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Purpose Human muscle–tendon units (MTUs) are highly plastic and undergo changes in response to specific diseases and disorders. To investigate the pathological changes and the effects of therapeutic treatments, the use of valid and reliable examination methods is of crucial importance. Therefore, in this study, a simple 3D ultrasound approach was developed and evaluated with regard to: (1) its validity in comparison to magnetic resonance imaging (MRI) for the assessment of the gastrocnemius medialis (GM) MTU, muscle belly, and Achilles tendon lengths; and (2) its reliability for static and dynamic length measurements. Methods Sixteen participants were included in the study. To evaluate the validity and reliability of the novel 3D ultrasound approach, two ultrasound measurement sessions and one MRI assessment were performed. By combining 2D ultrasound and 3D motion capture, the tissue lengths were assessed at a fixed ankle joint position and compared to the MRI measurements using Bland–Altman plots. The intra-rater and inter-rater reliability for the static and dynamic length assessments was determined using the coefficient of variation, standard error of measurement (SEM), minimal detectable change (MDC95), and intraclass correlation coefficient (ICC). Results The 3D ultrasound approach slightly underestimated the length when compared with MRI by 0.7%, 1.5%, and 1.1% for the GM muscle belly, Achilles tendon, and MTU, respectively. The approach showed excellent intra-rater as well as inter-rater reliability, with high ICC (≥ 0.94), small SEM (≤ 1.3 mm), and good MDC95 (≤ 3.6 mm) values, with even better reliability found for the static length measurements. Conclusion The proposed 3D ultrasound approach was found to be valid and reliable for the assessment of the GM MTU, muscle belly, and Achilles tendon lengths, as well as the tissue lengthening behavior, confirming its potential as a useful tool for investigating the effects of training interventions or therapeutic treatments (e.g., surgery or conservative treatments such as stretching and orthotics). Level of evidence Level II.

Vertical jumps are of great importance as a performance predictor for many types of sports that require speed and agility. However, to date, it is not clear if flexibility and/or the strength of the different leg muscles are determinants for countermovement jump (CMJ) performance. Therefore, the purpose of this study was to relate isometric maximum voluntary contraction (MVC) torque and the flexibility of various muscle groups of the lower body with CMJ performance. Thirty-six healthy male volunteers participated in this study. The participants performed MVCs of the knee extensors, knee flexors, and plantar flexors on a dynamometer. Moreover, range of motion of the hip flexors and plantar flexors was assessed with 3D motion capture, and the range of motion of the knee flexors (hamstrings) was assessed with a Sit n’ Reach® box. CMJs were assessed with a force platform. The correlation analysis revealed a significant moderate correlation of CMJ height with the flexibility of the hip flexors (rP = −0.39) and plantar flexors (rP = 0.47), but not the knee flexors. Moreover, we found that absolute MVC values are not related to CMJ height. However, we did find that knee extensor MVC relative to body mass is significantly related to CMJ height (rP = 0.33) with a moderate magnitude. Although we found significant correlations, the magnitudes of correlations vary between trivial and large according to a 90% confidence interval. Thus, this indicates that range of motion or strength of the assessed leg muscles can explain CMJ performance only to a limited extent.

This study investigated the effect of isometrically induced fatigue on Hill-type muscle model parameters and related task-dependent effects. Parameter identification methods were used to extract fatigue-related parameter trends from isometric and ballistic dynamic maximum voluntary knee extensions. Nine subjects, who completed ten fatiguing sets, each consisting of nine 3 s isometric maximum voluntary contractions with 3 s rest plus two ballistic contractions with different loads, were analyzed. Only at the isometric task, the identified optimized model parameter values of muscle activation rate and maximum force generating capacity of the contractile element decreased from $$20.8 \pm 8.4$$ to $$11.2 \pm 4.1$$ Hz and from $$18{,}137 \pm 150$$ to $$10{,}666 \pm 2139$$ N, respectively. For all tasks, the maximum efficiency of the contractile element, mathematically related to the curvature of the force–velocity relation, increased from $$0.35 \pm 0.04$$ to $$0.42 \pm 0.05$$ . The model parameter maximum contraction velocity decreased from $$0.93 \pm 0.1$$ to $$0.9 \pm 0.1$$ m/s and the stiffness of the serial elastic element from $$1936 \pm 227$$ to $$1432 \pm 245$$ N/mm. Thus, models of fatigue should consider fatigue dependencies in active as well as in passive elements, and muscle activation dynamics should account for the task dependency of fatigue.

Neural commands control skeletal muscles that act on passive structures and regulate voluntary movements. Mathematical models can simulate such movements and therefore require the knowledge of neuromuscular properties. In contrast to scaling these properties to the individual, we present a non-linear parameter identification method to determine them non-invasively and in vivo. The classic model A describes an excitable contractile element (CE) embedded in a geometrical representation of the leg. Its extension model B is used to study the effects of the force–length relationship and the serial elastic element (SEE). We show the validation of model B and discuss the quality of neuromuscular properties identified from simulations and experiments. The main finding is that identifications that consider CE–SEE dynamics result in increased and more realistic curvatures of the force–velocity relations. This shows that CE and SEE work interdependently and we recommend to co-ordinate the parameter values of...

Je nach Training, Tempo und individuellen Vorlieben gibt es drei Laufstile: Vor-, Mittel- und Ruckfuslaufstil. Der Vorfuslaufstil ist am schnellsten und erfordert am meisten Athletik. Auch die Schuhe haben Einfluss. Konventionelle Laufschuhe sind gut gedampft, vermitteln aber ein schlechteres Gefuhl fur den Bodenkontakt. Bei Barfuslaufschuhen ist es umgekehrt. Dafur treten bei diesen uberwiegend hohere Kraftspitzen an Fusen und Beinen auf. Mit dem Altern lasst die Dampfung und Elastizitat von Sportschuhen messbar nach.

Beim Bogenschiesen spielen mechanische Eigenschaften von Pfeil und Bogen wie Schwingungen, Energieubertragung und Widerstande eine grose Rolle. Zusatzlich sind aber auch neurologische und physiologische Eigenschaften des Schutzen von Bedeutung. Dazu zahlen Ansteuerung und Ermudung der Muskulatur beim Zielen und rechtzeitige Aktivierung der Muskulatur zum Stabilisieren des Bogens beim Abschuss.

Abhangig von der Disziplin werden im Reitsport alle drei Hauptgangarten eines Pferdes – Schritt, Trab, Galopp – sportlich umgesetzt. Jede dieser Gangarten ist in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich energetisch am gunstigsten. Beim Trab fungieren die Beine wie inverse Pendel, wahrend auf den Galopp das mechanische Modell eines Springstocks besser passt. Beim Springreiten wirken enorme Krafte beim Aufkommen nach dem Hindernis auf die Vorderbeine. Bei einem 600 kg schweren Pferd wurden bis zu 24000 N gemessen.

Luftmangel erlaubt unserem ans Landleben angepassten Korper nur kurze Tauchgange. Nur trainierte Apnoetaucher konnen bis zu zehn Minuten ohne Atmen unter Wasser bleiben und mit Hilfsmitteln Tauchtiefen jenseits von 200 m erreichen. Grundsatzlich sorgt der mit der Tiefe linear zunehmende Wasserdruck fur kritische Effekte im Korper. Bei Schnorcheln als Atemhilfe begrenzt die Druckdifferenz zum Lungeninnendruck die Tauchtiefe sehr stark. Das Geratetauchen mit Pressluftflaschen sorgt fur einen Druckausgleich zwischen Lunge und Umgebung und erlaubt daher viel grosere Tauchtiefen. Der Wasserdruck kann verschiedene Taucherkrankheiten verursachen, deren Ursachen Druckdifferenzen oder die Partialdrucke der Gasbestandteile in der Atemluft sind.

Perfekte Drehungen sind beim Gerateturnen, Trampolin- und Turmspringen ein Muss. Besonders interessant sind Scheindrehungen, fur die fallende Katzen ein gutes Vorbild sind. Dabei bewegen sich Sportler mit einem Gesamtdrehimpuls Null durch die Luft. Durch bestimmte Bewegungen konnen sie trotzdem ihren Korper drehen. Aus physikalischer Sicht interessant ist zudem, dass Sportler sich bei Drehungen nicht in Inertialsystemen befinden. Es treten Scheinkrafte auf, die sie gezielt nutzen konnen, um Muskelkraft zu sparen.

Durch Ausnutzen des Magnus-Effekts konnen Volleyballe hoch uber das Netz geschlagen werden und dadurch leichter den gegnerischen Block uberwinden. Beim Flatteraufschlag wird die Flugbahn durch unregelmasige Richtungswechsel fur den Gegner unberechenbar. Spezielle Methoden der Videoanalyse ermoglichen die Untersuchung der Taktik und das automatisierte Erkennen von Sprungen und Sprintbewegungen.

Background Thermal stress is a risk factor for sudden infant death syndrome (SIDS). Recently, baby sleeping bags have been recommended as a preventive measure against SIDS. The aim of this study was to describe in which way the use of baby sleeping bags might influence thermoregulation of sleeping infants and maybe the incidence of SIDS. Methods Body surface temperature was recorded by use of infrared thermography in 15 infants (median age 49 days). Recordings were done twice: after sleeping for 60 min under a blanket and after sleeping for 60 min in a baby sleeping bag. Temperature was recorded and compared for defined sites of body surface. Results Infants' mean body surface temperature as well as core temperature after sleeping in a baby sleeping bag did not show significant differences when compared to infants sleeping under a conventional blanket. Conclusion Under controlled conditions, core temperature and mean body surface temperature are comparable, equally if using a baby sleeping bag or conventional bedding. However, under the more uncontrolled conditions of baby care at home, sleeping bags might provide a more constant temperature profile, while other bedding conditions may lead to significant variations of temperature pattern.

We present a mathematical formulation of notions used in training science such as sports performance, performance determining factor and performance limiting factor. We give an example of model equations describing the relationship between individual neuromuscular properties and the associated performance in sports. An essential factor in modelling human movements is to determine the values of the subject's properties individually and in vivo. We perform measurements and identify the parameters describing the person's properties in the model equation. Simulations show effects of individual differences in the neuromuscular properties on the performance. Furthermore, we show the influence of changes in movement conditions on the performance.

Eishockey ist die schnellste Mannschaftssportart. Eis ist sehr gleitfahig, weil seine Oberflache ein quasiflussiger Wassermolekulfilm uberzieht, der leicht verschiebbar ist. Fur Geschwindigkeit sorgen zudem Schlagschusse, bei denen der gebogene Schlager dem Puck wie eine Feder zusatzliche Energie mitgibt. Die Schutzkleidung des Tormanns bremst den Puck beim Aufprall. Sie erlaubt ihm aber auch, das Tor besser zu verdecken.

Golfer erzielen ihre hohe Abschlagsgeschwindigkeit durch einen Bewegungsablauf, der auch die starke Ruckenmuskulatur einsetzt. Dellen in den Oberflachen der Balle verringern ihren Luftwiderstand und lassen sie weiter fliegen. Rotierenden Ballen kann der Magnus-Effekt zusatzlichen Auftrieb geben, der den Flug verlangert. Kritisch ist der letzte Schlag beim Einlochen: Selbst im Loch befindliche Golfballe konnen von ihrer Rotation wieder heraus geschleudert werden.

In vielen Kampfsportarten verhilft ein geschicktes Umsetzen physikalischer Krafte zum Sieg. Judoka versuchen den Partner zu Fall zu bringen, indem sie mit seiner Bewegung arbeiten. Liegt er auf dem Boden, dann klemmen sie gerne seinen Arm so ein, dass er durch den fur ihn ungunstigen Hebel nicht mehr freikommt. Boxen hat das Ziel, den Gegner k.o. zu schlagen. Manche Kopftreffer beschleunigen das Gehirn so erheblich, dass sie Schaden verursachen. Karatekas konnen tatsachlich ohne Tricks verbluffend dicke Holzbretter und Betonstucke mit der blosen Hand durchschlagen.

Die Energieubertragung zwischen Schlager und Ball hangt von den Schwingungseigenschaften beider ab, wichtig ist zudem der Auftreffpunkt des Balles auf der Schlagerflache. Die Rotation des Balles in der Luft ermoglicht unterschiedliche Flugbahnen. Selbststabilisierende Schlagbewegungen konnen kleine Ungenauigkeiten des Spielers ausgleichen. Der Zufall beeinflusst die Gewinnchancen weniger als im Fusball. Die Phase der Spielerbewegungen relativ zueinander gibt Auskunft uber den Spielverlauf.

Bei Sportarten, in denen es auf Treffsicherheit ankommt, zahlen nicht Kraft oder Schnelligkeit, sondern prazise Bewegungen. Beim Basketball erhoht eine geringe Fluggeschwindigkeit gepaart mit einem steileren Flugwinkel die Trefferchance. Bei Schiessportarten kommt es auch darauf an, wie gros der Schutze die Zielscheibe tatsachlich sieht. Dartprofis neigen sich vor, um die Schussdistanz erlaubt zu reduzieren. Beim Bowling kann der Ball nur dann alle Pins auf einen Schlag abraumen, wenn er auf einer perfekt gekrummten Bahn lauft. Das ermoglicht ein Gleitfilm aus Ol auf der Bahn, dessen Dicke zum Ziel hin abnimmt.

SummaryThree to five percent of patients undergoing surgery have either an acquired or congenital platelet defect or von Willebrand disease (vWD). The predictive value of preoperative coagulation screening is questionable. PFA-100 is now routinely used in preoperative screening in our pediatric outpatient service. We wanted to assess whether the PFA-100 would help to identify patients with primary haemostatic defects or if the additional use of PFA-100 would add to the problem of unnecessary pathologic preoperative laboratory values resulting in delay of surgical procedure. We investigated 500 children consecutively seen in our outpatient service before surgery. Blood cell count, aPTT, PFA-100 closure times (CT) were done in all patients. If abnormalities were found, the patient was presented to a haemostatic expert. vWF:AG, R:Cof and factorVIII were analysed in all patients with prolonged closure times and APTT values. One hundred twenty-six patients (25.2%) showed abnormalities in APTT and/or PFA-100. Further investigations in 89 of these 126 patients did not yield a specific diagnosis; neither diagnostic criteria for impaired haemostasis were found by questionnaire. None of these 89 patients had a bleeding complication during surgery. Forty-eight patients showed prolonged CTs. Twelve patients with low vWF:AG were detected, 10 of these patients were found by PFA-100. Four of these patients did present with normal APTT values. Our study shows that similar to the APTT the PFA-100 is probably only a good screening method when a haemostatic defect in a patient is clinically likely, especially to screen forVWD, and the test should not be used in general unselective screening.

Die durchschnittliche Dichte des menschlichen Korpers weicht kaum von der des Wassers ab. Deshalb kann der Mensch schwimmen und auch tauchen. Wettkampfschwimmer nutzen den Auftrieb und den Wasserwiderstand optimal aus, um moglichst hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Die Energiebereitstellung im Korper spielt dabei eine wesentliche Rolle.

Die physikalische Betrachtung des Fusballs liefert spannende Resultate. Wegen der geringen Torzahl spielt der Zufall bei Sieg oder Niederlage starker mit als in anderen Sportarten. Fusball ist daher mit gewissen statistischen Eigenschaften radioaktiver Quellen vergleichbar. Gleich mehrere physikalische Effekte beeinflussen die Flugbahn des Balls. Der Magnus-Effekt zum Beispiel ermoglicht erst Bananenflanken. Pfeift ein Schiedsrichter falsch, dann wird er nicht selten von seiner Sehperspektive getauscht.

Der Leistungsbegriff ist im Sport weiter gefasst als in der Physik. In beiden Fallen liegt der Fokus jedoch auf einer pro Zeiteinheit erfolgten Energieumsetzung. Allerdings gibt die rein physikalische Leistung nicht immer Auskunft uber den Energieumsatz der Muskeln. Die Muskelkraft hangt von der Kontraktionsgeschwindigkeit des Muskels ab. Ein Muskel verhalt sich also anders als eine Feder. Fur den Hochleistungssport mussen die Energieumsatze der Muskeln durch spezielle Trainings- und Nahrungsprogramme optimiert werden.

Viele Krafte bestimmen die Physik des Skilaufs. Die Gravitation sorgt fur die eigentliche Fahrt auf der schiefen Ebene. Gewicht, Tragheit, Reibung und Luftwiderstand uben passive Krafte auf den Fahrer aus, seine Muskeln sorgen fur die aktiven Krafte. Sie werden auf seine Sehnen und Knochen und weiter uber seine Schuhe und Ski auf den Schnee ubertragen. Die Krafte in seinem Korperinneren konnen dabei die auseren Krafte um ein Vielfaches ubersteigen. Bis heute ist nicht vollig geklart, wie Ski auf Schnee gleiten. Wasser spielt eine geringere Rolle als bisher angenommen.

In this paper we deal with movement-independent individual muscle properties derived from Hill's equation. Relations between these properties are found by theoretical considerations. We define a dimensionless quantity that turns out to play a major role in characterizing individual muscle properties, and we analyse normalization and symmetry behaviour of the parameters in Hill's equation. This leads to a systematic, transparent, and useful overview of mathematical relations involving muscle parameters. We examine the experimentally determined parameters of 62 subjects to find additional empirical relations between the muscle properties described by the parameters of Hill's equation. In the light of the theoretical end empirical results we investigate the connections between maximum efficiency, endurance, and fibre composition.

Um wie viel hoher ein Mensch auf dem Mond als auf der Erde springt, hangt wesentlich von den individuellen Muskeleigenschaften ab. Eine Bewegung wird durch ein komplexes Zusammenspiel von Muskelkraft, Geschwindigkeit, Ansteuerung der Muskeln und Geometrie der Gelenke bestimmt. Deshalb hangt die Grose der Auswirkungen einer Gravitationsanderung wieder von den einzelnen Eigenschaften ab. Es kann sogar zu einer Umkehrung der Reihenfolge in der Sprungleistung kommen. Dann ist der Bessere von zwei Springern auf der Erde auf dem Mond der schlechtere.

We evaluate an improved method for individually determining neuromuscular properties in vivo. The method is based on Hill's equation used as a force law combined with Newton's equation of motion. To ensure the range of validity of Hill's equation, we first perform detailed investigations on in vitro single muscles. The force-velocity relation determined with the model coincides well with results obtained by standard methods (r= .99) above 20% of the isometric force. In addition, the model-predicted force curves during work loop contractions very well agree with measurements (mean difference: 2-3%). Subsequently, we deduce theoretically under which conditions it is possible to combine several muscles of the human body to model muscles. This leads to a model equation for human leg extension movements containing parameters for the muscle properties and for the activation. To numerically determine these invariant neuromuscular properties we devise an experimental method based on concentric and isometric leg extensions. With this method we determine individual muscle parameters from experiments such that the simulated curves agree well with experiments (r =.99). A reliability test with 12 participants revealed correlations r = .72-.91 for the neuromuscular parameters (p

Previous studies reported an association of angiotensin-converting enzyme (ACE) I/D gene polymorphism with physical performance. The study was based on the hypothesis that certain individual biomechanical muscle properties could be associated with ACE genotype and that they could influence athletes’ physical performance. Movement-independent individual biomechanical muscle properties of 62 sports students were determined by applying a mathematical model to experimental data. Subjects exerted concentric and isometric contractions at a leg-press. The model was based on a Hill-type muscle model, a function describing the geometrical arrangement of human leg extensor muscles, and an exponential function describing muscle activation. Mouthwash samples were taken to determine the ACE genotypes. Several combinations of experimentally determined biomechanical properties served as input variables for a discriminant analysis. We were able to show that individual biomechanical muscle properties correlated with ACE I/D gene polymorphism. With a combination of certain individual muscle parameters based on a Hill-type muscle model, we were able to separate three individual ACE genotypes (II, ID, DD) in a significant way (P

Exposure of infants to parental smoking has been associated with several adverse health effects [6]. It was the aim of this study to find an easily applicable method to collect urine samples from infants and to correlate cotinine concentrations with parental smoking habits. This study was approved by the local Ethics Committee. Filter paper strips (Schleicher and Schuell, Germany) were placed in the nappies of infants. After wetting, the paper strips were air-dried, cut into small pieces, and extracted with 0.01 M phosphate buffer solution for 24 h. From this eluate, cotinine was analysed by ELISA and correlated to creatinine concentration (expressed as ng cotinine/mg creatinine, CCR). The parents’ smoking habits were evaluated by a structured questionnaire. CCR was determined in 93 infants (38 females) with a median age of 63 days (range 25–221 days). Exclusion criteria were questionnaires with incomplete information and urine creatinine levels 30 ng/mg, a cut-off level based on a previous study [2]. We found a significant correlation ( P