Paradigmenwechsel in der Laufschuhentwicklung
bei True Motion

Evidenzbasierte und wissenschaftlich evaluierte Laufschuhtechnologie
Ein Beitrag zu der im Frühjahr 2020 fertig gestellten, breit angelegten biomechanischen Studie mit 83 Läufer*innen von Prof. Dr. Gert-Peter Brüggemann, True Motion-Gründer, Professor für Biomechanik und Laufschuhexperte

Alte und neue Paradigmen
Über Jahrzehnte orientierte sich die Entwicklung von Laufschuhen – wenn sie zielorientiert und nicht nur von Design und Marge getrieben war – an den Aufgaben
(1) einer Reduktion von Laufverletzungen und
(2) der Verbesserung von Komfort und Leistung.
Bemerkenswert ist, dass die epidemiologischen Studien zu Verletzungen beim Laufen seit Jahrzehnten keine Veränderungen in Bezug auf Verletzungshäufigkeit oder Verletzungslokalisation verzeichnen konnten – obwohl Wissenschaft und Industrie massive Anstrengungen zur Veränderung von Laufschuhen und Schuhtechnologien unternommen haben. Interessant ist, dass seit Jahren die mit Abstand größte Häufigkeit von laufinduzierten Verletzungen am Kniegelenk beobachtet wird, gefolgt von der Achillessehne als zweithäufigster Indikation.
Dem Ziel der Verringerung des Verletzungsrisikos liegen traditionell zwei Paradigmen zugrunde, nämlich
(i) die Dämpfung des Impacts beim Fußaufsatz und
(ii) die Bewegungskontrolle mit Fokus auf Kontrolle der Pronation, bzw. Überpronation.

Beide Paradigmen mussten im Laufe der letzten Jahre verworfen werden, da weder für Impact-Dämpfung noch für die Kontrolle der Pronation mit Vermeidung der Überpronation, klinische Evidenz oder biomechanische Wirksamkeit nachgewiesen werden konnte.
Dass der Impact beim Fußaufsatz keine gesundheitliche Bedeutung hat und dass zudem ein Laufschuh kaum in der Lage ist, diese Variable substanziell und systematisch zu beeinflussen, wurde bereits vor 20 Jahren eindrucksvoll bewiesen und entsprechend publiziert (z.B. Nigg, B.M. 2001).

Mythos Stabilisierung
Unverständlich: Teilweise halten Handel und sogar einige Hersteller bei der Laufschuhentwicklung, bei der Laufschuhbeurteilung und -beratung noch immer und oft ausschließlich am Kriterium der Stabilisierung des Sprunggelenks fest, mit entsprechender Pronationsverhinderung und Eversionsvermeidung (Nachinnenkippen des Fersenbeins, meist festgemacht an der Verkippung der Fersenkappe des Schuhs). Und dies, obwohl ein Zusammenhang von möglicherweise übermäßiger Pronation und laufinduzierten Verletzungen nie nachgewiesen wurde.
Im Gegenteil – groß angelegte prospektive Studien (z.B. Nielson, R.O. et al. 2014) zeigen, dass ein pronierter Fuß mit einem geringeren Verletzungsrisiko verbunden ist als ein neutraler oder vollkommen geradestehender Rückfuß.
Die klinische Bedeutung der Pronation und Überpronation in einem unmittelbaren Bezug zu Verletzungen, sowie die systematische Beeinflussung der Pronation durch die Schuhkonstruktion sind nicht belegt und entbehren wissenschaftlicher Evidenz.
„Impact-Dämpfung“ und „Pronationskontrolle“, die traditionellen Paradigmen, sind somit für eine Reduktion des Verletzungsrisikos beim Laufen nicht relevant. Als Zielgrößen für die technische Entwicklung von Laufschuhen erscheinen sie ungeeignet und letztlich untauglich.

Problemgelenk Knie
Am häufigsten ist das Knie von laufinduzierten Verletzungen betroffen. Die meisten Beschwerden machen das Patellofemorale Schmerzsyndrom (PFSS) oder das sogenannte Läufer-Knie (ITBS, Iliotibial- Band-Syndrom).
Zweithäufigster Beschwerdeort ist die Achillessehne.
Die bisherigen Paradigmen lassen für diese beiden Verletzungen kaum technische Lösungen zur Risikoreduktion und Beschwerdeminderung ableiten.

Komfort und Leistung
Verbesserung von Komfort und Leistung konzentrieren sich bis heute auf Vermeidung von Energieverlusten, etwa Energieverlust in den Zehengrundgelenken, Verzicht auf zusätzliches Schuhgewicht. Diese Anstrengungen zeigten jedoch nur eingeschränkte generelle Wirksamkeit.
Für den Sprint und das sehr schnelle Laufen konnte bei Minimierung des Energieverlustes im Zehengrundgelenk durch longitudinale Sohlenversteifung eine geringe und individuell sehr unterschiedliche Leistungsverbesserung für einen recht kurzen Zeitraum nachgewiesen werden. Die Versteifung der Sohle vergrößert jedoch in der Regel den Hebel der Bodenreaktionskräfte zum Sprunggelenk. Das führt zu einer deutlichen Erhöhung der Belastung der Achillessehne und der Kraft der großen Plantarflexoren (vor allem M triceps surae). „Light Weight“-Technologien sind eher für das Komfort-Empfinden beeinflussend, setzten sich durch moderne Materialien allgemein durch und sind mittlerweile kaum diskriminierender Faktor für bessere Leistung.

Zeit für einen Paradigmenwechsel
Letztlich und kritisch betrachtet: Die technische Entwicklung von Laufschuhen war in den letzten Jahren oder gar Jahrzehnten mehr oder weniger frei von Evidenz basierten Paradigmen. Man orientierte sich an technischen Zielen, die weder mit einer Reduktion des Verletzungsrisikos noch mit einer Verbesserung der Leistung widerspruchsfrei in Zusammenhang zu bringen sind.

Diese Überlegungen waren Anlass, mit True Motion den wahren Neuanfang einer Bewegung zu starten. Wir haben einen rigorosen Reset gewagt, noch einmal ganz von vorne anzufangen und neu zu denken.
Dabei bauen wir auf einem starken Fundament: zwanzig Jahre wissenschaftliche Arbeiten, wiederholtes Studium der umfangreichen klinischen, epidemiologischen und biomechanischen Literatur, sowie mehr als 25 Jahre Erfahrung in Forschung und technischer Laufschuhentwicklung.
Hieraus entwickelte True Motion neue Paradigmen zur Bearbeitung der primären Aufgaben und Ziele eines technischen Laufschuhs.

Als wichtigste Aufgaben des Laufschuhs sehen wir zwei Aspekte –
(1) Reduktion des Verletzungsrisikos durch Vermeiden nicht notwendiger Gelenk- und Gewebebelastungen beim Laufen
(2) Verbesserung von Komfort, Leistung und Leichtigkeit des Laufens

Aus diesen übergeordneten Zielen leiteten wir biologisch inspirierte technische Lösungen ab, setzten sie in Prototypen von Laufschuhen um und prüften umfangreich auf Evidenz. Damit waren wir in der Lage, die extrahierten Paradigmen und daran orientierte Technologien in Bezug auf ihre Evidenz zu belegen und die neuen Technologien wissenschaftlich zu evaluieren.
Wahrscheinlich erstmalig für den technischen Laufschuh, liegen ein auf Paradigmen basiertes Konzept und eine technische Lösung vor – welche empirisch evaluiert werden konnten und damit streng Evidenz basiert sind.

 

Risikominimierung und Leistungsoptimierung
Die neuen True Motion-Paradigmen orientieren sich streng an:
(a) einer Reduktion des Risikos übermäßiger Belastungen, vor allem von Knie- und Sprunggelenk
(b) einer Verbesserung von Komfort und Leistung im Sinne einer Verbesserung von „Leichtigkeit und Spaß am Laufen“, somit eines „bestmöglichen Lauferlebnisses“ für jeden Läufer und jede Läuferin.

Unter (a) sind insbesondere nicht vortriebswirksame Kräfte und Drehmomente angesprochen, die meist in der Frontal- und Transversalebene der Gelenke wirken. Diese werden bemerkenswerterweise durch traditionelle oder konventionelle Laufschuhe mit ihren meist breiten und vor allem kantigen Sohlenkonstruktionen gegenüber einem nicht-beschuhten Laufen vergrößert. Hierzu finden sich einige belastbare wissenschaftliche Arbeiten, die zum Beispiel eine Erhöhung der internen Abduktionsmomente am Knie um im Mittel 7% und des Außenrotationsmomentes um 6% durch das Tragen von Laufschuhen berichten (Stefanyshyn, D.J. et al. 2006).
Können diese zusätzlichen und nicht vortriebswirksamen mechanischen Belastungen verringert werden, wird nicht nur die Gelenk- und Gewebebelastung reduziert. Auch zusätzliche Muskelkräfte, die diesen Kräften und Momente entgegenwirken müssen, werden minimiert.
Bei jedem Schritt wird die gesamte Muskelarbeit kleiner und das Laufen erleichtert. Leistung und Komfort werden verbessert.
Mit diesem Ansatz gelingt zum ersten Mal eine Symbiose beider Zielgrößen „Risikominimierung“ und „Leistungsoptimierung“.

Die True Motion Paradigmen

PARADIGMA 1:
Vermeiden zusätzlicher, unphysiologischer und nicht vortriebswirksamer Belastungen von Knie- und Sprunggelenk vor allem in den sekundären Bewegungsebenen,
(a. Frontalebene, (z.B. Knie: Add- und Abduktionsmomente; Sprunggelenk: In- und Eversionsmomente); b. Transversalebene, (z.B. Knie: Innen- und Außenrotationsmomente).

Vermeidung oder zumindest Reduktion zusätzlicher, durch einen traditionellen Laufschuh (mit seiner recht breiten und eckigen Sohle/ perfekt für das Stehen, aber nicht für das Laufen) erzeugten Drehmomente in den sog. sekundären Bewegungsebenen (a. Frontalebene; b. Transversalebene).

Erläuterung:
Sekundäre Bewegungsebenen sind die
• Frontalebene (mit Eversion und Inversion des Sprunggelenks, sowie Abduktion (x-Stellung) und Adduktion (o-Stellung) des Kniegelenks) und die
• Transversalebene (mit Adduktion und Abduktion des Sprunggelenks (Innen- und Außendrehung um die Hochachse) und Innen- und Außenrotation des Kniegelenks (Rotation um die Längsachse des Unterschenkels).

Die primäre Bewegungsebene beim Laufen ist die Sagittalebene (mit Plantar- und Dorsalflexion des Sprunggelenks, sowie Flexion und Extension des Kniegelenks).
Eine Reduktion der quer zur Bewegungsrichtung nach innen und außen (medio-lateral) wirkenden Kräfte und vor allem eine Reduktion der Kraftarme (Hebel) der Bodenreaktionskräfte zu Sprunggelenk und Kniegelenk in der Frontalebene, verringert die Ab- bzw. Adduktionsmomente und damit die Kippkräfte am Knie sowie die Ursache für eine übermäßige Verkippung des Sprunggelenks.
Die Zentrierung des Kraftangriffspunktes unter der Mittelachse des Fußes reduziert die Hebel der horizontalen Bodenreaktionskräfte (Querkräfte und Vorwärts-rückwärts Kräfte) und damit die an den Gelenken (Sprunggelenk, Kniegelenk) wirkenden Drehmomente um die Hochachse.

PARADIGMA 2:
Optimierung der Effizienz der Antriebe in der primären Bewegungsebene durch eine Verbesserung der mechanischen Effizienz der Muskelarbeit.
Eine Verbesserung der Effizienz der Muskelarbeit wird durch Reduktion der Kontraktionsgeschwindigkeit und der Längenänderung der Muskeln der Hauptantriebe erreicht. Damit sollen individuelle muskuläre Potenziale bestmöglich genutzt und eine Reduktion der energetischen Kosten für den Vortrieb erzielt werden.

Erläuterung: Die Kraft, die ein Muskel bei gegebener Innervation und Energieverbrauch erzeugt, hängt von seiner Kontraktionsgeschwindigkeit und seiner Länge ab. Eine Reduktion der Kontraktionsgeschwindigkeit (z.B. durch Abgabe von Energie in eine elastische Sohle, Speicherung der Verformungsenergie und Rückgabe der gespeicherten Energie an den Läufer zum richtigen Zeitpunkt, an der richtigen Stelle) vergrößert die vom Muskel erzeugte Kraft und damit seine Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Im Bereich seiner optimalen Länge kann der Muskel zudem die höchstmögliche Kraft erzeugen.

U-TECH TM heißt die technische Lösung
Zur Annäherung des ersten Paradigmas wurde das Konzept der Zentrierung der wirkenden Kraft im Zentrum einer gelenkigen Verbindung, mit dem Ziel der Hebelminimierung und der resultierenden Drehmomente gewählt.
Die technischen Lösungen der U-TECH Technologie sind stark biologisch inspiriert.
Biologische Vorbilder waren das Kniegelenk und seine Menisken. Wie eine mechanische Kalotte sorgen sie dafür, dass die Kontaktkraft im medialen und lateralen Kompartment des Knies in den jeweiligen Zentren der Kompartimente wirkt und keine Drehkräfte entstehen. Auch das Fersenbein kann als Vorbild dienen.
Der Rückfuß ist von einem Weichteilring umgeben, der die Aufgabe erfüllt, die Bodenreaktionskräfte zentrisch unter der Ferse zu justieren.
Durch die U-TECH Technologie mit der in sich runden U-förmigen Anordnung von hochresponsivem U-FOAM wird der Kraftangriffspunkt unmittelbar nach dem Fußaufsatz zentriert und entlang der Mittelachse des Fußes zentriert nach vorn geführt.
Dem Anspruch aus Paradigma 1 wird weiterhin genügt, indem der Fersenbereich des U-TECH Elementes rund und weich gestaltet ist, um – unabhängig vom Aufsatzpunkt des Rückfußes – den Hebel der Bodenreaktionskraft zum Zentrum des Sprunggelenks minimal zu gestalten.
Damit ist gewährleistet, dass die Muskelkräfte zur Bewegungskontrolle des Sprung- und Kniegelenks bei der Landung in einem gewohnten und physiologischen Bereich verbleiben. Weiterhin wird durch Gestaltung der Flexbereiche im vorderen Sohlenteil, der Zehensprengung mit moderater Rockerform, sowie einem Verzicht auf eine longitudinale Versteifung der Zehengrundgelenke, die Achillessehnenkraft beim Abstoß nicht künstlich (Schuh bedingt) erhöht.

Die Möglichkeit des Eindringens des Fußes in die weich elastische U-TECH Technologie kann Paradigma 2 genügen. Elastische Energie wird in dem U-FOAM abgelegt und zwischengespeichert und damit die Kontraktionsgeschwindigkeit der exzentrisch arbeitenden Extensionsmuskeln in der ersten Hälfte der Standphase reduziert.
Das Herauskatapultieren des Rückfußes (Trampolineffekt) unterstützt zum richtigen Zeitpunkt des Hebens der Ferse, reduziert die Dorsalflexion (Beugung) des Sprunggelenks und gewährleistet die Beibehaltung einer optimalen Muskellänge des Wadenmuskeln (M trizeps surae). Die Muskeln arbeiten bei bestmöglichen mechanischen Muskeleigenschaften ohne zusätzliche Belastung oder zusätzliche energetische Kosten effizienter.
Für die Läufer*innen bedeutet das: Das Laufen wird „leichter“ und als extrem komfortabel bewertet; letztlich wird die Leistung verbessert.

Evidenzprüfung und biomechanische Evaluation
Im Rahmen insgesamt sechs biomechanischer Studien, wurden insgesamt 83 Läufer und Läuferinnen und damit über 160 Beine aufwändig biomechanisch untersucht.
Neben den Bewegungen von Sprunggelenk, Kniegelenk und Hüftgelenk in allen drei Bewegungsebenen wurden die externen Gelenkmomente in allen Ebenen bestimmt und die internen Muskel- und Bandkräfte berechnet. Muskellängen und Muskelkontraktionsgeschwindigkeit konnten über mathematische Modelle abgeleitet werden.
Untersucht wurden die True Motion Modelle NEVOS und AION, im Vergleich zu den aktuell bestverkauften und anerkanntesten Laufschuhen der Kategorien Neutral/Cushion und Support.
Paradigma 1 konnte durch die Analyse des Kraftangriffspunktes quer zur Bewegungsrichtung (mediolateral) und in Bewegungsrichtung (anteroposterior) sowie die resultierenden internen Abduktions- und Außenrotationsmomente an Sprung- und vor allem Kniegelenk geprüft werden.
Die mediolaterale Abweichung des Kraftangriffspunktes von der Mittelachse des Fußes, zeigt sich bei der U-TECH Technologie hoch signifikant geringer als bei den Vergleichsschuhen.
Vor allem wird die Geschwindigkeit der Verlagerung des Kraftangriffspunktes sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung deutlich und statistisch hoch signifikant reduziert.
Dabei ist die Wirkung des AION noch etwas intensiver (größere Effektstärke) als die des NEVOS. Der verbleibende Korridor für den Kraftangriffspunkt auf seiner Reise von hinten nach vorne während der Standphase ist beim AION somit noch etwa schmaler als beim NEVOS.
Die internen Abduktionsmomente am Knie (Kippkräfte) – werden bei Läufer*innen mit deutlichen externen Adduktionsmomenten vor allem in der ersten Hälfe des Bodenkontaktes durch die U-TECH Technologie gegenüber herkömmlichen Schuhen mit im Mittel um ca. 5% (NEVOS) bis ca. 8% (AION) reduziert. Auch das interne Außenrotation-Moment am Knie kann im Mittel um ca. 10% verringert werden.
Die Kontrolle der Geschwindigkeit und der Lage des Kraftangriffspunktes durch die U-TECH TM Technologie reduziert die maximale Achillessehnenkraft im Mittel um 5% (NEVOS) bis etwa 8% (AION) gegenüber den neutralen (Cushion) und gestützten (Support) Vergleichsschuhen.
Die Lösung für Paradigma 2 zeigt sich zunächst in der sog. Kraftanstiegsrate (RFD, Rate of Force Development), die gern als Merkmal der „Dämpfung“ verwendet wird, eher aber ein sehr guter Parameter zur Beschreibung der Energieabnahme durch die Sohle und Verlangsamung der Beinbewegung des Läufers ist.
Eine Verlangsamung der Beinbewegung gestattet der Muskulatur bei geringerer Verkürzungsgeschwindigkeit, also langsamer und damit effizienter zu arbeiten.
Die Kraftanstiegsrate (RFD) wird durch die U-TECH Technologie gegenüber den untersuchten Support-Schuhen und auch gegenüber den Schuhen der Kategorie Neutral/Cushion hoch signifikant (p<0,01) reduziert. Während der NEVOS die Kraftanstiegsrate um fast 10% reduziert, gelingen mit dem etwas mehr an Material beim AION mehr als 15% RFD Reduktion.
In Bezug auf die effizientere Muskelarbeit finden sich vor allem an der Wadenmuskulatur eine Reduktion von Muskellängenänderung und von maximaler Kontraktionsgeschwindigkeit.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Schuhen ist die Verbesserung der Effizienz der Muskelarbeit der Wadenmuskeln mit etwa 10% abzuschätzen.

Das Fazit
True Motion hat – nachdem traditionelle Paradigmen für den Laufschuh als nicht evident und die abgeleiteten technischen Lösungen als nicht wirksam gefunden wurden – neue Paradigmen zur Bearbeitung der Ziele „Risikominimierung“ und „Leistungs- und Komfortverbesserung“ erarbeitet und etabliert.
Damit ist es zum ersten Mal gelungen, eine theoretische Brücke zwischen Belastungsreduktion und Leistungsoptimierung zu schaffen. Eine Symbiose von Verletzungsprävention beim Laufen und Verbesserung von Leistung, bzw. Leichtigkeit des Laufens wurde realisiert.
Die Paradigmen wurden unmittelbar auf die technischen Lösungen der U-TECH Technologie unter Verwendung neuer Formen, Strukturen und Materialien abgebildet.
Die Wirksamkeit dieser technischen Neuerungen wurde systematisch untersucht und geprüft.
Es konnte hohe Evidenz für beide Paradigmen im Rahmen experimenteller biomechanischer Studien nachgewiesen werden.
Gleichzeitig zeigen praktische Beobachtungen an mittlerweile sehr vielen Läufer*innen, die hohe Akzeptanz der innovativen U-TECH Technologie von True Motion in der praktischen Anwendung.