Standardisiertes Protokoll zur Überwachung von Muskelermüdung und Biomechanik bei Amateurradfahrern mittels Infrarot-Thermografie

Zusammenfassung

Die Biomechanik im Cycling basiert auf effizienter Muskelaktivierung und Rumpfstabilisierung. Die Infrarot-Thermographie (IRT) bietet eine nicht-invasive Überwachung der Muskelermüdung. Dieses Protokoll etabliert eine standardisierte Methodik zur Integration von IRT in die biomechanische Analyse, mit dem Ziel, die Leistung zu optimieren und Verletzungen bei Amateurradfahrern durch präzise physiologische Überwachung zu verhindern.

Zusammenfassung

Die Nutzung von Heimtrainern hat deutlich zugenommen, was körperliche Aktivität für die Allgemeinheit zugänglicher macht. Das Fehlen präziser, nicht-invasiver Überwachung während der Trainingseinheiten kann jedoch Muskelungleichgewichte und ineffiziente biomechanische Muster verschleiern. Diese Faktoren, die in ihren Anfangsstadien subklinisch sind, können zu einer hohen Häufigkeit muskuloskelettaler Verletzungen führen. Derzeit basiert die Trainingsbewertung auf der subjektiven Wahrnehmung von Anstrengung oder konventionellen Leistungskennzahlen, was eine kritische Lücke bei der frühzeitigen Erkennung physiologischer Probleme schafft, bevor sie zu chronischen Erkrankungen übergehen. Angesichts der entscheidenden Rolle von Bewegung in der öffentlichen Gesundheit ist es unerlässlich, nachhaltige Evaluationsstrategien umzusetzen, die auf verschiedene Fitnessniveaus anwendbar sind. In diesem Zusammenhang erweist sich die Infrarot-Thermographie (IRT) als vielversprechende Alternative, da sie die Hautoberflächentemperatur quantifizieren kann, was ein direkter Indikator für Stoffwechselaktivität, Thermoregulation und Durchblutung ist. Dieses Projekt etabliert ein standardisiertes methodisches Protokoll unter Verwendung von IRT, um die physiologische Reaktion während Radsessions in einer nicht-athletischen Population zu überwachen. Die Anwendung dieses Protokolls zeigte, dass standardisierte IRT subklinische thermische Asymmetrien und lokalisierte "Hotspots" in Gelenken (z. B. im Knie bei 32,8 °C) effektiv erkennen kann, die sonst durch subjektive Anstrengungswahrnehmung (Borg-Skala) oder Pedalkadenzüberwachung nicht nachweisbar sind. Durch die systematische Kontrolle von Umwelt- und Probandenvariablen analysiert diese Forschung die Oberflächentemperaturverteilung im Unterkörper, um Biomechanik und Muskelermüdung zu bewerten. Konkret erleichtert das Protokoll die Korrelation zwischen thermischen Mustern, Ermüdungsniveaus und Pedalfrequenz. Dieser Ansatz unterstützt nicht nur technologische Innovationen in der Präventivmedizin und im Bereich der öffentlichen Gesundheit, sondern legt auch die Grundlage für ein Früherkennungsinstrument, das Verletzungsrisiken mindern und das Wohlbefinden der an dieser Aktivität beteiligten Bevölkerung optimieren kann.

Einleitung

Die Biomechanik des Radfahrens ist eine vielschichtige Disziplin, die Prinzipien menschlicher Bewegung, Muskelphysiologie und Energietransfer integriert, um die Leistung zu optimieren und Verletzungen zu verhindern. Im Kern beinhaltet Radfahren einen zyklischen Wechsel zwischen der Leistungsphase – in der die Quadrizeps, die Gesäßmuskulatur und der Magenmuskeln den Großteil der Antriebskraft erzeugen – und der Erholungsphase, in der die Hamstrings und Hüftbeuger die Rückkehr des Beins in seine Ausgangsposition erleichtern. Die effiziente Energieübertragung auf die Pedale ist nicht nur eine Funktion der Aktivierung der unteren Gliedmaßenmuskulatur, sondern hängt auch kritisch von der Rumpfstabilisierung ab, die biomechanische Effizienz gewährleistet und kompensatorische Bewegungen minimiert, die den Radfahrer verletzungsanfällig machen könnten ^1,2,3.

Derzeit konzentrieren sich Forscher auf die Bewertung von Muskelaktivierungsmustern, Müdigkeit und thermoregulatorischen Reaktionen während des Zyklus ^3,4,5. Dieses Interesse beruht auf der Erkenntnis, dass Muskelermüdung ein komplexes Phänomen ist, das die Leistung beeinträchtigt und das Verletzungsrisiko erhöht, und dass ihre frühzeitige Erkennung und Behandlung sowohl für Elite- als auch Freizeitradfahrer unerlässlich sind ^2,6. Unter den verfügbaren Bewertungsinstrumenten hat sich die Infrarot-Thermographie (IRT) als vielversprechende, nicht-invasive Technik zur Überwachung von Muskelaktivität und Ermüdung^etabliert. IRT ermöglicht die Visualisierung von Hauttemperaturänderungen, die zugrundeliegende Muskelaktivierung und thermoregulatorische Prozesse während des Trainings widerspiegeln können, die sich direkt auf den Stoffwechsel der Sportler auswirken ^5,7.

Trotz seines Potenzials steht die Anwendung von IRT in der Forschung und Praxis der zyklischen Biomechanik vor mehreren methodischen Herausforderungen. Obwohl einige Standard-Betriebsverfahren (SOPs) im allgemeinen Sport- und klinischen Kontext vorgeschlagen wurden ^8,9, besteht ein anerkannter Bedarf an weiterer Verfeinerung bestehender Protokolle, um den einzigartigen physiologischen und konvektiven Kühlanforderungen des Amateurradsports ^7,10 gerecht zu werden. Die Variabilität der Umweltbedingungen, Inkonsistenzen bei der Vorbereitung der Probanden und der fehlende Konsens bezüglich der Auswahl anatomischer Interessenbereiche haben die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse in den Studien 1,5,7,9 eingeschränkt. Diese Einschränkungen unterstreichen die Notwendigkeit rigoroser methodischer Rahmenbedingungen, um das volle Potenzial von IRT im Kontext des Radfahrens 7,10,11,12 auszuschöpfen.

Die Literatur zeigt, dass die wichtigsten thematischen Achsen in diesem Bereich Trainingsphysiologie, IRT, Hauttemperaturüberwachung, Trainingsleistung und Thermoregulation ^2,5,7 umfassen. Studien haben signifikante Korrelationen zwischen Hauttemperatur und Muskelaktivierungsparametern gezeigt, wie sie beispielsweise durch Oberflächenelektromyographie (sEMG) gewonnen werden, was darauf hindeutet, dass IRT als Ersatzmarker für Muskelermüdung während dynamischer Übung⁵ dienen kann. Externe Faktoren wie Schweiß, Umgebungstemperatur und individuelle Unterschiede in der thermoregulatorischen Kapazität könnten jedoch die thermographischen Ergebnisse beeinflussen, was eine sorgfältige Kontrolle und Berichterstattung^{experimenteller Bedingungen erforderlich} macht.

Ebenso haben sich Fortschritte in der nicht-invasiven Muskelermüdungsüberwachung über IRT hinaus ausgeweitet und umfassen Techniken wie sEMG, Mechanomyographie (MMG), Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) und Ultraschallbildgebung 13,14,15,16,17. Jede Methode bietet einzigartige Einblicke in die Muskelfunktion: sEMG quantifiziert die elektrische Aktivität während der Kontraktion, MMG erfasst mechanische Vibrationen, NIRS bewertet die Sauerstoffsättigung der Muskeln und Ultraschall visualisiert Muskeldeformationen. Die Integration von IRT in diese multimodale Landschaft birgt besondere Chancen für den Radverkehr, bei dem kontinuierliche, kontaktlose Überwachung von Vorteil ist. IRT kann andere Modalitäten ergänzen, indem es räumlich aufgelöste, Echtzeitdaten zur Hauttemperaturverteilung liefert, die lokale Muskelaktivierung, Asymmetrien und potenzielle Stellen von Überbeanspruchung oder Verletzung widerspiegeln können^14,18.

Um die methodischen Inkonsistenzen früherer Forschung zu überwinden, ist das in dieser Studie vorgeschlagene Protokoll strikt an internationale Standards für klinische und Sportthermographie angepasst. Konkret basieren die Parameter für die Vorbereitung der Probanden und die Umweltkontrolle – wie die Einschränkung von Stimulanzien und körperlicher Aktivität sowie die Nutzung standardisierter Akklimatisierungsperioden – auf den Richtlinien der International Academy of Clinical Thermology (IACT), der American Academy of Thermology (AAT) und des Glamorgan Protocol⁸. Darüber hinaus folgen die Umwelt- und technischen Rahmenbedingungen, einschließlich der Emissivitäts- und Wärmedehnungsbewertung, den ISO-9886-Normen und den Empfehlungen der Europäischen Vereinigung für Thermologie (EAT). Durch die Integration dieser etablierten Vorschriften stellt diese Studie sicher, dass IRT-Messungen ein zuverlässiges Spiegelbild physiologischer Reaktionen sind und so einen robusten Rahmen zur Überwachung von Muskelermüdung und Biomechanik bei Freizeitradfahrern schaffen.

Dennoch erfordert die erfolgreiche Anwendung von IRT in der zyklischen Biomechanik die Etablierung standardisierter Methoden. Dazu gehören die Definition der Akklimatisierungsperioden vor dem Training, die Kontrolle von Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, die konsequente Vorbereitung des Probanden sowie die präzise Abgrenzung anatomischer Bereiche von Interesse für die thermische Analyse ^5,7. Darüber hinaus wird die Entwicklung robuster Datenanalyseprotokolle die Interpretierbarkeit und Nützlichkeit der IRT-Daten^verbessern.

Die vorliegende Studie adressiert diese Lücken, indem sie einen umfassenden methodischen Rahmen für die Integration von IRT in die biomechanische Analyse bei Freizeitradfahrern vorschlägt und validiert. Durch systematische Kontrolle für Umwelt- und subjektbezogene Variablen sowie durch Korrelation von thermischen Daten mit etablierten Markern für Muskelaktivierung und -ermüdung zielt dieser Ansatz darauf ab, die Überwachung der Muskelermüdung zu optimieren, zur Verletzungsprävention beizutragen und Leistungsergebnisse^{zu verbessern (}2,5,7,14).

Protokoll

Das Forschungsprotokoll wurde gemäß den ethischen Grundsätzen der Helsinkier Erklärung durchgeführt. Aufgrund der nicht-invasiven und kontaktlosen Natur der Infrarot-Thermographie war die Sicherheit der Teilnehmer während des gesamten Überwachungsprozesses gewährleistet. Alle Probanden gaben vor Beginn aller Eingriffe eine schriftliche informierte Zustimmung und stimmten der Nutzung ihrer physiologischen Daten für Forschungszwecke zu. Die Studie folgte den internen Forschungsrichtlinien der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universidad Autónoma de Querétaro und gewährleistete Anonymität und Datenschutz der Teilnehmer.

HINWEIS: Um die methodischen Inkonsistenzen in früheren Studien zu überwinden, ist das in dieser Studie vorgeschlagene Protokoll strikt an internationale Standards für klinische und Sportthermographie angepasst. Konkret folgen die Parameter für die Vorbereitung und Umweltkontrolle den Richtlinien der International Academy of Clinical Thermology (IACT), der American Academy of Thermology (AAT) und des Glamorgan-Protokolls. Darüber hinaus folgen technische Einrichtungen wie Emissivitäts- und Wärmedehnungsbewertung den ISO-9886-Normen und den Empfehlungen der European Association of Thermology (EAT). Die Machbarkeit dieses Protokolls wurde mit 60 biomedizinischen Ingenieurstudenten der Universidad Autónoma de Querétaro im Alter zwischen 20 und 25 Jahren überprüft, um die Einhaltung des Protokolls und die Grundhomogenität sicherzustellen. Diese spezifische Population gewährleistete eine hohe Einhaltung der Vor-Test-Einschränkungen und bot eine homogene physiologische Basislinie zur Überprüfung der Konsistenz der thermographischen Aufnahmen.

1. Vorbereitung des Themas und Umweltkontrolle (Replizierbarkeit und demografische Auswirkungen)

1. Einschlusskriterien und Subjektfaktoren
   1. Erfassen Sie Alter und Geschlecht jedes Probanden zur Analyse von Altersunterschieden und Geschlechtseffekten.
   2. Erfassen Sie die Größe und Masse des Subjekts für die Verwendung in anatomischen Parametern.
   3. Führen Sie die Borg-Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung (RPE)-Skala (6–20) durch. Weisen Sie die Testperson an, vor und nach dem Test auf die Zahl zu zeigen, die ihr aktuelles Anstrengungsniveau angibt, um physiologische Daten mit subjektiver Erschöpfung zu korrelieren.
2. Konsumbeschränkung und Hautvorbereitung
   1. Verbieten Sie der Person, 24 Stunden vor der Messung Alkohol und Nikotin zu konsumieren.
   2. Verhindern Sie, dass die Testperson während der drei Stunden vor dem Test Koffein konsumiert und intensiv trainiert.
   3. Weisen Sie die Testperson an, während der 12 Stunden vor dem Test keine Cremes, Kosmetika oder Salben auf die unteren Extremitäten aufzutragen.
   4. Bestätigen Sie, dass die Person ausreichend hydriert ist, und vermerken Sie dies im Datenblatt vor dem Test.
   5. Verwenden Sie eine klinische Waage, um die Körpermasse vor dem Test zu messen. Bitten Sie die Betroffene, 300 ml Wasser 30 Minuten vor der Sitzung zu sich zu nehmen, um einen standardisierten Nährzustand der Flüssigkeitszufuhr sicherzustellen.
3. Standardisierung von Kleidung und Haltung
   1. Weisen Sie die Person an, die unteren Gliedmaßen des Körpers vollständig auszuziehen.
   2. Stellen Sie standardisierte Radshorts bereit (schwarze Lycra ohne sichtbare Nähte).
4. Standardisierung von Umwelt- und Ruhebedingungen
   1. Stellen Sie ein digitales Thermo-Hygrometer 1 m vom Subjekt entfernt auf eine Höhe von 1 m auf. Überprüfen Sie, dass die Umgebungstemperatur zwischen 18–25 °C und die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 40 % und 55 % liegt. Notieren Sie diese Werte alle 5 Minuten in einer Tabelle.
   2. Stellen Sie sicher, dass keine direkten Luftzüge, keine Sonneneinstrahlung oder Wärme- oder Kältequellen vorhanden sind, die die Thermoregulation beeinflussen könnten.
   3. Führen Sie eine 15-minütige statische, sitzende Ruhephase durch, um sich an die Umweltbedingungen zu gewöhnen.
   4. Setzen Sie die Person in die gewünschte Position auf das stationäre Fahrrad.

2. Konfiguration und Erfassung thermographischer Bilder

1. Öffnen Sie das interne Einstellungsmenü der Wärmebildkamera. Navigiere zu Objektparametern und gib 0,98 manuell für Emissivität (ε) ein. Stellen Sie die scheinbar reflektierte Temperatur auf die Umgebungstemperatur ein, die in Schritt 1.4.1 gemessen wurde.
   1. Verwenden Sie die Infrarot-Thermographenkamera (IRF) mit einer Mindestauflösung von 320 x 240 Pixeln.
   2. Stellen Sie die Emissivität (ε) für die Oberfläche der menschlichen Haut auf 0,98 ein.
   3. Verwenden Sie einen Laser-Abstandsmesser oder ein physisches Maßband, um das Stativ genau 100 cm von der Seitenebene der Kurbelwelle des Fahrrads entfernt zu platzieren. Markiere die Standpunkte der Stativbein auf dem Boden mit Klebeband, um keine Verschiebung zwischen den Aufnahmen zu gewährleisten.
   4. Geben Sie in den Instrumenteneinstellungen die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung ein.
   5. Stellen Sie die atmosphärische Temperatur des Labors ein und geben Sie die Außentemperatur ein.
2. Anatomische Positionierung und Erfassung.
   1. Stellen Sie den Thermographen auf ein Stativ und stellen Sie die Höhe der Kamera auf 30 cm über dem Boden ein.
   2. Positioniere das Objektiv in einem senkrechten Winkel (≈90°) zum unteren Ende des Motivs.
   3. Wählen Sie in der thermischen Analyse-Software das Polygon/Rechteck-ROI-Werkzeug aus. Klicken und ziehen, um einen 10 x 5 cm großen Kasten über dem Rectus femoris (auf halbem Weg zwischen der vorderen oberen Iliac-Wirbelsäule und der Patella) zu markieren. Klicken Sie auf Berechnen, um die Mitteltemperatur (_{T-Mittelwert)} zu extrahieren.
3. Messpunktprotokoll
   1. Nehmen Sie das thermografische Bild sofort nach Abschluss der 15-minütigen Ruhephase auf.
   2. Um eine Aufnahme innerhalb von 5 Sekunden zu gewährleisten, lassen Sie den Forscher mit voreingestelltem Fokus hinter der Kamera stehen. Beim Signal "Stopp treten" wird das dominante Bein auf eine 6-Uhr-Position ausgestreckt; Drücken Sie sofort den Capture/Freeze-Knopf am Kamera-Trigger.
   3. Erholung nach dem Training: Das dritte thermografische Bild 10 Minuten nach Abschluss der Übung aufnehmen.

3. Ausführung des Übungsprotokolls

1. Stellen Sie das stationäre Fahrrad in den Ergometer-Modus mit einer festen Belastung von 150 W ein (bei Bedarf an das Gewicht des Subjekts angepasst).
2. Stellen Sie ein digitales Metronom ein oder nutzen Sie die integrierte Konsole des Fahrrads, um eine konstante Taktfrequenz von 80 U/min zu gewährleisten. Weisen Sie die Betroffene an, dieses Tempo innerhalb einer ±5-U/min-Marge beizubehalten, um eine gleichmäßige thermoregulatorische Reaktion zu gewährleisten.
3. Überprüfen Sie, dass die Wärmebildkamera auf einen Standardaufnahmemodus mit einem Temperaturbereich von 20 °C bis 45 °C und einer Emissivität von 0,98 eingestellt ist.

4. Datenanalyse und Standardisierung

1. Berechnen Sie die thermische Verschiebung (ΔT) mit der Formel: ΔT = T_post - T_pre. Führen Sie diese Berechnung sowohl für die dominanten als auch für die nicht-dominanten Gliedmaßen durch, um die thermische Asymmetrie zu bestimmen (_{ΔT-Asymmetrie} = |T_rechts - T_links|)
2. Vermeiden Sie es, das ursprüngliche thermografische Bild zu bearbeiten oder zuzuschneiden.
3. Bewahren Sie die anfängliche Bildauflösung und vollständige Metadaten für die Analyse auf.

Ergebnisse

Zyklische Biomechanik:
Die Zyklus-Biomechanik arbeitet im Pedalzyklus. Die Push-Phase (Abwärts) erzeugt die Hauptkraft: Quadriceps (Rectus femoris, Vastus lateralis, Medialis und Intermedius) sind die Hauptmotoren, die das Knie verlängern und das Pedal antreiben. Die Gesäßmuskeln unterstützen die Hüftstreckung und sorgen für Kraft und Stabilität. Die Kälber (Gastrocnemius und Soleus) vollenden die Kraftübertragung. Die Zug- und Erholungsphase (nach oben) bereitet das ...

Diskussion

Die Forschung basiert auf zwei Säulen: der Wirksamkeit der Infrarot-Thermographie (IRT) als nicht-invasives Werkzeug zur Messung physiologischen Stresses und der dringenden Notwendigkeit, ihr methodisches Protokoll zu standardisieren. Die Begründung für die Verwendung von IRT zur Beurteilung von Müdigkeit beim Radfahren wird durch eine Netzwerkanalyse (Abbildung 2) bestätigt, die Hauttemperatur- und Bewegungsüberwachung als zentrale Themen in der Literatur ^1,...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Borg-Skala	Borg-Wahrnehmung	RPE Skala 6-20	Die 6-20 RPE-Skala wird verwendet, um subjektive Ermüdung mit objektiven thermischen Asymmetrien und subklinischen Hotspots zu korrelieren.
Kontrollierte Kammer	Interne Einrichtungen	Physiologisches Labor	Umwelt bei 18 °F gehalten; C bis 25 &°F; C und 40 & Strich; 55 % Luftfeuchtigkeit, um eine stabile Hauttemperatur zu gewährleisten und konvektive Störungen zu minimieren.
Datenprotokollblätter	Google	Google Forms (Digitaler Eintrag)	Standardisierte Formulare zur Erfassung anthropometrischer Daten (Alter, Geschlecht, BMI) und Hydrationsstatus zur Kontrolle einzelner thermoregulatorischer Variablen.
Informierte Einwilligung	Lokaler Ethikausschuss	Institutionelles Format	Dokumentation, die vom örtlichen Ethikausschuss genehmigt wurde und die Einhaltung der Helsinkier Erklärung für nicht-invasive Überwachung sicherstellt.
Infrarotkamera	FLIR-Systeme	49001-2001	Hochauflösender (320 x 240 px) Wärmebildkamera eingestellt auf ε = 0,98 zur Messung lokalisierter Stoffwechselwärme und thermischer Verschiebungen (Δ T).
Markierungswerkzeuge	BIC / Körpermedizin	Hautmarker / Bodenband	Hautsichere Marker und Bodenband werden verwendet, um den Abstand zwischen Kamera und Motiv auf genau 100 cm zu fixieren und eine einheitliche anatomische ROI-Ausrichtung sicherzustellen.
Stadiometer & Maßstab	SECA	763 (Digitalstation)	Werkzeuge zur Erfassung von Größe und Körpergewicht; notwendig zur Berechnung der normalisierten Leistung und zur Dokumentation subjektspezifischer physiologischer Basislinien.
Standardisierte Kurzfilme	Nike	HV0411-010 / CZ9831-010	Schwarze Lycra-Kleidungsstücke standardisierten die Hautemissivität und ermöglichten ungehinderten Zugang zu den unteren Gliedmaßen-Interesseregionen (ROIs).
Stationäres Fahrrad	Monark	828E Ergomedic	Elektromagnetisches Ergometer ist auf eine feste Arbeitsbelastung (z. B. 150 W) und konstante Frequenz (80 U/min) eingestellt, um die Gleichgewichtsproduktion von Stoffwechselwärme sicherzustellen.
Stoppuhr	Casio	HS-3V-1RET	Entscheidend für das Timing der 15-minütigen Akklimatisierungszeit und für die Sicherstellung, dass IR-Erfassung innerhalb von 5 Sekunden nach der Übung erfolgt, um einen schnellen thermischen Zerfall zu vermeiden.
Thermometer-Hygrometer	Kontrollfirma/Rückverfolgbar	4040	Echtzeit-Überwachungsgerät; wird verwendet, um Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit in die Objektparameter der IR-Kamera zur atmosphärischen Korrektur einzugeben.
Tripod	FLIR-Systeme	T197731	Stabile Stütze auf 30 cm Höhe und senkrechten Winkel gesetzt (≈ 90°) zu den unteren Extremitäten zur wiederholbaren Bildaufnahme.