Hegewald, Günther: Ganganalytische Bestimmung und Bewertung der Druckverteilung unterm Fuß und von Gelenkwinkelverläufen - eine Methode für Diagnose und Therapie im medizinischen Alltag und für die Qualitätssicherung in der rehabilitationstechnischen Versorgung

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Kapitel 2. Zur Geschichte der Ganganalyse

2.1. Die Anfänge der Ganganalyse

Philosophen, Mediziner, Mathematiker und Physiker beschäftigten sich seit frühester Zeit mit der Analyse des menschlichen Ganges. Schon Aristoteles (384 v. Chr. bis 322 v. Chr.) und Galenus (129 n. Chr. bis 199 n. Chr.) schrieben über dieses Thema.

Gassendi (1592 bis 1655) stellte in seiner Abhandlung „de vi motrice et motionibus animalum“ / [2-1] / 10 Sätze über die Bewegung des Gehens auf. Er erkannte, daß das Gehen, welches geradlinig zu sein scheint, eine aus mehreren um verschiedene Mittelpunkte beschriebene Kreisbögen zusammengesetzte Bewegung ist. Mit einfachen Experimenten konnte er feststellen, daß die Fortbewegung des Rumpfes wellenförmig ist, und zwar sowohl auf- und abwärts, als auch nach rechts und links. Bei Gassendi erschien erstmalig der Gedanke, daß die Fortbewegung nur durch den Gegendruck des Bodens erfolgen kann.

Als einer der Wegbereiter der Ganganalyse gilt Borelli (1608 bis 1679). Sein Werk „de motu animalum“ / [2-2] / erschien 1682. Borelli definierte als erster den Körperschwerpunkt (COG - center of gravity). Er bestimmte den Körperschwerpunkt experimentell, indem er einen Leichnam auf ein abgerichtetes Brett legte und dieses auf einer Kante eines Prismas ins Gleichgewicht brachte. Borelli betrachtete den COG als Angriffspunkt der Kräfte, welche beim Gehen wirksam sind. Er unterschied zwei Gangphasen, die Phase in der beide Beine den Boden berühren und die Phase in der nur ein Bein am Boden ist. Die Vorwärtsbewegung beim Gang erfolgt durch Vorverlagerung des COGes vor die Unterstützungsfläche des den Boden berührenden Beines. Das Gleichgewicht wird durch die nach vorn schwingende und dann aufsetzende kontralaterale Extremität gesichert.

Um zu ermitteln, ob der Rumpf des gehenden Menschen nach links und nach rechts schwankt, führte Borelli ein einfaches Experiment durch. Er richtete zwei Stangen in großer Entfernung voneinander senkrecht auf und versuchte so zu gehen, daß die hintere Stange immer von der vorderen bedeckt blieb. Dabei fand er, daß die hintere Stange mal links und mal rechts neben der vorderen Stange erschien und bewies damit, vergleichbar wie Gassendi, die seitlichen Schwankungen beim Gehen.

Die moderne wissenschaftliche Ausarbeitung der Mechanismen des Ganges begann im 19. Jahrhundert. Mehr als 150 Jahre nach der Arbeit von Borelli erschien das Werk der Gebrüder Weber „Die Mechanik der Gehwerkzeuge“ / [2-3] /. Durch zahlreiche Messungen über die Neigung und die vertikalen Schwankungen des Rumpfes, über die Beinlänge bei verschiedenen Gangphasen, über die Schwingungsdauer des Beines, über das Verhältnis zwischen Schrittdauer und Schrittlänge und über andere für die Fortbewegung des Menschen in Betracht kommende Größen und Beziehungen haben sie ein umfangreiches Beobachtungsmaterial zusammengetragen. Einige Schlußfolgerungen aus ihren direkten Messungen haben noch heute Gültigkeit. Eine ihrer grundlegenden Erkenntnis ist z.B. die Tatsache, daß der Zeitraum, in welchem beim Gehen beide Beine den Boden berühren (Zweibeinstand), um so kürzer ist, je schneller man geht. Ebenso gilt als gesichert, daß der Oberkörper beim Gehen eine etwas tiefere Stellung gegen den Boden annimmt als beim Stehen. Dabei senkt sich mit steigender Geschwindigkeit der Oberkörper immer mehr ab. Einige Annahmen der Brüder Weber, die sich nicht unmittelbar aus den Meßresultaten ergaben, hielten späteren kritischen Untersuchungen nicht Stand. Wesentliche Webersche Grundprinzipien des Ganges konnten durch spätere Serien von fotografischen Momentaufnahmen widerlegt werden. Viel ist gegen die Annahme der Gebrüder Weber geschrieben worden, daß beim Gehen das nicht den Boden berührende Bein durch seine Schwere wie ein Pendel von hinten nach vorn schwingt. Diese Annahme begründeten sie mit umfangreichen Messungen der Schwingungsdauer des frei am Rumpf herabhängenden Beines sowohl am lebenden Menschen als auch an Leichen. Sie fanden eine gute Übereinstimmung der Schrittdauer beim schnellsten Gehen (0,323 s) mit der halben Dauer einer Pendelschwingung des Beines (0,346 s). Aus diesem Meßergebnis schlossen sie, daß die erstere durch die letztere bestimmt wird, indem nämlich das hintere vom Boden erhobene Bein, nur von seiner Schwere getrieben, nach vorn schwingt. Ist das Bein senkrecht unter seinem Aufhängepunkt, dem Hüftgelenk, angelangt, wird es aufgesetzt und die Schwingung damit zur Hälfte der Schwingungsdauer unterbrochen. Momentaufnahmen des gehenden Menschen belegen, daß diese Interpretation falsch war.


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1881 erschien in Tübingen das Buch von Vierord / [2-4] / „Ueber das Gehen des Menschen in gesunden und kranken Zuständen“. Er versuchte durch eine Reihe von Experimenten die räumlichen und zeitlichen Verhältnisse des Gehens zu registrieren. Mit Hilfe einer besonderen Vorrichtung am Schuh des Gehenden wurde ein Abdruck des Fußes beim Auftreten erzeugt. Aus dem Abdruck konnten mit großer Genauigkeit die Länge des einzelnen Schrittes, sowie die mittlere und größte Schrittlänge für jedes Bein bestimmt werden, ebenso die Schrittbreite, der Winkel, welcher die Richtung der Fußlängsachse mit der Gangrichtung beim Aufsetzen des Fußes bildet und andere für die Erkenntnis des Mechanismus der Gehwerkzeuge wichtige Daten.

Des weiteren hat Vierord den Versuch unternommen, die Bewegung der Beine und Arme in ihrem ganzen Verlauf grafisch unmittelbar zu registrieren. Hierzu verwendete er an verschiedenen Stellen des Körpers angebrachte Ausflußröhrchen. Während des Gehens floß aus den Röhrchen farbige Flüssigkeit aus und zeichnete auf am Boden befindliches oder seitlich vertikal angebrachtes Papier Kurven auf. Trotz der bei dieser Methode prinzipiell auftretenden großen Fehlerquellen, stellen diese Experimente den ersten Versuch einer gleichzeitigen Registrierung der Bewegungskurven einzelner Körperteile dar.

Mit der Entwicklung der Fotografie stand den Wissenschaftlern eine neue Methode zur Bewegungsanalyse zur Verfügung. Der amerikanische Fotograf Muybridge aus San Franzisko nutzte als erster die Fotografie zur Fixierung von Bewegungsphasen. Ihm ist es zuerst gelungen, eine Serie von aufeinanderfolgenden Bewegungsphasen eines Pferdes zu fotografieren. Hierzu verwendete er mehrere nebeneinanderstehende Fotoapparate, welche nacheinander in kurzen Zeitintervallen für einen Moment geöffnet wurden. Die Beschreibung dieser ersten Serienaufnahmen wurden im Jahre 1882 von William unter dem Titel „The horse in motion, as shown by instantaneous photography“ / [2-5] / veröffentlicht.

Die ersten Bilder waren noch relativ unscharf. Weitere Erfindungen auf dem Gebiet der Fotografie ermöglichten jedoch bald Momentbilder, bei denen auch Einzelheiten mit großer Schärfe hervortraten. Nach seinen ersten Erfolgen hat Muybridge eine große Anzahl von ausgezeichneten Serienaufnahmen von Menschen und Tieren in verschiedensten Fortbewegungsarten angefertigt. Andere Fotografen wie z.B. Anschütz und Londe folgten Muybridge.

Die Nutzung der Fotografie als wissenschaftliche Untersuchungsmethode ist jedoch hauptsächlich Maray zu verdanken. Maray gelang es nämlich, einen Schwachpunkt der Aufnahmetechnik von Muybridge u.a. zu beseitigen. Um beim Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Momentbilder zu genauen Resultaten gelangen zu können, ist es nötig, daß die einzelnen Bilder in genau paralleler Richtung aufgenommen werden und den gleichen Abbildungsmaßstab aufweisen. Das bedeutet, daß der Abstand der verschiedenen Fotoapparate der Geschwindigkeit des zu vermessenden Objektes angepaßt sein müßte. Es ist leicht einzusehen, daß dies praktisch nicht möglich ist. Es ist daher nötig, bei einem Vergleich der verschiedenen Phasenbilder den verschiedenen Richtungen, von denen aus diese gewonnen wurden, Rechnung zu tragen. Die Berechnungen werden deutlich einfacher, wenn die verschiedenen Richtungen alle durch einen Punkt gehen, daß heißt alle Bilder vom gleichen Punkt aufgenommen werden. Es kann daher als großer Fortschritt betrachtet werden, daß es Maray / [2-6] / gelang, Serienaufnahmen mit Hilfe eines einzigen Fotoapparates anzufertigen. Zunächst arbeitete er dabei mit beweglichen lichtempfindlichen Platten. Zur Belichtung wurden die Platten kurzzeitig angehalten und Teile der Platte belichtet. Mit diesen Apparaten erreichte er eine Wiederholfrequenz von 12 Bildern pro Sekunde.

Um größere Genauigkeiten und höhere Bildwiederholfrequenzen zu erreichen, nutzte Maray später unbewegliche Belichtungsplatten und fotografierte nur diejenigen Teile des Körpers welche für dessen Bewegung wesentlich sind / [2-7] /. Hierzu kleidete er die Menschen vollkommen schwarz ein. Zwischen den Hauptgelenken der Extremitäten wurden weiße Streifen angebracht. Ließ man nun diese Personen vor einem schwarzen Hintergrund mit Licht anstrahlen, dann trugen nur die weißen Streifen zur Belichtung der lichtempfindlichen Platte bei. Dieses Prinzip des Anbringens von passiven Markern an relevanten Körperbereichen und Reduktion des Bildes auf ein binäres Bild (hell / dunkel) wird auch heute noch in modernen Analysesystemen genutzt.

Mit Hilfe der Fotografie erhält man ein Abbild der Zentralprojektion der fotografierten Körper auf eine zur optischen Achse des Apparates senkrecht stehenden Ebene. Aus diesem Abbild kann nicht die exakte Bewegung eines Körpers im Raum bestimmt werden. Während Bewegungen senkrecht zur optischen Achse sich richtig abbilden, würde beispielsweise ein sich in Richtung der optischen Achse des Apparates bewegender Punkt als fixer Fleck in der Fotografie dargestellt werden. Die mittels eines Apparates gewonnenen Serienaufnahmen von Maray ermöglichten also noch keine exakte Bestimmung der Bahnkurven ausgewählter Körperpunkte beim Gehen.


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Zur vollständigen Registrierung einer räumlichen Bewegung sind mindestens zwei in voneinander abweichenden Richtungen gleichzeitig gewonnene Projektionen erforderlich.

Erst mit der Ermittlung der zweiseitigen Chronophotographie durch W. Braune und O. Fischer / [2-8] / wurde die Messung von dreidimensionalen Bewegungen im Raum möglich.

2.2. Die Arbeiten von Braune und Fischer

2.2.1. Die Meßmethodik von Braune und Fischer

Aufbauend auf den Arbeiten von Maray entwickelten Braune und Fischer eine neue Meßmethode zur Bestimmung von Raumkurven aus fotografischen Aufnahmen / [2-8] /. Für die zweiseitige Chronophotographie, wie sie diese Methode nannten, kamen zwei Fotoapparate zum Einsatz. Voraussetzung für die zweiseitige Chronophotographie ist, daß die fotografischen Aufnahmen in kurzen Intervallen zu absolut gleicher Zeit in beiden Apparaten erzeugt werden. Braune und Fischer erreichten dies dadurch, daß sie anstelle der passiven weißen Streifen von Maray intermittierend selbst leuchtende Marker nutzten. Als aktive Marker verwendeten sie zunächst mittels Ruhmkorfschen Funkeninduktor erzeugte elektrische Funken. Der Vorteil des elektrischen Funkens gegenüber anderen zu dieser Zeit genutzten Lichtquellen bestand in seiner großen Helligkeit und geringen Lebensdauer. Beide Eigenschaften waren entscheidend für die Anfertigung von Momentbildern. Anstelle des offenen elektrischen Funkens nutzten Braune und Fischer in späteren Arbeiten günstiger zu handhabende Geisslersche Röhren / [2-10] /.

Für die Messungen des menschlichen Ganges verwendeten sie vier Fotoapparate, je zwei für die linke und die rechte Seite. Je ein Apparat wurde so aufgestellt, daß dessen optische Achse senkrecht zur Gangebene gerichtet war. Die optische Achse des zweiten Apparates bildete mit der des ersten einen Winkel von 60 Grad, so daß er eine Ansicht schräg von vorn vermittelte. Der Koordinatenursprung befindet sich entsprechend Abb. 1 im Punkt 0.

Abb. 1: Meßanordnung von Braune und Fischer

Das Anbringen der Geisslerschen Röhren an den Extremitäten erfolgte so, daß man aus der Position der Endpunkte der Röhren auf die Lage der Gelenkmittelpunkte schließen konnte. Die Röhren leuchteten mit einer Frequenz von 26,09 Hz. Der damalige Stand der Technik und der hohe Anspruch in bezug auf Meßgenauigkeit führte zu einem hohen Zeitaufwand für die Präparation der Versuchsperson. Diese nahm üblicherweise 6 bis 8 Stunden in Anspruch. Die Messungen wurden in der Nacht durchgeführt. Der Meßaufbau war so konzipiert, daß der Proband eine ca. 10 m lange Wegstrecke durchschreiten konnte, ohne durch die Zuleitungsschnüre an der freien Bewegung gehindert zu sein.


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Die Versuchsperson setzte sich ca. 5 m vor dem Koordinatenursprung in Bewegung. Es wurde der natürliche Gang mit normaler Geschwindigkeit angestrebt. Nach etwa fünf Einzelschritten erfolgte die Aktivierung der Geisslerschen Röhren und damit die Aufzeichnung der Gangspuren auf den lichtempfindlichen Platten. Etwa drei bis vier Einzelschritte wurden aufgezeichnet. Nach der Beendigung der Messung setzte der Proband seinen Gang noch einige Schritte fort.

Im Anschluß an die Messung mit dem Probanden fand ein Kalibrieren des Meßsystems statt. Hierzu ist eine zuvor angefertigte Koordinatentafel im Koordiatenursprung senkrecht zu einer der vier optischen Achsen der Apparate aufgestellt worden. Mit Hilfe einer hinter der Tafel entlang geführten Magnesiumlampe wurde die Platte des zugehörigen Apparates erneut belichtet. Die Gangspuren der Röhren und das Koordinatennetz überlagerten sich dabei. Die Kalibrierung ist für alle vier fotografischen Ebenen in der gleichen Weise durchgeführt worden.

2.2.2. Die Auswertung der Messungen von Braune und Fischer

Für die weitere Auswertung wurden von jeder Messung 31 aufeinanderfolgende Phasen, welche gleichmäßig um die Mitte der Koordinatentafel gruppiert waren, herausgegriffen. Die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgende Phasen betrug 0,0383 Sekunden. Es wurde also insgesamt eine Zeitdauer von 1,19 s ausgewertet. Wie wir heute wissen, beträgt die übliche Doppelschrittdauer für das Gehen mit normaler Geschwindigkeit etwa eine Sekunde. Bei ihren Versuchen haben Braune und Fischer also etwas mehr als einen Doppelschritt vermessen.

Um Fehler zu vermeiden, nutzten sie zur Auswertung die Originalplatten. Hierzu ist eigens eine mikroskopische Einrichtung konstruiert worden, welche die Messung der Koordinaten der feinen Gangspuren mit einer Genauigkeit von 1 µm ermöglichte.

Insgesamt wurden eine Vielzahl von Bilderserien gewonnen. Für die weitere Diskussion wählten die Autoren drei Versuche aus. Zwei Versuche stammten von Serien eines unbelasteten Soldaten. Beim dritten Versuch war die Versuchsperson belastet mit Tornister, Patronentaschen und Gewehr. Die Untersuchungen am Gang waren also militärisch motiviert, wie häufig in der Wissenschaft.

In einem ersten Schritt erfolgte anhand der Gangspuren auf den vier fotografischen Platten die Ableitung der räumlichen rechtwinklichen Koordinaten der Enden der Geisslerschen Röhren, die vor der Messung in geeigneter Weise markiert wurden. Aus diesen Koordinaten wurde dann die Lage der Gelenkmittelpunkte von Schulter, Hüfte, Knie, Hand und erstes Fußgelenk bestimmt. Des weiteren sind die Positionen des Scheitelpunktes des Kopfes, des Schwerpunktes des Fußes und der Fußspitze bestimmt worden.

Bevor mit der Interpretation der von Braune und Fischer ermittelten Bahnkurven begonnen wird, macht es sich erforderlich, einige prinzipielle Bemerkungen zur ihrer Aussagefähigkeit anzuführen. Die Untersuchungen sind für damalige Verhältnisse mit einem erheblichen materiellen und zeitlichen Aufwand betrieben worden. Es wurden die neuesten Erkenntnisse der Fotografie und Elektrotechnik genutzt. Die Gewissenhaftigkeit bei der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Messungen war vorbildlich. Insofern stellten diese Arbeiten alle vorangegangenen auf dem Gebiet der Ganganalyse weit in den Schatten. Bedenken bezüglich der Allgemeingültigkeit der Ergebnisse können sich jedoch daraus ergeben, daß pro Messung nur ein Doppelschritt ausgewertet und daß nur eine Versuchsperson vermessen wurde. Man kann allerdings annehmen, daß die Experimentatoren bei ihrem Hang zur Perfektion darauf achteten, daß sie nur solch einen Schritt für die Auswertung nutzten, der dem typischen Gangbild des Probanden entsprach und somit die Auswertung nur eines Doppelschrittes pro Messung keine wesentliche Einschränkung darstellt. Die Ganganalyse von nur einer Versuchsperson führt direkt zu dem auch heute noch diskutierten Problem des normalen Ganges. An dieser Stelle möchte ich hierzu nur die Meinung von Braune und Fischer zitieren / [2-10] , S. 264-265/:

Die Resultate werden nun zwar zunächst sich nur auf den Gang unseres Versuchsindividuums beziehen. Wenn auch jeder Mensch seine besondere, für ihn charakteristische Art zu gehen hat, die oft als Erkennungsmerkmal dient, so kann doch der verschiedene Charakter des Ganges zweier Menschen nur auf geringen quantitativen Unterschieden beruhen, welche in erster Linie durch etwas verschiedene Dimensionen der Knochen, etwas abweichende Gestaltung der Gelenkflächen und vor allen Dingen durch verschiedene Massenvertheilung im Körper bedingt sind. Die Folge und Art der gleichzeitigen Bewegung der einzelnen Körperabschnitte ist bei allen Menschen dieselbe.

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So führt z.B. bei allen Individuen der Rumpf während des Gehens gewisse Schwankungen und Drehungen aus; dieselben sind wohl quantitativ verschieden, nicht aber qualitativ. Es giebt Menschen, welche ihre Schultern und Hüften sehr stark verdrehen, so daß man diese Bewegungen deutlich aus der Ferne wahrnehmen kann, und es giebt Menschen, welche Schultern und Hüften verhältnissmässig ruhig beim Gehen halten, so dass man ihre Verdrehung nur in der Nähe genau beobachten kann. Die Art der angedeuteten Schulter- und Hüftbewegungen ist aber bei diesen wie bei jenen ganz dieselbe. Schulterlinie und Hüftlinie drehen sich um eine vertikale Axe immer nach der Seite des vorschwingenden Armes oder Beines. . . .So dürften denn die Resultate, welche die Coordinatentabellen zu Tage fördern, nicht bloss individuelle Gültigkeit besitzen, sondern die typischen Gesetze erkennen lassen, nach welchen die Bewegung der Glieder beim Gange des Menschen stattfinden. Sie werden andererseits vermuthlich die Mittel an die Hand geben, die geringen Unterschiede welche jedem Gange sein charakteristisches Gepräge verleihen, quantitativ zu bestimmen.“

2.2.3. Die Ergebnisse der Arbeiten von Braune und Fischer

2.2.3.1. Die Bahnkurven / [2-10] /

Im Anhang 1 in Tabelle 14 und Tabelle 15 sind die Bahnkurven für verschiedene Körperpunkte der Versuchsperson aufgelistet (Versuch 1).

Der Proband ist in X-Richtung gelaufen. Die Y-Achse befindet sich quer zur Gangrichtung. Die Z-Achse verläuft in vertikaler Richtung. Die Bahnkurven sind zeitlich periodische Funktionen, wobei die Frequenz in horizontaler Richtung der Schrittfrequenz und in vertikaler Richtung der doppelten Schrittfrequenz entspricht. Abb. 2 und Abb. 3 zeigen solche typischen zeitlichen Verläufe. Der tiefste Punkt während einer Gangperiode wird beim Aufsetzen des Fußes bzw. kurz danach erreicht. Der Durchlauf des höchsten Punktes erfolgt in der Zeit in der das Bein über dem Boden schwingt. Die Nullinie in horizontaler Richtung wird in der Phase überstrichen, in der beide Beine auf dem Boden sind. Die horizontalen Extrema werden ungefähr dann erreicht, wenn der Fuß voll auf den Boden aufgesetzt ist. Dabei neigt sich der Körper auf die Seite des aufstützenden Beines.

Die kompletten grafischen Darstellungen des Zeitverhaltens von Schulter- und Hüftmittelpunkt, vom Scheitelpunkt des Kopfes, von rechtem Kniegelenk und rechtem Sprunggelenk sind im Anhang 1 ( Abb. 118 bis Abb. 132 ) zusammengefaßt. Die Kurven für die Mittelpunkte wurden dabei aus den Meßwerten von rechter und linker Seite errechnet.

Die Abb. 4 bis Abb. 6 enthalten die Y-Z-Darstellungen von Schulter- und Hüftmittelpunkt und Kopfscheitelpunkt. Anhand der Abbildungen der Bahnkurven ist zu erkennen, daß die Versuchsperson asymmetrisch gelaufen ist. Beim Auftreten auf das linke Bein senkte sich die Hüftmitte tiefer ab als beim Auftreten des rechten. Eine geringfügige Beinverkürzung rechts könnte hierfür die Ursache sein.

Die Y-Z-Darstellungen von Hüfte, Schulter und Kopf ähneln - abgesehen von den vorhandenen Asymmetrien - dem typischen Verlauf der Bahnkurve eines Punktes der in Z-Richtung mit der doppelten Frequenz schwingt wie in Y-Richtung (Lissajoussche Figuren). Der Y-Z-Verlauf ausgewählter Körperpunkte wird verständlich, wenn man sich den Gang als Überlagerung von Abrollen über den Fuß (zweifache Doppelschrittfrequenz) und Lastwechsel zwischen linkem und rechtem Fuß (einfache Doppelschrittfrequenz) vorstellt.


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Abb. 2: Der zeitliche Verlauf der Y-Koordinate des Schultermittelpunktes

Abb. 3: Der zeitliche Verlauf der Z-Koordinate des Schultermittelpunktes

Abb. 4: Y-Z-Darstellung des Schultermittelpunktes

Abb. 5: Y-Z-Darstellung des Hüftmittelpunktes


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Abb. 6: Y-Z-Darstellung des Kopfscheitelpunktes

2.2.3.2. Die Koordinaten des Gesamtschwerpunktes / [2-11] /

Für die Bewegung des Schwerpunktes gilt folgender Grundsatz:

Der Schwerpunkt eines Körpers oder eines Systems von Körpern, auf dem beliebige innere und äußere Kräfte einwirken, bewegt sich stets so, als ob alle Massen in ihm vereinigt wären und alle äußeren Kräfte direkt an ihm selbst angreifen würden.

Die inneren Kräfte üben keinen Einfluß auf die Bewegung des Schwerpunktes aus, weil sie immer paarweise entgegengesetzt gleich sind. Aus der Bewegung des Schwerpunktes kann also auf die Einwirkung äußerer Kräfte geschlossen werden.

Die Bahn des Gesamtschwerpunktes der Versuchsperson wurde aus den Bahnen der Einzelschwerpunkte der Körpersegmente (je zwei Segmente für Fuß, Unter- und Oberschenkel, Unter- und Oberarm und je ein Segment für Rumpf und Kopf) berechnet.

Das Massenverhältnis der Körpersegmente ist aus Messungen an Leichenteilen bestimmt worden / [2-8] , Tabelle 1 /. Da die Massenverhältnisse individuell stark schwanken, wurde darauf geachtet, daß die Proportionen der untersuchten Leichen denen der Versuchsperson entsprachen.

Tabelle 1: Masseverhältnisse der verschiedenen Körpersegmente / [2-8] /

Bezieht man die Koordinaten des Gesamtschwerpunktes auf ein Inertialsystem, welches sich mit der mittleren Ganggeschwindigkeit fortbewegt, dann erhält man die relativen Schwerpunktkoordinaten. Die Transformation der Schwerpunktkoordinaten des Ganges in das bewegte Koordinatensystem hat eine wesentliche mechanische Bedeutung. Nachdem sich der Proband einmal in Gangrichtung mit der mittleren Geschwindigkeit in Bewegung gesetzt hat, würde er ohne Einwirkung äußerer Kräfte diese Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung beibehalten. Der Gesamtschwerpunkt bleibt also ohne äußere Kräfte im bewegten Koordinatensystem in Ruhe. Oder anders ausgedrückt, jede Änderung der Lage des Gesamtschwerpunktes im bewegten Koordinatensystem hat seine Ursache im Einwirken äußerer Kräfte.

In Tabelle 16 ( Anhang 1 ) sind die relativen Koordinaten alpha, beta und gamma des Gesamtschwerpunktes zusammengefaßt. Die zeitlichen Verläufe sind in den Abb. 7 bis Abb. 9 dargestellt. Die seitliche Auslenkung des Körperschwerpunktes (beta-Koordinate) hat seine Ursache im Lastwechsel zwischen linkem und rechtem Bein und hat daher eine Periode von der Größe der Doppelschrittdauer.


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Die Schwankungen in Gangrichtung (alpha-Koordinate) und die Aufwärts- und Abwärtsschwankungen (gamma-Koordinate) haben eine Periode der halben Doppelschrittdauer. Sie beruhen auf dem Abrollen über linkem und rechtem Fuß. Die Projektionen des Schwerpunktes in die verschiedenen Ebenen sind in den Abb. 10 bis Abb. 12 enthalten.

Man bekommt wieder Lissajoussche Figuren. Da alpha und gamma die gleiche Frequenz aufweisen, erhält man in Abb. 11 näherungsweise ein Ellipse. Ebenso wie bei der Darstellung der Bahnkurven einzelner Körperpunkte, erkennt man in den Schwerpunktbahnen einen asymmetrischen Gang des Probanden.

Die Bahnkurve des Körperschwerpunktes in der vertikalen Ebene kommen denen des Kopfscheitelpunktes am nächsten (vergl. Abb. 125 ), während sie stärker von den Kurven der Hüftlinienmitte ( Abb. 122 ) abweichen. Dies ist insofern von Bedeutung, weil auch heute noch vielfach die Bewegung des Hüftmittelpunktes mit der Bewegung des Gesamtschwerpunktes identifiziert wird. Der Körperschwerpunkt erreicht seinen niedrigsten Punkt immer dann, wenn beide Beine gleichzeitig den Boden berühren. Innerhalb dieses Zeitabschnittes wird auch die Nullinie der relativen Y-Koordinate durchlaufen. Die höchste vertikale Lage des Gesamtschwerpunktes wird etwa in der Mitte der Schwungphase angenommen. Die Extrema in der horizontalen Auslenkung ergeben sich im mittleren Teil der Standphase des entsprechenden Beines.

Kurz vor Beendigung der Schwungphase liegt der Gesamtschwerpunkt am weitesten hinter dem Ursprung des mitbewegten Koordinatensystems.

Ganz allgemein ergibt sich, daß der Gesamtschwerpunkt in dem mit der mittleren Ganggeschwindigkeit fortbewegten Raum in jeder Richtung kleinere Auslenkungen ausführt als irgendein Punkt des menschlichen Körpers.

Abb. 7: Der zeitliche Verlauf der relativen Schwerpunktkoordinate alpha

Abb. 8: Der zeitliche Verlauf der relativen Schwerpunktkoordinate beta


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Abb. 9: Der zeitliche Verlauf der relativen Schwerpunktkoordinate gamma

Abb. 10: Die Projektion der Bewegung des relativen Schwerpunktes in die Horizontalebene

Abb. 11: Die Projektion des relativen COG in die Sagittalebene

Abb. 12: Die Projektion des relativen COG in die Vertikalebene


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2.2.3.3. Die äußeren Kräfte / [2-12] /

In ihrem Werk „Ueber den Schwerpunkt des menschlichen Körpers“ / [2-11] / beschrieben Braune und Fischer die Wirkung der inneren und äußeren Kräfte beim Gehen.

Die selbständige Fortbewegung des Menschen geschieht unter der Einwirkung innerer und äußerer Kräfte. Als innere Kräfte, welche im Körper selbst erzeugt werden, kommen vor allem Muskelkräfte und elastische Zug- und Druckspannungen von Sehnen, Bändern und Gelenkknorpeln in Frage. Als äußere Kräfte wirken die Erdanziehungskraft, die Gegenkraft des Bodens, die Reibung am Boden und der Luftwiderstand. Bei den beim Gehen üblichen Geschwindigkeiten und in geschlossenen Räumen ist der Luftwiderstand vernachlässigbar. Beim ruhigen Stehen wirkt nur das Gewicht des Menschen und die gleich große Gegenkraft des Bodens. Der Körperschwerpunkt bleibt in Ruhe. Durch Streckung oder Beugung in den Knie- und Hüftgelenken beispielsweise kann der Druck auf den Boden erhöht oder gesenkt werden. Gewicht und Gegenkraft sind nicht mehr gleich und die Lage des Körperschwerpunktes verschiebt sich in vertikaler Richtung.

Enthält der Druck gegen den Boden auch eine horizontale Komponente, dann werden bei fehlender Reibung die Füße entlang der Bodenfläche verschoben. Der Schwerpunkt behält jedoch seine vertikale Lage solange bei, bis der Schwerpunkt außerhalb der Unterstützungsfläche der Füße gelangt. Die Gegenkraft des Bodens ist dann kleiner als das Gewicht. Die vertikale Schwerpunktslage wird solange in Richtung Boden verschoben, bis wieder ein Gleichgewicht zwischen Gewicht und Gegenkraft eintritt.

Wenn die Kontraktion der Muskeln eine Kraftkomponente parallel zur Bodenfläche ausübt, dann wird dieser Kraft durch die Reibung entgegengewirkt. Die Reibung verhält sich wie eine äußere Kraft welche in entgegengesetzte Richtung zu der auf den Boden wirkenden Kraft angreift. Diese Gegenkraft ermöglicht also erst die Bewegung des Körperschwerpunktes parallel zur Bodenfläche. Sie wird Reibungskraft genannt.

Sind die Bewegungskurven des Körperschwerpunktes bekannt, dann lassen sich aus diesen mittels zeitlicher Differentiation die Geschwindigkeitskurven und daraus durch weitere Differentiation die Beschleunigungskurven berechnen.

Die Abb. 13 bis Abb. 15 enthalten die zeitlichen Verläufe der Beschleunigungskoordinaten des Gesamtschwerpunktes. Aus den Beschleunigungswerten lassen sich durch Multiplikation mit der Masse des Probanden die Werte der Bodenreaktionskräfte berechnen, wobei in vertikaler Richtung noch das Körpergewicht addiert werden muß. In Abb. 16 ist die von Braune und Fischer errechnete Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft dargestellt. Zum Vergleich ist eine exakt mit Kraftmeßplattform gemessene Kurve / [3-4] / ebenfalls eingezeichnet. Die gemessenen Kraftwerte wurden aus den Einzelwerten von linkem und rechtem Bein durch Summation bestimmt. Um die gemessenen und errechneten Werte vergleichbar zu gestalten, wurde als Zeitbasis eine vollständige Gangperiode gewählt. Diese Periode ist die Doppelschrittdauer (DSD, vergl. Abschnitt 3.2.1 ). Die Vertikalkraft ist auf % Körpergewicht normiert. Wenn man berücksichtigt, daß eine zweimalige Differentiation zur Berechnung der Beschleunigung bzw. der Kraft aus den Ortskoordinaten stark fehlerbehaftet ist, dann ist die qualitative Übereinstimmung des Verlaufes beeindruckend.

Abb. 13: Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung (cm/s²) des COG in Gangrichtung


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Abb. 14: Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung (cm/s²) des COG in seitlicher Richtung

Abb. 15: Der zeitliche Verlauf der Beschleunigung (cm/s²) des COG in vertikaler Richtung

Abb. 16: Der zeitliche Verlauf der Vertikalkraft im Vergleich, indirekt errechnet / [2-12] / und mit Kraftmeßplatte exakt gemessen / [3-4] /

Aus den errechneten Bodenreaktionskräften von Braune und Fischer läßt sich bei Kenntnis von Stand- und Schwungphase der beiden Beine / [2-10] / getrennt die Kraftwirkung von linkem und rechtem Bein errechnen. Die Phase, in der beide Beine den Boden berühren (ca. 20 % DSD), konnte dabei nur geschätzt werden. In Abb. 17 ist der Vergleich von gemessenen und errechneten Werten getrennt für linkes und rechtes Bein dargestellt. Qualitativ ist eine gute Übereinstimmung festzustellen.


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Abb. 17: Der zeitliche Verlauf der Vertikalkraft, getrennt für linkes und rechtes Bein im Vergleich, indirekt errechnet / [2-12] / und mit Kraftmeßplatte exakt gemessen / [3-4] /

2.3. Ganganalyse in der jüngeren Vergangenheit

In den Jahrzehnten, die den Arbeiten von Braune und Fischer folgten, stagnierten zunächst die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Bewegung des Menschen. Erst mit der Entwicklung eines neuen Forschungszweiges der Ganganalyse wurde diese Periode beendet. Dieser Zweig beschäftigte sich mit der Rolle der einzelnen Muskeln während der Bewegung.

Vorreiter auf diesem Gebiet der Forschung war R. Scherb (1880-1955) aus Zürich. Er konstruierte ein Laufband, so daß die Probanden kontinuierlich gingen, ohne sich vom Ort zu bewegen. Dadurch war es Scherb möglich, das Muskelspiel während des Ganges vor Ort zu studieren. Die Muskelaktivität registrierte er mittels Palpation (Abtastung) des Muskels selbst oder der Anspannung seiner Sehne. Die Grundidee der Untersuchung beruht darauf, daß die Nutzleistung des Muskels am besten durch die vom Muskel entwickelte Spannung und der Zeit, während welcher diese Spannung wirksam ist, bewertet werden kann. Die Untersuchungsmethode ist unter der Bezeichnung Myokinesigraphie bekannt geworden. Das Verfahren der Myokinesigraphie stellte hohe Anforderungen an die Aufmerksamkeit, das Tastgefühl und die Erfahrung des Untersuchers. Das Ergebnis der Palpation brachte er in zeitlichen Zusammenhang mit der Aufzeichnung von Bodenkontakten von Ferse, Klein- und Großzehenballen / [2-14] /. Die Messungen mit Bodenkontakten an ausgewählten Fußbereichen waren die Vorläufer der heutigen Messungen mittels Druckmeßsohlen.

Weiterhin erfuhr die Ganganalyse mit der Entwicklung und Vervollkommnung von Druck- und Kraftmeßplattformen einen zusätzlichen Aufschwung. Meßplattformen wurden u.a. von Amar (1923), Fenn (1930) und Elftman (1934) konstruiert / [2-15] /. Die Platten arbeiteten zunächst mit mechanischer Registrierung, später mit Dehnmeßstreifen, druckabhängigen Widerständen bzw. Kondensatoren oder piezoelektrischen Sensoren. Eine der ersten Druckverteilungsmeßplattformen wird in / [2-16] / beschrieben. Die Plattform funktionierte nach dem optischen Prinzip ( Abb. 18 ).

Abb. 18: Das Meßprinzip einer Druckverteilungsmeßplattform von Morton / [2-16] /


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In den vierziger Jahren unseres Jahrhunderts begannen in Kalifornien großangelegte Studien über den normalen Gang und den Gang mit Beinprothesen. Motiviert waren diese Studien durch die große Anzahl von Beinamputierten als Folge des zweiten Weltkrieges. Eberhardt, Inman, Saunders und McCown faßten 1947 die umfangreichen Ergebnisse in einem zweibändigen Bericht zusammen / [2-17] /. Alle zur damaligen Zeit verfügbaren technischen Hilfsmittel wurden für diese Untersuchungen eingesetzt. Weitere grundlegende Publikationen zum normalen Gang folgten / [2-18] , [2-19] , [2-20] /.

Zusammen mit den Daten von Chao / [2-21] / gelten die Ergebnisse von Inman / [2-19] / noch heute als Referenzwerte zur Ganganalyse (s. Abschnitt 0 ).


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