufschuhe UT, NB und SB bestimmt. 
 
Bewegungsanalyse
32 Läufer (16 Männer, 16 Frauen) und damit 64 einzelne Beine wurden im biomechanischen Lauflabor des Instituts für Funktionelle Diagnostik Köln (IFD Cologne) auf der instrumentierten Laufbahn und auf dem Laufband bei individuell standardisierter Trainingsgeschwindigkeit untersucht. Insgesamt wurden pro Schuhbedingung und Läufer über 80 Einzelschritte (Bodenkontaktphasen) pro Bein analysiert. Die Körpermasse der untersuchten Probanden betrug 70,6 ± 13 kg bei einer Spanne von 53 kg bis 100 kg. Die individuellen Laufgeschwindigkeiten zeigten eine Spannbreite von 8 bis 13,8 km/h und kennzeichneten damit das Profil des normalen Läufers. Die individuelle Laufgeschwindigkeit wurde mit Lichtschranken kontrolliert und mit ±0,1 m/s konstant gehalten. Die Probanden liefen die drei Schuhe UT, NB und SB in randomisierter Reihenfolge. Vierzehn Infrarotkameras erfassten die Läufer mit einer Bildwechselfrequenz von 200 Hz (Qualisys). Vierzig retroreflektierende sphärische Marker wurden an anatomischen Landmarken und als Cluster auf Ober- und Unterschenkel aufgebracht. Zwei in die Laufbahn integrierte 6-Komponenten-Kraftmessplattformen (900x600 mm; AMTI) erlaubten die Messung der drei Komponenten der Bodenreaktionskräfte, der Lage des Kraftangriffspunktes und des freien Momentes um die Hochachse mit einer Abtastrate von 2000 Hz. Für Sprunggelenk, Kniegelenk und Hüftgelenk wurden die Gelenkwinkel und Winkelgeschwindigkeiten in allen drei Gelenkebenen berechnet. Zur Bestimmung der Länge und Längenänderung der Muskel-Sehnen-Einheiten der großen Antriebsmuskeln von Sprunggelenk (M. Soleus, Mm. Gastrocnemius medialis und lateralis) und Kniegelenk (M. Vastus laterais, M. Bizeps femoris, langer Kopf) wurde auf die etablierten Regressionsmodelle von Hawkins und Hull (1990) zurückgegriffen. Unter Verwendung invers dynamischer Modellierung erfolgte die Bestimmung der externen Drehmomente an Sprunggelenk, Kniegelenk und Hüftgelenk in allen drei Gelenkebenen, aus denen auf die internen Momente geschlossen wurde. Zusätzlich wurden für die drei Gelenke die positive und negative Arbeit und Leistung in der Sagittalebene berechnet. Alle Daten wurden auf die Dauer des Bodenkontaktes eines Schritts zeitnormalisiert. Variablen der Bodenreaktionskraft, der Gelenkmomente, der Gelenkarbeit und der Gelenkleistung wurden zudem auf die Körpermasse der Probanden normalisiert, um überindividuelle Vergleiche zuzulassen. Für die statistische Analyse wurden für alle Variablen Mittelwerte und Standardabweichungen (MW±SD) sowie die 95% Konfidenzintervalle berechnet. Um die biomechanischen Variablen zwischen den Schuhbedingungen zu vergleichen, wurde die Varianzanalyse (ANOVA) mit Messwiederholung angewandt. Für den paarweisen Vergleich zwischen den Mittelsohlen nutzten wir Bonferroni korrigierte gepaarte t-Tests. Zur Abschätzung der Höhe der Effekte zwischen den drei Schuhbedingungen wurde Cohen’s Effektgröße bestimmt und bei ≥0,1 als klein, ≥0,5 als mittel und ≥0,8 als groß bewertet.
 

Ergebnisse 

Materialeigenschaften der Mittelsohlen
Der Kraftangriffspunkt und damit das momentane Zentrum der Krafteinleitung zeigt beim Laufen eine dreiphasige Geschichte vom posterioren Fußaufsatz zum anterioren Verlassen des Bodens und dem Abheben des Fußes (Abbildung 4). Es findet sich ein initialer Bereich über ca. 25% der Standphase, in der die Krafteinleitung über den Rückfuß erfolgt. In den folgenden 75% der Standphase befindet sich das Zentrum der Krafteinleitung zunächst im Mittelfuß, um dann in den restlichen knapp 40% des Bodenkontaktes im Vorfuß zu verweilen. Die vertikale Bodenreaktionskraftkurve verdeutlicht, dass die größten Kräfte über den Mittelfuß eingeleitet werden, wobei zunächst noch Rückfuß und Vorfuß Bodenkontakt haben. Abbildung 5 demonstriert die mechanischen Eigenschaften der drei Mittelsohlentechnologien (SB, NB, UT) an den drei Punkten der Krafteinleitung und zeigt (a) die extremen Unterschiede zwischen den konventionellen Sohlentechnologien (SB, NB) und der U-TECHTM Technologie und (b) die deutlichen Unterschiede der Materialeigenschaften in den drei Arealen (Rückfuß [RF], Mittelfuß [MF], Vorfuß [VF]). Ein hohes Energiespeicherpotential ist vor allem in den Regionen Rückfuß und Mittelfuß sinnvoll, da nur hier die Energieaufnahme bei schnell eingeleiteten Kräften bei der Landung und damit zur Dämpfung genutzt werden kann. Zudem ist in diesen beiden Arealen eine Energierückgabe an den Fuß und damit den Körper des Läufers zweckmäßig.
 
In den drei Arealen (RF, MF, VF) erzeugte Kraft-Deformations-Verläufe für die drei Laufschuhe UT, NB und SB. Die in den Sohlenkonstruktionen gespeicherte und zurückgegebene Energie während der Kompression und Dekompression der Mittelsohlen wurde unter Verwendung der jeweiligen Kraftgesetze in den drei Arealen bestimmt und die Elastizität der Mittelsohlenkonstruktionen aus der Energiedissipation abgeschätzt. Angegeben sind die gespeicherte elastische Energie und die zurückgegebene Energie in % der gespeicherten Energie. Foto: Brüggemann
Die U-TECHTM Technologie ist in der Lage, im Areal Rückfuß 26% mehr Energie zu speichern als NB und 34% mehr als SB. Im Bereich des Mittelfußes sind es 48% mehr gegenüber NB und 81% mehr als SB. Die U-TECHTM Mittelsohle zeigt einen Energiereturn von über 75% in allen Arealen und ist damit den beiden anderen Technologien mit über 10% höherer Energierückstellung deutlich in Bezug auf die Elastizität der technischen Lösung überlegen. Mit über 10 Joule Speicherkapazität hat U-TECHTM zudem das Potential, Energie mit einem signifikanten Betrag (fast 10%) der in der frühen Standphase des Laufens anstehenden mechanischen Energie von knapp 120 Joule zu übernehmen. Damit kann es gelingen, die kinetische Energie des Läufers in dieser Phase um etwa 10% zu reduzieren und ihn zu „entschleunigen“, seine Muskeln etwas langsamer arbeiten zu lassen und die Gelenke weniger zu belasten. 
 
Biomechanik des Laufens
Bei konstanter Laufgeschwindigkeit ist die Wirkdauer der Bodenreaktionskraft und damit die Kontaktdauer zum Boden unterschiedlich zwischen den untersuchten Laufschuhen. Die längere Kontaktdauer bei UT um +3% gegenüber NB und um +1,3% gegenüber SB gibt einen ersten Hinweis auf einen weicheren Aufsatz und eine verlängerte Interaktion des Läufers mit dem Boden. Die maximale vertikale Bodenreaktionskraft ist zwar statistisch signifikant unterschiedlich, die Effektstärken mit 0,06 und 0,26 sind jedoch klein und damit nur von eingeschränkter Relevanz. Die mittlere vertikale Bodenreaktionskraft in den ersten 30% der Standphase zeigt sich hoch signifikant unterschiedlich zwischen den Schuhen. Die Kraft in der frühen Bodenkontaktphase (0 – 30%) findet sich bei UT um 4,9% gegenüber NB und um 6,8% gegenüber SB reduziert. Die hohe Effektstärke und der hochsignifikante Unterschied zwischen den Schuhen geben einen Hinweis auf die deutlich höhere Dämpfung bzw. Energieabsorption durch UT im Vergleich zu den konventionellen Schuhen NB und SB. Dieses Ergebnis wird durch die hoch signifikant reduzierte, maximale Kraftrate, also den Kraftanstieg, gestützt. Die Effektstärke des Unterschiedes von UT zu NB und SB ist groß und mit über 15% geringerem Kraftanstieg bei UT gegenüber NB und 12% gegenüber SB für die Biomechanik der unteren Extremität und den Komfort des Läufers hoch relevant (Tabelle 1).
 
Kontaktzeit und Bodenreaktionskräfte. Die Dauer des Bodenkontaktes sowie die vertikalen und die medio-lateralen Bodenreaktionskräfte sind bei UT (UTECHTM) signifikant unterschiedlich von denen bei NB und SB.  UT signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu UT, NS signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu NB.
Ein wichtiges Ergebnis zeigen die horizontalen Bodenreaktionskräfte. UT demonstriert eine signifikante Reduktion der nicht vortriebswirksamen Kräfte nach medial und nach lateral. Damit gelingt der Technologie von UT, die Querkomponente der Bodenreaktionskraft sowohl nach medial als auch nach lateral um ca. 15% zu reduzieren und den Kraftarm der Bodenreaktionskräfte in der Frontalebene sowohl am Sprunggelenk als auch am Kniegelenk zu verringern. Dieses bildet sich unmittelbar in einer Reduktion des externen Adduktionsmomentes am Knie und folglich auch des internen Abduktionsmomentes durch die U-TECHTM Technologie ab (Tabelle 2).
 
Exemplarische Darstellung der Interaktion zwischen Schuhsohle und Boden (Maximaldruck) während der ersten 60% der Standphase A) 10% der Standphase, B) 20% der Standphase, C) 30% der Standphase, D) 40% der Standphase, E) 50% der Standphase und F) 60% der Standphase. Die vertikalen Linien zeigen die Mittelachse des Fußes. Die drei Schuhe (UT, NB, SB) sind unmittelbar nebeneinander jeweils zum gleichen Zeitpunkt dargestellt. Die weißen Kreise kennzeichnen die aktuelle Lage des KAP. Unterschiede in medio-lateraler wie auch postero-anteriorer Richtung (von unten nach oben) zwischen den Schuhen werden deutlich. Die dünnen horizontalen Hilfslinien zeigen den pa KAP Lage für UT. Die ml Ausrichtung des KAP demonstriert die Zentrierung des KAP unmittelbar nach Landung (10%) bis zur Maximalbelastung. Foto: Brüggemann
Das Konzept des Zentrierens und Kontrollierens des Kraftangriffspunktes verdeutlicht Abbildung 6, die exemplarisch die Interaktion zwischen Boden und Schuhsohle für die ersten 60% der Standphase mittels der Maximaldruckdarstellung zusammen mit der aktuellen Lage des KAP demonstriert. Dem Schuh UT gelingt vor allem im ersten Teil des Bodenkontaktes, den Kraftangriffspunkt gegenüber NB und SB näher unter der Mittelachse des Fußes zu führen.  Auffällig ist zudem die langsamere Vorwärtsbewegung des KAP nach dem Fußaufsatz und der deutlich längere Verbleib des KAP bei UT unter dem hinteren Teil des Fußes. Damit wird in der Sagittalebene der Hebel der Bodenreaktionskräfte zum Sprunggelenk in der ersten Hälfte der Standphase gegenüber den herkömmlichen Sohlentechnologien reduziert.  Abbildung 7 erläutert durch die Darstellung der Mittelwerte des medio-lateralen Abstandes des Kraftangriffspunktes von der Fußmittelachse die medio-laterale Zentrierung und verdeutlicht die signifikant größere Nähe des KAP zu den Gelenkmittelpunkten bei UT gegenüber den Vergleichsschuhen während der gesamten Standphase. Damit gelingt es, die Hebel der Bodenrektionskräfte in der Frontalebene, insbesondere am Kniegelenk, zu verkleinern.
Die Lage des Kraftangriffspunktes während der Standphase für die drei Laufschuhe UT (UTEC_BR), NB (NEUT_BR) und SB (SUPP_BR) in medio-lateraler Richtung. *: signifikanter (p&lt;0,05), **: hochsignifikanter (p&lt;0,01) Unterschied von UT zu den Schuhen NB und SB. Foto: BrüggemannWie Abbildung 8 verdeutlicht verbleibt der KAP bei seiner Verlagerung zum Vorfuß bei UT länger unter dem hinteren Fußteil und die Geschwindigkeit der anterioren Verlagerung des KAP ist signifikant reduziert. Aus anderen Arbeiten ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Kraftangriffspunkt-Verlagerung, der sogenannte „Ride“, streng mit dem Laufkomfort korreliert und eine geringere Geschwindigkeit vom Läufer als komfortabel eingestuft wird (Lam et al. 2017). UT eröffnet damit nicht nur eine medio-laterale Zentrierung des Kraftangriffspunktes, sondern auch eine Kontrolle des Kraftangriffspunktes in seiner Vorwärtsbewegung und damit eine Kontrolle der Lastarme der Bodenreaktionskräfte in der Sagittalebene an Sprunggelenk und Kniegelenk. Die häufig berichtete und in der Praxis der Laufschuhberatung gern verwendete Kinematik des Sprunggelenks in der Frontalebene, also die maximale Eversion und der Bewegungsumfang der Eversion des Rückfußes gegenüber der Tibia, zeigen keine Unterschiede zwischen den untersuchten Schuhen.
Die Lage des Kraftangriffspunktes während des Bodenkontaktes für die drei Laufschuhe UT (UTEC_BR), NB (NEUT_BR) und SB (SUPP_BR) in anterio-posteriorer Richtung. *: signifikanter (p&lt;0,05), **: hochsignifikanter (p&lt;0,01) Unterschied von UT zu den Schuhen NB und SB. Foto: Brüggemann In der Sagittalebene dagegen finden sich signifikante Unterschiede mit hohen Effektstärken (>0,8). Die Dorsiflexion des Sprunggelenks ist beim Laufen mit UT um 6,3% gegenüber NB und 8,1% ­gegenüber SB reduziert. Damit ist die Dehnung der Muskel-Sehnen-Einheit des M. Trizeps surae beim UT signifikant geringer als bei den beiden anderen Laufschuhen. Ebenso verhält sich die Plantarflexion des Sprunggelenks: UT demonstriert eine um ca. 20% reduzierte Plantarflexion gegenüber den konventionellen Schuhtechnologien (Effektstärke >0,6). Sowohl die maximale Geschwindigkeit der Dorsiflexion als auch die der Plantarflexion sind signifikant unterschiedlich mit geringeren Geschwindigkeiten bei UT sowohl in der exzentrischen Dorsiflexion als auch der konzentrischen Plantarflexion. Die Plantarflexoren kontrahieren folglich beim Laufen mit der U-TECHTM Technologie langsamer als beim Laufen mit den konventionellen Laufschuhen (-5,7% bei Dorsiflexion; -12,8% bei Plantarflexion).  Die sagittale Kniekinematik demonstriert nur moderate Unterschiede. Am auffälligsten ist ein um etwa 10% stärker gestrecktes Knie beim Fußaufsatz bei UT (p<0,05 gegenüber NB und SB), was auf eine etwas steifere neuromuskuläre Einstellung des Gelenks in der Landevorbereitung schließen lässt. Die maximale Beugung und die finale Streckung erscheinen geringfügig bei UT reduziert, wobei die Unterschiede statistisch nicht signifikant sind. In der Frontalebene findet sich die maximale Adduktion des Kniegelenks in der Standphase bei UT im Mittel um 39% (NB) und 37% (SB) reduziert. Die Innenrotation zeigt beim UT keinen Unterschied zu NB, wohl aber einen signifikanten Unterschied von im Mittel 10% zu SB. Damit zeigen sich die Gelenkbewegungen des Knies in den sekundären Bewegungsebenen (Frontalebene und Transversalebene) bei UT signifikant gegenüber den konventionellen Laufschuhtechnologien reduziert. In der Sagittalebene finden sich sowohl in der frühen Standphase und damit in der exzentrischen Arbeitsphase der Plantarflexoren (10 – 40% der Standphase) als auch in der Hochbelastungsphase der Plantarflexoren (20 – 80% der Standphase) ein signifikant reduziertes mittleres Plantarflexionsmoment bei UT gegenüber NB (-8,9%, -4,4%) und SB (-4,7%, -2%). Bei der initialen Lastübernahme (10 – 40% der Standphase) durch die Muskel-Sehnen-Einheit der M. Trizeps surae wird folglich die Achillessehne bei UT um etwa 9% gegenüber NB und SB weniger hoch auf Zug beansprucht bzw. belastet. Den Unterschieden der Achillessehnenbelastung zwischen den Laufschuhen wird mittlere Effektstärke (>0,5) zugewiesen. Am Kniegelenk findet sich das interne Abduktionsmoment bei UT um 6,5% gegenüber NT und um 9% gegenüber SB reduziert. Das interne Außenrotationsmoment zeigt eine signifikante Reduktion bei UT gegenüber NB und SB. Mit 9,3% Reduktion des maximalen Momentes gegenüber NB und 12,9% gegenüber SB zeigt diese wichtige Belastungsgröße des Kniegelenks hohe Effektstärken. Besonders auffällig sind die deutlichen Reduktionen des Impulses des internen Außenrotationsmomentes. Da der Betrag dieses Belastungsmarkers relativ gering ist, sollten die zumindest statistisch extrem hohen Unterschiede zwischen den Schuhen nicht überinterpretiert werden.  In Bezug auf die Momente in den sekundären Bewegungsebenen (Frontalebene und Transversalebene) zeigt sich die U-TECHTM Technologie den konventionellen Technologien überlegen und vermag die unphysiologische Kniebelastung in der Standphase um insgesamt mehr als 10% zu reduzieren. Das Extensionsmoment des Kniegelenks stellt die größte axiale Belastung des tibio-femoralen als auch des patello-femoralen Gelenks dar. Das mittlere Drehmoment während der Hauptbelastung (20 – 80% der Standphase) weist signifikant geringere Ausprägungen bei UT (-4% gegenüber NB, -3,6% gegenüber SB) auf. Damit wird bei UT sowohl die Kompressionsbelastung im tibio-femoralen Teil des Kniegelenks als auch die retropatellare Belastung signifikant mit zumindest moderater Effektstärke reduziert (Tabelle 2).
 
Interne Gelenkmomente an Sprung (SPG) - und Kniegelenk (KG) bei UT (UTEC_TM), NB (NEUT_BR) und SB (SUPP_BR).  UT signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu UT, NS signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu NB.
Beanspruchung und Leistung der Muskel-Sehnen-Einheiten (MSE) der Hauptantriebsmuskeln von Sprung- und Kniegelenk können über die Muskellänge, ihre Änderung während der Phase der Kraftproduktion und ihrer Verkürzungsgeschwindigkeit analysiert werden. Unter Verwendung eines regressionsanalytischen Modells (Hawkins und Hull 1990) werden die Längen der MSE von M. Soleus (SOL) als Repräsentant der Plantarflexoren und des M. Vastus lateralis (VL) als Repräsentant der Knieextensoren aus dem Gelenkwinkel berechnet. Signifikant unterschiedlich finden sich die maximalen Muskellängen und die Längenänderungen von SOL und VL während der Standphase mit jeweils signifikant kleineren Werten für UT gegenüber NB und SB. In Bezug auf die maximalen Änderungsgeschwindigkeiten der MSE Längen demonstriert UT signifikant geringere Geschwindigkeiten für die Plantarflexoren (SOL), nicht aber für die Knieextensoren. Die U-TECHTM Technologie erlaubt damit den Hauptantriebsmuskeln von Sprunggelenk und Kniegelenk in günstigeren Längen der MSE zu arbeiten und gestattet zudem den Antrieben des Sprunggelenks um 13,8% (NB) und 5% (SB) in der exzentrischen und um 12,4% (NB) und 12,7% (SB) in der konzentrischen Phase langsamer zu kontrahieren. Mit einer Reduktion der Kontraktionsgeschwindigkeit um 10% geht eine Kraftzunahme des Muskels von etwas über 10% einher (Wickiewics et al. 1984), was bedeutet, dass vor allem die Plantarflexoren beim Laufen mit UT bei geringerer Kraftentfaltung und reduzierter Kontraktionsgeschwindigkeit deutlich effizienter und mit verringertem metabolischen Aufwand als bei konventionellen Laufschuhtechnologien arbeiten können.
Gelenkenergie von Sprunggelenk (SPG), Kniegelenk (KG) und Hüftgelenk (HG) beim Laufen mit UT (weiß), NB (grau) und SB (schwarz). Dargestellt sind die negativen (SPG-, KG-, HG-) und positiven (SPG+, KG+, HG+) Energiebeträge bei Energieabsorption (-) und Energiegeneration (+). Die Energien sind auf die Körpermasse normalisiert, alle Angaben in J/kg. Foto: Brüggemann Berechnet man im nächsten Schritt die mechanische Arbeit und die mittlere Leistung an Sprung- und Kniegelenk finden sich bemerkenswerte Unterschiede zwischen den drei Laufschuhen. Zunächst zeigt sich in der Energie absorbierenden Phase eine signifikant geringere Arbeit (negative Arbeit) beim Laufen mit UT als mit NB oder SB (Abbildung 9). Auch für die Energie generierende Phase ist die mechanische Gelenkarbeit am Sprunggelenk signifikant geringerer bei UT als bei NB und SB. Ein Unterschied zwischen NB und SB kann nicht nachgewiesen werden. Auch die mittlere negative Leistung am Sprunggelenk ist bei UT geringer (-5%) als bei NB und SB. Das Sprunggelenk kann damit im energetischen Austausch mit dem elastischen Schuhboden bei gleicher Laufgeschwindigkeit mit UT weniger mechanische Arbeit verrichten und dabei geringere mechanische Leistung benötigen als beim Laufen mit NB oder SB. Der Effekt am Sprunggelenk ist konservativ mit ca. 5 – 7% zugunsten von UT abzuschätzen. Ähnliche Effekte finden sich am Kniegelenk: geringere mechanische Arbeit bei kleinerer mittlerer Leistung bei UT als bei NB und SB. Für das Kniegelenk mit einem dem Sprunggelenk gegenüber etwas höheren Anteil an der Vortriebsarbeit sind die Effekte ebenfalls mit etwa 5% Vorteil von UT abzuschätzen. Am Hüftgelenk dagegen konnten keine entsprechenden Effekte beobachtet werden.
 
Mechanische Arbeit und Leistung an Sprung- und Kniegelenk beim Laufen mit UT (UTEC_TM), NB und SB.  UT signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu UT, NS signifikanter (p&lt;0,05) Unterschied zu NB.
Diskussion 
Die Resultate der biomechanischen Untersuchung bestätigen die anfänglich formulierten Hypothesen (i) Laufen mit U-TECH Nevos (UT) gestattet dem Läufer mit geringeren internen Abduktions- und Außenrotationsmomenten am Knie und damit mit reduzierten mechanischen Belastungen des Kniegelenks zu laufen und (ii) beim Laufen mit UT werden bei gegebener Laufgeschwindigkeit die Knieextensoren und die Plantarflexoren des Sprunggelenks weniger beansprucht und die muskulären Antriebe effizienter genutzt. Es konnte gezeigt werden, dass Knie- und Sprunggelenke und die sie antreibenden Muskel-Sehnen-Einheiten beim Laufen in Trainingsgeschwindigkeit signifikant weniger belastet werden als beim Laufen mit gleicher Geschwindigkeit mit herkömmlichen Laufschuhen der Kategorien „Neutral“ und „Support“. Das Laufen wird somit leichter und eine gegebene Laufgeschwindigkeit kann mit geringerem metabolischem Aufwand absolviert werden. Durch die Zentrierung des Kraftangriffspunktes unter der Mittelachse des Fußes und die kontrollierte verlangsamte Vorwärtsverlagerung des KAP von der Ferse auf den Vorfuß gelingt der U-TECHTM Technologie eine signifikante Reduktion der Kniebewegungen in der Frontal- und der Transversalebene und – was noch weitaus wichtiger ist – eine Reduktion der internen Drehmomente in Frontalebene und Transversalebene, die von Muskeln und/oder Weichteilen ohne jeden Vortriebseffekt kompensiert werden müssen. Die Reduktion der nicht vortriebswirksamen Belastungen am Knie gegenüber den Vergleichsschuhen (NB, SB) kann konservativ mit etwa 10% abgeschätzt werden. Auch in der Sagittalebene wird durch ein günstiges Management der Hebel der Bodenreaktionskräfte zum Sprunggelenk eine Reduktion der Gelenkmomente (Plantarflexionsmomente) beim Laufen mit UT beobachtet, was zu einer Reduktion der Belastung der Achillessehne vor allem in der ersten Hälfte der Standphase und in der Phase maximaler Achillessehnenspannung zur Folge hat. Die Belastungsreduktion an der Achillessehne ist mit 5 – 8% abzuschätzen. Die Materialeigenschaften der Mittelsohlen von UT und NB sowie SB zeigten sich hoch signifikant unterschiedlich. Die Unterschiede beziehen sich zum einen auf die deutlich größerer Energieaufnahmekapazität von UT, die größere Verformungsmöglichkeit und die bessere Energierückgabe der neuen Konstruktion verbunden mit dem U-TECHTM Foam. UT kann mit über 10 mm Verformung fast 20% der Vertikalbewegung des Läufers in der ersten Hälfte der Standphase übernehmen und damit die in Sprunggelenk und Kniegelenk absorbierte Energiemenge gegenüber den Vergleichsschuhen signifikant reduzieren. Der energetische Vorteil gegenüber den konventionellen Laufschuhen ist mit über 10% zu quantifizieren. Auch in der Phase der Energiegenerierung in der zweiten Hälfte der Standphase finden sich unter anderem durch die hohe Energierückgaberate des U-TECHTM Foam energetische Vorteile an Knie- und Sprunggelenk. Eine konservative Abschätzung ergibt einen Gesamtvorteil für die beiden Gelenke von ca. 15%. Geht man in einer sehr spekulativen Abschätzung davon aus, dass etwa 40% der energetischen Kosten in der Standphase beim Laufen auf die Arbeit an Sprung- und Kniegelenk zurückzuführen sind (Arrellano und Kram 2014) und dass pro Bodenkontakt ca. 9 J/kg für Landung und Abdruck bei den untersuchten Laufgeschwindigkeiten gebraucht werden, sind etwa 3,6 J/kg an Gelenkarbeit durch Sprunggelenk, Kniegelenk und Hüftgelenk während der Standphase zu verrichten. Etwa 75% dieser Arbeit entfallen nach unseren Ergebnissen auf das Sprunggelenk und das Kniegelenk. Werden 15% dieser Arbeit gespart, ergibt sich eine Reduktion der metabolischen Kosten in jeder Standphase von etwa 1,75%. Es bleibt zu betonen, dass es sich hier zunächst um eine erste Abschätzung mit einer Reihe von Annahmen handelt, die aber zumindest als Spekulation bei dem technischen Versuch einer Symbiose von Belastungsreduktion und Leistungsverbesserung von Interesse sein kann. Gezeigt werden konnte, dass beim Laufen mit UT im Vergleich zu NB und SB die Hauptantriebsmuskeln des Sprunggelenks und des Kniegelenks bei optimierter Länge der MSE und vor allem bei signifikant reduzierter Verkürzungsgeschwindigkeit arbeiten. Damit erzeugen diese Muskeln bei gleicher Aktivierung größere Kräfte oder reduzieren bei gegebener oder sogar verringerter Kraft die metabolischen Kosten. Unser biomechanisches Experiment mit drei unterschiedlichen Laufschuhtechnologien als unabhängige Variablen konnte beweisen, dass mit der neuartigen U-TECHTM Technologie gegenüber herkömmlichen Laufschuhtechnologien nicht vortriebswirksame Belastungen insbesondere am Kniegelenk signifikant und effektiv (mittlere bis große Effektstärken) reduziert werden,  gleichzeitig die muskulären Antriebe effizienter arbeiten und  letztlich die für Landung und Abstoß notwendige Gelenkarbeit an Sprunggelenk und Kniegelenk verringert und folglich die metabolischen Kosten reduziert werden. In weiteren Studien bleibt zu prüfen, inwieweit sich diese Effekte von Belastungsreduktion und Effizienzverbesserung prospektiv auf eine Reduktion von Beschwerden und Verletzungen und auch auf eine langfristige Verbesserung der Leichtigkeit des Laufens und ggf. der Leistung auswirken. 
 
Anschrift des Verfassers: 
Univ.-Prof. Gert-Peter Brüggemann
IFD Cologne, Im MediaPark 2, 50670 Köln
 
Literatur
Siehe PDF.
 
Artikel als PDF herunterladen: