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 4. Meßprinzipien der Ganganalyse

Braune und Fischer haben gezeigt, daß die menschliche Fortbewegung als zyklisch sich wiederholende Lageveränderung des Körperschwerpunktes und der Schwerpunkte von Körpersegmenten auf näherungsweise sinusförmigen Bahnen beschrieben werden kann / [2-10] /. Daraus abgeleitet hat der Gang im wesentlichen zwei Wirkungen anhand derer er zu messen und zu analysieren ist / [4-1] /. Die erste Wirkung ist die sogenannte kinematische Wirkung und betrifft die Lageveränderung sowohl des gesamten Körpers als auch von Körpersegmenten im Raum. Dabei sind besonders Winkelgrößen für die Bahnbewegungen bestimmend. Die zweite Wirkung des menschlichen Ganges ist die kinetische Wirkung und betrifft die Kraftwirkung des Körpers bzw. von Körpersegmenten auf die Umgebung. Die Unterteilung des Ganges in kinematische und kinetische Parameter führt dazu, daß auch die Meßprinzipien entsprechend unterteilt werden.

Neben den kinetischen und kinematischen Gangparametern definiert man zeitliche und örtliche Gangparameter. Diese werden auch als Grundparameter bezeichnet. Solche Parameter sind z.B. die Schrittlänge, die Doppelschrittdauer, die Standphasendauer und weitere (vergl. Abschnitt 0 ). Die Grundparameter lassen sich sowohl mit kinetischen, als auch mit kinematischen Meßmethoden bestimmen. Bei einigen, z.B. der Ganggeschwindigkeit und der Schrittlänge, sind Stopuhr und Bandmaß die geeigneten Mittel zu deren Bestimmung.

Weitere Möglichkeiten der Ganganalyse sind die Messung der Muskelpotentiale (EMG-Messungen) und die Messungen des Energieverbrauchs während des Gehens z.B. durch Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs.

Schneider / [4-2] / hat mittels Fourieranalyse das Frequenzspektrum der Bodenreaktionskräfte bestimmt. Er stellte fest, daß nur Frequenzen bis maximal 10 Hz wesentliche Informationen zum Gang liefern. Unter Berücksichtigung des Abtasttheorems heißt dies, daß die Meßfrequenz für kinetische Messungen mindesten 20 Hz betragen muß. Bei der Wahl der Meßfrequenz für die Kinematik ist zu beachten, daß beim Gehen an den Gelenken der unteren Extremitäten Winkelgeschwindigkeiten bis zu 300 Grad pro Sekunde erreicht werden. Eine Meßfrequenz von 100 Hz wird als ausreichend angesehen für kinematische Untersuchungen / [4-3] , [4-4] , [4-5] /.

4.1. Messung von örtlichen und zeitlichen Gangparametern

Zur Messung örtlicher Gangparameter lassen sich zwei Grundprinzipien unterscheiden:

1.

Der Fuß markiert den Laufgang an den Stellen mit Bodenkontakt.

2.

Der Laufgang ist mit Schaltern versehen, die bei Bodenkontakt ausgelöst werden.

Beide Methoden erlauben die Bestimmung von Schrittlänge, Schrittbreite, Schrittwinkel und deren Varianzen. Eine zusätzliche Messung der Meßdauer gestattet die Berechnung von mittlerer Ganggeschwindigkeit und mittlerer Doppelschrittdauer. Die erste Methode ist sehr einfach und mit wenig technischem Aufwand zu realisieren. Nachteilig ist, daß eine Automation der Messung nur begrenzt möglich ist. Bei Messungen in Laufgängen, die Schalter implementiert haben (Laufmatten), ist eine Automation wesentlich besser zu realisieren. Ein weiterer Vorteil dieser Laufmatten ist, daß auch der Zeitpunkt der Schalterbetätigung gemessen und sich damit zusätzlich zeitliche Gangparameter bestimmen lassen. Solche zeitlichen Parameter sind neben der Schrittdauer die Standphasen- und die Schwungphasendauer, sowie die Dauer des Zweibeinstandes.

Laufmatten mit Schaltern wurden von verschiedenen Autoren beschrieben. Eine einfache Matte besteht zum Beispiel aus einer Vielzahl paralleler leitender Streifen, die senkrecht zur Gangrichtung liegen / [4-6] /. Die Streifen sind elektrisch untereinander isoliert und zwischen ihnen wird das Massepotential entlang geführt. An der Schuhsohle des Probanden wird längs zum Schuh ein leitfähiger Streifen befestigt. Bei Bodenkontakt werden durch den Streifen unterm Schuh Massepotential der Matte und Mattenstreifen elektrisch verbunden. Die Betätigung der Schalter kann elektronisch ausgewertet und einem Computer zur weiteren Bearbeitung übergeben werden. Hierbei ist es sinnvoll, zu definieren mit welchem Bein der Startbereich betreten wird. Man erhält dadurch die Möglichkeit, die Schaltkontakte dem jeweiligen Bein zuzuordnen.

Oben beschriebene Methode erlaubt jedoch nur die Bestimmung der Schrittlänge und der Schrittdauer. Eine Messung der Schrittbreite und des Schrittwinkels ist nicht möglich.


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Eine einfache Möglichkeit um zeitliche Gangparameter zu messen ist das Gehen auf einer leitenden Unterlage / [4-7] /. Die Sohlen des Probanden sind mit leitfähigen Streifen präpariert. Die Streifen sind über Kabel mit einem elektronischen Gerät am Probanden verbunden. Nutzt man zwei elektrisch voneinander isolierte Streifen pro Sohle, dann werden diese bei Bodenkontakt der Füße kurzgeschlossen . Die Dauer von Stand- und Schwungphase sind damit einfach meßbar.

Eine andere Variante beschreibt Cheung / [4-8] /. Die leitfähige Matte besteht dabei aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilen, einem für das linke und einem für das rechte Bein. An einem Mattenteil liegen 5 V an. Der andere Teil ist mit einem Schmitt-Trigger verbunden. Die leitenden Streifen unter den Füßen stehen über Kabel miteinander elektrisch in Verbindung. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß mit einem Bein immer nur das jeweilige Mattenteil getroffen werden muß, was den natürlichen Gang verfälschen kann.

Ein anderes Meßprinzip zur Bestimmung von zeitlichen Gangparametern ist die Nutzung von druckempfindlichen Schaltern unterm oder im Schuh. Leiper / [4-9] / beschreibt das Meßsystem GAITMAT. Es besteht aus parallelen druckempfindlichen Streifen, die quer zur Gangrichtung liegen. Die Streifen sind ca. 1,5 cm breit und 30 cm lang. Zwei Streifen werden immer nebeneinander angebracht, so daß linke und rechte Seite getrennt auswertbar ist. Die Laufmatte ist 3,6 m lang. Insgesamt werden 512 Streifen getrennt ausgewertet. Informationen über Schrittbreite und Schrittwinkel erhält man jedoch bei diesem System auch nicht. Problematisch ist ebenfalls, daß jedes Bein nur die ihm zugewiesenen Streifen treffen darf.

Hirokawa, S., K. Matsumara / [4-10] / verwenden ein System welches ein zweidimensionales Feld von Schaltern nutzt. Das Feld basiert auf einem Gitter von sich kreuzenden Drähten. Die Drähte sind auf der einen Seite der Meßmatte parallel und auf der anderen Seite senkrecht zur Gangrichtung gespannt. Dazwischen befindet sich eine elektrisch isolierende dünne Gummischicht. An den Kreuzungspunkten der Drähte wurde die Schaumgummischicht entfernt. Tritt man auf die Matte, kontaktieren die parallelen und senkrechten Drähte an den Stellen der Bodenberührung. Diese Kontakte lassen sich elektronisch und mittels Computer auswerten. Man erhält alle wesentlichen örtlichen und zeitlichen Gangparameter, einschließlich der Gangbreite und des Gangwinkels.

4.2. Messung der Kinematik

4.2.1. Akustisches Meßprinzip

Die akustischen Meßsysteme verwenden Markierungspunkte- sogenannte Marker, dies aus kleinen sequentiell betriebenen Ultraschallsendern bestehen. Die Sender geben fortlaufend Schallimpulse ab, welche von mindestens drei Ultraschallmikrofonen empfangen werden. Die Entfernung der Ultraschallsender zu den Mikrofonen wird durch Laufzeitmessung bestimmt. Die Mikrofone sind im definierten Abstand zueinander angebracht und durch Triangulation lassen sich die absoluten Raumkoordinaten der Markierungspunkte berechnen / [4-11] , [4-13] , [4-12] /. Zur Ganganalyse werden die Ultraschallsender vorzugsweise an den unteren Extremitäten angebracht. Aus den Raumkurven der Sender lassen sich abgeleitete Größen, z.B. Gelenkwinkelverläufe, berechnen.

Die maximal mögliche Meßfrequenz ist durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. Für kommerzielle Systeme liegt die Meßfrequenz derzeit bei ca. 180 Hz geteilt durch die Anzahl der genutzten Marker. Ultraschallsysteme erreichen ein hohe örtliche Auflösung. Der Meßfehler ist in Abhängigkeit von der Lage der Ultraschallmarker kleiner als 1 mm. Nachteilig ist der begrenzte Meßabstand von maximal ca. 2 bis 3 m. Störschall infolge Reflexionen ist möglichst einzuschränken, da Störechos falsche Markerpositionen vortäuschen. Für Meßaufgaben, bei denen eine hohe örtliche Auflösung gefordert ist, die Meßfrequenz jedoch die untergeordnete Rolle spielt, sind Ultraschallmessungen ausgezeichnet geeignet. Solche Aufgaben der Bewegungsanalyse sind z.B. Untersuchungen an der Wirbelsäule, aber auch die Messung von Kaubewegungen oder Bewegungen des Kehlkopfes. Der eingeschränkte Meßabstand bei Ultraschallsystemen ermöglicht eine sinnvolle Ganganalyse nur auf dem Laufband. Die erreichbare Frequenz sinkt proportional zur Anzahl der Marker. Besteht beispielsweise die Meßaufgabe darin, die Gelenkwinkelverläufe der unteren Extremitäten zu vermessen, dann sind bei einseitiger Messung mindestens vier Marker notwendig, je einer am Fuß, am Unterschenkel, am Oberschenkel und an der Hüfte. Da man meist beide Seiten messen möchte, muß man entweder zwei Messungen durchführen oder für zeitsynchrone Messungen zwei Systeme einsetzen.


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4.2.2. Optisches Meßprinzip

Die Leistungsfähigkeit optischer Meßverfahren belegten bereits Braune und Fischer in ihren Arbeiten (vergl. Abschnitt 2.2.1 / [2-10] , [2-11] , [2-12] /). Das grundlegende Prinzip besteht darin, daß am Probanden an den interessierenden Körperstellen optische Marker fixiert sind und die Kurven der Marker aufgezeichnet und ausgewertet werden. Die Marker sind entweder aktive Lichtquellen z.B. Lämpchen oder Leuchtdioden, oder sie bestehen aus stark reflektierendem Material. Der Vorteil der selbstleuchtenden Marker ist ihre bessere Identifizierbarkeit. Reflektierende Marker sind jedoch leichter und daher einfacher anzubringen. Die Belastung für den Probanden ist geringer.

Ein Vorzug der optischen Verfahren ist, daß bei diesen der Proband nur mit kleinen und leichten Markern belastet wird. Nachteilig ist, daß sich der Proband immer in der Nähe der Aufzeichnungsgeräte (z.B. Kameras) aufhalten muß.

In der Vergangenheit wurden Fotomaterialien als Aufzeichnungsmedien genutzt. Die Auswertung der Lichtspuren erfolgte manuell und war sehr zeitaufwendig. Aufgrund der dabei erzielbaren guten Reproduzierbarkeit und dem relativ geringen technischen Aufwand wurde dieses Aufzeichnungsprinzip bis in die jüngere Vergangenheit genutzt / [4-14] , [4-15] , [4-16] / und erst durch die Verbreitung von preiswerten Videokameras verdrängt.

Die meisten optische Systeme der Gegenwart nutzen eine oder mehrere Video-Kameras / [4-17] , [8-3] , [4-18] , [4-19] /. Man mißt vorzugsweise im Infrarotbereich. Für hohe Meßfrequenzen müssen teure High-Speed-Kameras eingesetzt werden. Für viele Anwendungen, z.B. auch für die Analyse des Gehens, ist es jedoch ausreichend, mit den im Konsumgüterbereich üblichen Frequenzen von 50 bzw. 60 Hz zu messen.

Für eine saubere Erkennung der Marker ist eine gleichmäßige Ausleuchtung des interessanten Bildbereiches notwendig. Störende Reflexionen täuschen Marker vor. Bei manchen Systemen können zeitweilig verdeckte Marker (z.B. Marker an der Hüfte bei der Ganganalyse) zu Problemen führen. Zur Erkennung der Marker wird das Videobild binärisiert. Dies kann schon während der Messung durch entsprechende Aufnahmetechnik erfolgen. Es ist aber auch eine Aufzeichnung mittels handelsüblicher Videorecorder und Kameras und nachfolgende Digitalisierung möglich / [4-20] /. Der Vorteil dieser preiswerteren Technik wird jedoch durch den höheren zeitlichen Aufwand für die Auswertung relativiert. Die Bahnkurven der Marker lassen sich auf vielfältige Weise für die Bewegungsanalyse auswerten.

Weitergehende Informationen und technische Details zu optischen Systemen können der Arbeit von Koff / [4-17] / entnommen werden.

Durch die zunehmende Verschmelzung von Computer- und Videotechnik ist zu erwarten, daß die videogestützte Bewegungsanalyse sich in Zukunft noch stark weiterentwickelt. Insbesondere die preisliche Entwicklung wird für eine größere Verbreitung dieser Systeme sorgen.

4.2.3. Messung mittels Inklinometer

Inklinometer (Neigungssensoren) funktionieren nach dem Prinzip von Widerstandspotentiometern. Die Oberfläche eines flüssigen Widerstandselementes z.B. Quecksilber richtet sich entsprechend der Schwerkraft aus. Ungünstig ist der geringe Meßbereich. Die meisten Sensoren sind auf Winkelbereiche kleiner 30 Grad begrenzt. Die Grenzfrequenz liegt bei ca. 1 bis 2Hz. Aufgrund ihrer Trägheit eignen sich Inklinometer vorzugsweise für quasistatische Messungen und nur bedingt für die Ganganalyse. Vorteile der Inklinometer sind die absolute Orientierung relativ zum Schwerefeld, die geringe Größe, der geringe Preis und die hohe Meßgenauigkeit.

4.2.4. Messung mittels Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren werden häufig für Stoß- und Vibrationsmessungen eingesetzt. War es früher nicht möglich, konstante Beschleunigungen zu messen, gibt es inzwischen Sensoren mit Meßbereichen zwischen 0 und 100 Hz / [4-24] /. Die Sensoren wiegen einschließlich Vorverstärker und Temperaturkompensation nur wenige Gramm. Neben dem geringen Gewicht ist der geringe Energieverbrauch der Beschleunigungssensoren vorteilhaft. Es gibt einachsige und mehrachsige Sensoren.


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Beschleunigungssensoren sind multisensitiv, das heißt sie reagieren auf Translation, Rotation und Orientierung. Dieser scheinbare Vorteil hat jedoch den Nachteil, daß die Interpretation des Ausgangssignals sich kompliziert gestaltet und aufwendige Verfahren zur Selektion der Beschleunigungskomponenten notwendig sind / [4-22] , [4-23] , [4-25] /. Der starke Einfluß der Stöße beim Gehen auf das Meßsignal verhinderte bisher den Einsatz von Beschleunigungssensoren für die routinemäßige Messung von Gelenkwinkelverläufen.

Befestigt man Beschleunigungssensoren an ausgewählten Körpersegmenten, dann können die an dieser Stelle beim Gehen auftretenden Beschleunigungen direkt gemessen werden. Das Problem besteht gegenwärtig noch darin, die komplexen Meßverläufe sinnvoll zu interpretieren und eine geeignete Datenreduktion durchzuführen.

Für die Messung und Unterscheidung von Aktivitäten von Probanden haben sich Beschleunigungssensoren gut bewährt. So ist es möglich zu erkennen, ob der Proband geht, steht, sitzt oder liegt. Die Untersuchungen sind über längere Zeiträume (z.B. 24 h) durchführbar / [4-26] /.

4.2.5. Messung mittels Goniometer

Goniometer werden in der Ganganalyse zur Messung von Gelenkwinkelverläufen eingesetzt.

Für die Messung von Gelenkwinkelverläufen an den unteren Extremitäten müssen die Besonderheiten der verschiedenen Gelenke beachtet werden / [4-29] , [4-30] /. Das Kniegelenk besitzt aufgrund seiner Anatomie keine feste Drehachse. Diese Achsenverlagerung ist zu beachten. Hüft- und Sprunggelenk bewegen sich in zwei Ebenen. Für die Messung dieser Gelenkwinkel ist es also sinnvoll, zweidimensional zu messen. Generell sollten die Goniometer den Ausgleich von Muskelbewegungen ermöglichen und sich den unterschiedlichen Körperbau der Patienten anpassen.

Es gibt sowohl ein- als auch mehrdimensionale Goniometer. Die mehrdimensionalen Goniometer erlauben die gleichzeitige Messung von Winkeln in verschiedenen Ebenen.

Es kommen verschiedene Meßprinzipien beim Bau von Goniometern zum Einsatz / [4-27] /. Häufig nutzt man einen variablen Widerstand (Potentiometer), dessen elektrischer Widerstand sich durch Drehen einer Spindel ändert. Das Goniometer ist mechanisch so konstruiert, daß eine Winkeländerung zwischen zwei Körpersegmenten z.B. zwischen Unter- und Oberschenkel in eine Drehung der Potentiometerspindel und damit in eine Widerstandsänderung umgewandelt wird. Wegen ihres einfachen Aufbaus haben viele Ganganalyse - Laboratorien ihre eigenen Goniometer entwickelt / [4-28] /. Kommerzielle Anbieter von Goniometern auf der Basis von Widerstandspotentiometern sind u.a. die Firmen Biokinetics, Chattecx and MIE Medical Research.

Eine weitere Möglichkeit für den Bau von Goniometern besteht in der Nutzung von Dehnmeßstreifen. Hersteller dieses Goniometertyps ist die Firma Penny and Giles aus Großbritannien. Es werden sowohl eindimensionale als auch zweidimensionale Goniometer in verschiedenen Größen angeboten / [4-30] / (siehe Abschnitt 5.2.3 ).

4.3. Messung der Kinetik

4.3.1. Kraftmeßplattformen

Zur Messung der Kinetik nutzt man häufig Kraftmeßplattformen. Bei diesen meist rechteckigen Plattformen sind die Kraftsensoren in den jeweiligen Ecken angeordnet. Als Sensoren nutzt man entweder piezoelektrische Sensoren oder Dehnmeßstreifen.

Mit Hilfe von Kraftmeßplattformen lassen sich die Bodenreaktionskräfte während des Auftretens messen. Bei Mehrkomponenten-Meßplattformen erhält man die vertikale Kraftkomponente, die Komponente in Gangrichtung und die Kraftkomponente quer zur Gangrichtung ( Abb. 21 ). Der Anteil der vertikalen Kraftkomponente am Gesamtbetrag der Bodenreaktionskraft beträgt etwa 80 %. Die für das Vorwärtskommen wesentliche Komponente ist jedoch der Kraftvektor in Gangrichtung / [2-10] /. Diese Komponente wird seit kurzem zur Bestimmung der energieverbrauchenden Muskelaktivitäten während des Gehens / [3-6] / genutzt. Preiswertere Systeme - die Einkomponenten-Meßplattformen - erlauben nur die Messung der Vertikalkomponente des Ganges.


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Für die Ganganalyse ist von Nachteil, daß die Meßplattformen meist fest in einem Laufgang angeordnet sind. Eine oder mehrere Meßplattformen werden offen oder verdeckt im Laufgang plaziert.

Sind die Plattformen gut sichtbar, dann versucht der Proband diese exakt zu treffen. Der Schrittrhythmus verändert sich dabei. Es hat sich der Begriff des "Kistler-Schrittes" für diesen Zielschritt eingeprägt (in Anlehnung an die Meßplattform der Firma Kistler): Das Meßergebnis kann durch diesen unnatürlichen Schritt verfälscht werden. Bei verdeckter Anordnung der Meßplattformen weiß der Proband nicht, wann er vermessen wird. Die Meßplattform wird jedoch dabei häufig verfehlt. Eine Vielzahl von Messungen sind nötig, um zu auswertbaren Ergebnissen zu gelangen. Ein weiterer Nachteil ist die Endlichkeit des Laufganges. Ein stetiges Gehen mit konstanter Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum ist in einem Laufgang nicht möglich.

Abb. 21: Der zeitliche Verlauf der drei Komponenten der Bodenreaktionskraft / [3-6] /

Es gibt Systeme, bei denen eine oder mehrere Meßplattformen in ein Laufband integriert sind / [4-33] , [4-34] /. Diese Systeme vermeiden die prinzipiellen Nachteile von Laufgängen mit Meßplattformen. Sie sind jedoch gegenwärtig noch sehr aufwendige Einzellösungen oder sehr kostspielig. Nachteilig ist auch, daß mittels im Laufband integrierten Plattformen gegenwärtig nur die Vertikalkomponente hinreichend genau gemessen werden kann.

Eine ausführliche Beschreibung der Meßprinzipien von Kraftmeßplattformen und ihre technische Realisierung enthält die Arbeit von Scott und Necip / [4-32] /.

Unabhängig davon, ob man nun die Messungen mit Mehrkomponenten- oder mit Einkomponenten-Meßplattformen durchführt, diese Platten liefern keine direkten Informationen über die örtliche Verteilung der Kräfte. Man erhält nur Angaben über deren zeitlichen Verlauf.

4.3.2. Druckverteilungs-Meßplattformen

Andere Meßplattformen, sogenannte Druckverteilungs-Meßplattformen, nutzen eine Vielzahl von Drucksensoren (2 Sensoren/cm² und mehr). Mit diesen Plattformen sind sowohl örtliche als auch zeitliche Verläufe meßbar. Als Drucksensoren sind resistive und kapazitive Sensoren im Einsatz. Bei Kenntnis der Fläche der belasteten Drucksensoren kann auf die Bodenreaktionskräfte geschlossen werden. Eine Differenzierung in die einzelnen Kraftvektoranteile ist bei diesen Plattformen nicht möglich. Von Macellari / [4-35] / wird eine in ein Laufband integrierte Druckverteilungs-Meßplattform beschrieben.

4.3.3. Systeme mit Druckmeßsohlen

Eine Alternative zu ortsfesten oder in ein Laufband integrierten Meßplattformen ist die Nutzung von Druckmeßsohlen, welche in den Schuh eingelegt werden können. Hier sind die Drucksensoren in der Meßsohle integriert.

Ein entscheidender Vorteil der Druckmeßsohlen besteht darin, daß mit ihrer Hilfe die Messung einer kontinuierlichen Schrittfolge des natürlichen Gehens möglich ist. Ebenso wie bei den Druckverteilungs-Meßplattformen sind sowohl örtliche als auch zeitliche Verläufe meßbar.


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Es werden resistive und kapazitive Drucksensoren verwendet.

Ein kritischer Punkt ist die Belastung der Druckmeßsohlen im Schuh während der Messung. Die Sohlen müssen so konstruiert sein, daß diese nicht nach wenigen Messung unbrauchbar werden.

Die Wahl der Sensordichte von Meßsohlen hängt wesentlich von der Problemstellung ab. Einerseits liefert eine hohe Sensordichte eine gute räumliche Auflösung, andererseits begrenzt sie die Meßfrequenz und erhöht die Datenmenge. Bei Messungen der Druckspitzen am diabetischen Fuß z.B. ist die räumliche Auflösung wichtig. Es sind keine hohen Meßfrequenzen notwendig. Hier sollte mit einer sehr hohen Sensordichte gemessen werden, idealerweise flächendeckend. Bei vielen orthopädischen Fragestellungen, beispielsweise beim Abrollverhalten des Fußes oder der Belastung der Beine sind einige wenige (10-20 Sensoren pro Meßsohle), an ausgewählten Stellen plazierte Sensoren ausreichend.

Ebenso wie bei den Druckverteilungs-Meßplattformen kann bei Messungen mit Sohlen nicht auf die verschiedenen Kraftvektoranteile geschlossen werden. Dies ist zur Zeit noch ein prinzipieller Nachteil der Messungen mit Druckmeßsohlen. Ein entscheidender Vorteil der Druckmeßsohlen besteht jedoch darin, daß mit ihrer Hilfe die Messung einer kontinuierlichen Schrittfolge des natürlichen Gehens möglich ist.

4.4. Elektromyographie

Die Elektromyographie (EMG) ist eine Untersuchungsmethode, die sich mit der Entstehung, der Aufzeichnung und der Analyse von myoelektrischen Signalen - den Aktionspotientialen der kontraktierenden Muskulatur / [4-36] , [4-37] / beschäftigt. Zur Auswertung kann sofort das unverarbeitete Roh-EMG genutzt werden. Häufig werden die Signale jedoch weiterverarbeitet. Typische Datenmanipulationen sind Gleichrichtung, Glättung, Mittelung und Normalisierung. Die Datenmanipulationen dienen der Datenreduktion, der Erhöhung der Reliabilität und der Skalierung der Meßergebnisse.

Bei EMG-Messungen kann nicht zwischen konzentrischer, isometrischer und exzentrischer Kontraktion der Muskulatur unterschieden werden. Dennoch lassen sich mit Hilfe des EMG verschiedene Fragestellungen beantworten. Mit Hilfe von EMG-Messungen können qualitative Aussagen zur Aktivität des untersuchten Muskels getroffen werden, z.B. in welcher Gangphase er aktiv ist und in welcher nicht. Da kein einfacher Zusammenhang zwischen der Kontraktionskraft des Muskels und der Stärke des EMG-Signals besteht / [4-38] /, ist eine quantitative Abschätzung des Muskelkraftniveaus direkt aus den EMG-Signalen nicht möglich. Hierzu sind zusätzliche Verarbeitungschritte (z.B. Normierung) nötig. Eine gleichzeitige Untersuchung an mehreren Muskeln gibt die Möglichkeit, die intermuskuläre Steuerung im zeitlichen Bewegungsablauf darzustellen.

Ermüdungen des Muskels beeinflussen das Frequenzspektrum des EMG-Signals und lassen sich durch Frequenzanalyse feststellen / [4-36] /.

EMG-Messungen für die Ganganalyse werden vorwiegend mit aktiven Oberflächenelektroden durchgeführt. Dies sind Elektroden, die an der Hautoberfläche über dem zu untersuchenden Muskel angebracht werden. Das Signal wird in unmittelbarer Nähe des Ableitortes vorverstärkt und damit das Verhältnis von biologischem Signal und kapazitiver Störung bei Kabelartefakten wesentlich verbessert.

4.5. Messung des Energieverbrauchs beim Gehen

4.5.1. Kalorische Messung und Messung des Sauerstoffverbrauchs

Der Energieverbrauch beim Gehen läßt sich am genauesten durch Ganzkörperkalorimetrie bestimmen. Der Proband befindet sich dabei in einer isolierten Kammer und es wird der Wärmeausstoß gemessen. Diese Methode ist sehr aufwendig und nur wenigen Forschungseinrichtungen vorbehalten. Praktikabler ist die indirekte Messung des Energieverbrauchs über die Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs. Hierzu wird die ein- und ausgeatmete Luft analysiert und der Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit bestimmt.


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Wird zusätzlich die erzeugte Kohlendioxydmenge gemessen, dann erhält man Informationen über die Art und Weise des Stoffwechsels. Solche Untersuchungen sind jedoch mehr für den Leistungssport interessant und weniger für die Ganganalyse, da unter normalen Verhältnissen die Sauerstoff- und Kohlendioxydanteile annähernd gleichbleibend sind.

4.5.2. Energieberechnung mit Hilfe von Bodenreaktionskräften

Eine andere Methode ist die Energieberechnung mit Hilfe von Messungen der Bodenreaktionskräfte / [3-6] , [4-40] , [4-41] , [4-46] /. Hierzu ist die Kenntnis aller drei Kraftvektoren notwendig ( Abb. 21 ). Aus den Kraftvektoren lassen sich die Beschleunigungen und daraus die Änderungen von kinetischer (Ekin )und potentieller Energie (Epot) und der Gesamtenergie (Etot) während des Gehens berechnen. In Abb. 22 sind die Energieverläufe für einen Gangzyklus dargestellt. Anstiege der Gesamtenergie Etot entstammen aus konzentrischer Muskelarbeit / [3-6] /. Ein Abfall rührt von der Bremswirkung exzentrisch arbeitender Muskulatur her.

Abb. 22: Verlauf von Ekin , Epot und Etot (Gesamtenergie) während eines Gangzyklusses / [3-6] /

4.5.3. Der PC-Index

Rose / [4-42] / stellte fest, daß die Bestimmung der Pulsrate ein guter Ersatz für Sauerstoffverbrauchsmessung ist. Auswertung von Studien zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen beiden. Es gilt die Regel, daß der Sauerstoffverbrauch proportional der Differenz zwischen der Pulsrate beim Gehen und der Pulsrate in Ruhe ist. Der PC-Index („Physiological Cost Index“) wird folgendermaßen definiert / [4-43] , [4-44] /:

PCI = (Pulsrate beim Gehen - Pulsrate in Ruhe) / Gehgeschwindigkeit

Die Maßeinheit des PCI ist Herzschläge pro Meter. Der Index läßt sich ohne großen technischen Aufwand bestimmen. Der PCI ist ein guter quantitativer Indikator für den Grad einer Behinderung / [4-45] /. Bei geringem Aktivitätsniveau ist der PCI jedoch sehr ungenau.

4.5.4. Energieverbrauch und Standphasendauer

Taylor und Mitarbeiter / [4-47] / schlugen eine einfache Methode zur Messung des metabolischen Energieverbrauchs ELoco beim Gehen vor. Dieser Verbrauch ist folgendermaßen definiert:

ELoco = (gesamter Energieverbrauch beim Gehen) - (Energieverbrauch in Ruhe).

Bei Untersuchungen mittels High Speed Kameras und Kraftmeßplattformen stellten sie fest, daß ELoco proportional dem Körpergewicht G0 und umgekehrt proportional der Zeitdauer ist in welcher der Fuß während eines Einzelschrittes Bodenkontakt hat. Hoyt u.a. / [4-48] / entwickelten einen einfachen Fußkontakt-Monitor mit Drucksensor im Schuh um diese Proportionalität zu überprüfen. Sie verglichen, die aus den Bodenkontakten errechneten Energieverbräuche mit kalorimetrisch gemessenen Werten und fanden eine gute Übereinstimmung. Die Versuchsgruppe bestand jedoch aus gesunden jungen Männern (Alter 19,4 ±1,4 Jahre). Ob diese Ergebnisse auch auf den pathologischen Gang zu übertragen sind, bedarf einer genaueren Überprüfung.


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