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 5. Aufbau eines Ganganalysemeßplatzes

5.1. Anforderungen an ein Ganganalysesystem

Um klinische Akzeptanz zu erlangen muß eine apparative Ganganalyse verschiedene Bedingungen erfüllen. Hierzu definierten Brand und Crowninshield / [5-1] / 1981 sechs Kriterien:

  1. Die gemessenen Parameter müssen mit den funktionellen Fähigkeiten des Patienten korrelieren.
  2. Die apparative Ganganalyse muß die Messung von Parametern erlauben, die sich einer direkten visuellen Erkennung und Quantifizierung durch die medizinische Fachkraft entziehen. Eine höhere Meßgenauigkeit der apparativen Ganganalyse ist kein hinreichendes Argument für bessere Akzeptanz. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Parameter nur einer von vielen zur Charakterisierung des Ganges ist.
  3. Die gemessenen Parameter müssen eine klare Unterscheidung zwischen normal und abnormal ermöglichen.
  4. Die Meßtechnik (z.B. das Anbringen der Sensorik) darf das Gangbild nicht beeinflussen.
  5. Die Messung muß genau und reproduzierbar sein.
  6. Die Resultate der Ganganalyse müssen anschaulich dargestellt werden. Der Erfahrungshorizont des Untersuchers sollte Berücksichtigung finden.

Es steht sicher außer Zweifel, daß die klinische Akzeptanz eines Meßsystems wesentlich durch die Rahmenbedingung innerhalb des Gesundheitssystems beeinflußt wird. Diese sind von Land zu Land verschieden und sie ändern sich auch mit der Zeit. Dennoch besitzen obige Kriterien im wesentlichen Allgemeingültigkeit. Lediglich Kriterium 3 ist als etwas problematisch anzusehen. Bei der großen Variabilität des Ganges von gesunden Personen muß von einer großen Grauzone zwischen normal und abnormal ausgegangen werden. Es hieße die apparative Ganganalyse zu überfordern, wenn nur mit ihrer Hilfe eine klare Entscheidung zwischen normal und abnormal erfolgen soll. Hier ist nach wie vor der Mediziner mit seinen Erfahrungen und zusätzlichen Diagnosehilfsmitteln nötig.

Die Fortschritte im Gesundheitswesen haben dazu geführt, daß sich die Lebenserwartung der Menschen deutlich erhöht hat. Dieser positive Trend führt jedoch auch dazu, daß die Zahl der altersbedingten Beeinträchtigungen des Bewegungsapparat immer mehr zunimmt. Man geht davon aus, daß ca. 15 % aller über Sechzigjährigen irgendeine Form der Gehstörung haben / [5-2] /.

Ein wesentliches Kriterium für die Lebensqualität ist der Erhalt der Mobilität. Krankheiten oder Unfälle führen manchmal zum zeitweiligen Verlust der Gehfähigkeit des Patienten. Besonders beim älteren Patienten ist es wichtig, diesen rechtzeitig wieder zu mobilisieren. Sonst werden diese nicht selten zu einem dauerhaften Pflegefall. Aber auch bei jüngeren Patienten kommt es darauf an, mit Hilfe einer sachgerechten Rehabilitationsbehandlung die Gangbeeinträchtigung zu beseitigen bzw. zu minimieren und nach Möglichkeit die Berufsfähigkeit wiederherzustellen.

Die Nutzung rehabilitationstechnischer Hilfsmittel ermöglicht die Kompensation von bleibenden Schäden. Der Verlust zum Beispiel eines Beines kann durch eine Beinprothese partiell ausgeglichen werden. Es erfolgt im Allgemeinen eine individuelle Anpassung dieses technischen Hilfsmittels. Die Qualität des Hilfsmittels wird nicht allein von seiner technischen Funktionstüchtigkeit bestimmt, sondern auch entscheidend von dem Zusammenspiel des zu versorgenden Menschen mit dem Hilfsmittel / [8-16] /. Die technische Qualität der Beinprothese mag noch so ausgereift sein, ihre praktische Qualität erweist sich erst während des Gebrauchs, also beim Gehen. Eine Möglichkeit der Qualitätskontrolle der Rehabilitationsmaßnahme bzw. des technischen Hilfsmittels ist die meßtechnische Ganganalyse. Sie liefert objektive, vom Untersucher unabhängige quantifizierbare Meßergebnisse.

Kriterium sechs ist ganz entscheidend dafür, ob das Meßsystem vom medizinischen Personal angenommen wird oder nicht. Bei den bei der Ganganalyse üblicherweise anfallenden Datenmengen ist der Mediziner als Nutzer mit der Auswertung überfordert. Die Datenmenge muß also reduziert und nutzerfreundlich aufbereitet werden.


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Nicht zuletzt sind die Kosten ein wichtiges Kriterium für die Akzeptanz eines Ganganalysesystems. Eine Breitenwirksamkeit kann nur mit preiswerten System erreicht werden.

5.2. Der Aufbau des Meßplatzes

5.2.1. Systembeschreibung

Davon ausgehend, daß die wesentlichen Wirkungen des Ganges die kinematische und kinetische Wirkung sind anhand derer er zu messen und zu analysieren ist / [4-1] /, bestand die Aufgabe darin, ein Ganganalysesystem zu entwickeln, welches die zeitsynchrone Bestimmung von Kinematik und Kinetik ermöglicht.

Die Wahl des Prinzip zur Messung der Kinetik des Ganges fiel auf den Einsatz von Druckmeßsohlen. Folgende Hauptgründe führten u.a. zu dieser Entscheidung:

Für die Messung der Kinematik finden zweidimensionale Goniometer Verwendung. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Winkelverläufe an den für die Fortbewegung verantwortlichen Gelenken der unteren Extremitäten bestimmen. Es werden Hüft-, Knie- und Sprunggelenk vom rechten und linken Bein vermessen. Ebenso wie bei den Druckmeßsohlen, sind Goniometermessungen nicht ortsgebunden. Es entfällt die aufwendige Präparation der Meßumgebung, wie sie z.B. bei optischen oder akustischen Meßverfahren notwendig ist. Wichtig für die Entscheidung zugunsten der Goniometrie ist auch, daß diese weit weniger aufwendig und preiswerter ist als die meisten anderen kinematischen Meßverfahren.

Die Meßdaten der Sensoren gelangen über Kabel zu einem Patientenmodem. Dieses Patientenmodem ist am Rücken des Probanden befestigt. Bei einem Gewicht von ca. 150 g und den Maßen von 145 x 60 x 30 mm wird das Modem vom Patienten nicht als Belastung empfunden.

Zusätzlich zu den Schnittstellen für die zwei Druckmeßsohlen und den sechs zweidimensionalen Eingängen für die Goniometer besitzt das Patientenmodem noch vier weitere Eingänge. An diese können noch extra Sensoren angeschlossen werden. Mögliche Sensoren sind zum Beispiel aktive Oberflächenelektroden für EMG-Messungen oder Beschleunigungssensoren.

Die Messung selbst erfolgt in Echtzeit, das heißt die Daten werden sofort auf einem Computermonitor zur Anzeige gebracht. Vor der Datenaufzeichnung kann durch diese Sofortanzeige die ordnungsgemäße Funktion aller Systemkomponenten überprüft werden. Die Datenübertragung zum Computer findet über Funk statt. Ein Computermodem in der Nähe des Computers empfängt die Daten vom Patientenmodem und leitet sie über eine serielle Schnittstelle in den Rechner. Eine feste Kabelverbindung zwischen Patient und Computer ist daher nicht notwendig. Da auch die Sensorik nicht an einen festen Ort gebunden ist, ermöglicht die Funkübertragung eine Ganganalyse in fast beliebiger Umgebung. Insgesamt werden die Daten der 32 Drucksensoren der zwei Sohlen und der anderen 16 möglichen Sensoren (z.B. Goniometer) übertragen. Die Reichweite der Übertragung beträgt ca. 150 m im freien Gelände und etwa 20 m in geschlossenen Gebäuden.

Es wurde eine Abtastfrequenz von 150 Hz gewählt. Diese Frequenz sichert eine gute zeitliche Auflösung der kinetischen und kinematischen Meßdaten.

Die Meßdauer ist nur durch den Ladezustand der Batterie des Patienten- oder Computermodems begrenzt. Die Dauer der Aufzeichnung der Messung ist zwischen fünf Sekunden und fünf Minuten wählbar. Bei unseren Untersuchungen lag die Meßdauer zwischen 20 und 30 Sekunden.

Für die Bestimmung von patiententypischen Gangparametern ist es zweckmäßig, daß der Proband mehrere Schritte hintereinander möglichst ohne Pause geht. Der Ganganalysemeßplatz wurde so konzipiert, daß die Messungen sowohl auf einem Laufband oder im Laufgang erfolgen können.


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Beide Methoden haben ihre Berechtigung. Gehen auf dem Laufband erzwingt einen gleichmäßigen Gang. Man erhält definiertere Meßbedingungen als im Laufgang. Der Zwang mit konstanter Geschwindigkeit zu gehen, läßt Störungen im Bewegungsapparat offener zutage treten. Bei Messungen auf einem Laufband wird die Ganggeschwindigkeit durch das Laufband vorgegeben. Die Strecke, die während der Messung zurückgelegt wird, errechnet sich aus der Meßdauer.

Insbesondere bei ungeübten Probanden kann jedoch der Gang auf dem Laufband vom Gang in natürlicher Umgebung abweichen (vergl. Abschnitt 0 ). Das Gehen im Laufgang kommt dem natürlichen Gang näher. Patienten mit stärkerer Beeinträchtigung des Bewegungsapparates (z.B. geriatrische Patienten) sind manchmal nicht in der Lage auf dem Laufband zu gehen. Hier kann nur im Laufgang gemessen werden.

Bei Laufbandmessungen dient eine Einlaufphase zur Vorbereitung. Diese dauert solange, bis die Standardabweichung der Doppelschrittdauer einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Erst jetzt kann die Aufzeichnung der Messung gestartet werden. Man geht dann davon aus, daß sich der Proband auf dem Laufband eingelaufen hat. Der Wert der Standardabweichung ist veränderbar und läßt sich somit an den Grad der Bewegungsstörung anpassen.

Bei Messungen im Laufgang ist die Wegstrecke die vorgegebene Größe und die mittlere Ganggeschwindigkeit ergibt sich aus der Zeit, die benötigt wird , um die Wegstrecke zurückzulegen.

5.2.2. Druckmeßsohlen

In die Meßsohlen sind 16 Drucksensoren pro Sohle integriert worden. Die Lage der Sensoren innerhalb der Sohle wurde der zu erwartenden Druckverteilung am gesunden Fuß angepaßt. Die aktive Sensorfläche beträgt ca. 20% der Fläche der gesamten Meßsohle. Als Drucksensoren werden FSR-Sensoren (Force Sensing Resistors) verwendet. Ein FSR-Sensor ist aus drei Komponenten zusammengesetzt, die in Abb. 23 dargestellt sind / [5-3] /:

  1. Die Trägerfolie für die FSR-Schicht. Auf ihrer Innenseite ist eine schwarze aus halbleitendem Polymer bestehende FSR-Schicht aufgedruckt.
  2. Die Klebeschicht. Sie besteht aus einer doppelseitig klebenden Folie genau definierter Dicke. Ihre Aufgabe besteht darin, die Komponenten des Sensors fest miteinander zu verbinden und einen konstanten Abstand zwischen den Trägerfolien herzustellen.
  3. Die Trägerfolie für die Elektroden. Auf ihrer Innenseite sind die kammartigen Elektroden aufgedruckt, die so ineinander verschachtelt sind, daß sie sich nicht berühren.

Abb. 23: Komponenten eines FSR-Sensors / [5-3] /

In Abhängigkeit von der auf die aktive Oberfläche eingeleiteten Kraft ändert sich der elektrische Widerstand eines FSR-Sensors. Durch die Krafteinwirkung kontaktieren die Elektroden mit der FSR-Schicht und es werden Widerstandsbrücken zwischen den Elektroden aufgebaut. Je höher die Krafteinwirkung desto mehr Brücken schließen sich. Die Brücken sind elektrisch parallel geschaltet. Die Widerstandsänderung erstreckt sich über mehrere Größenordnungen. Abb. 24 enthält die charakteristische Druckabhängigkeit des elektrischen Widerstandes für die von uns genutzten Sensoren. Der elektrische Widerstand ist im logarithmischen Maßstab dargestellt. Aus schaltungstechnischen Gründen ist es zweckmäßiger, anstelle einer Widerstandsmessung eine Strommessung durchzuführen. Abb. 25 zeigt den Zusammenhang zwischen Druck P und der dem Strom proportionalen elektrische Leitfähigkeit G. Für diese Darstellung ist ein linearer Maßstab sinnvoll.


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Abb. 24: Der elektrische Widerstand R eines FSR-Sensors als Funktion des Druckes P

Abb. 25: Der elektrische Leitwert G eines FSR-Sensors als Funktion des Druckes P

Im Anhang 3 sind die wichtigsten technischen Daten der FSR-Sensoren zusammengefaßt / [5-3] , [5-4] /.

Die Druckabhängigkeit des elektrischen Widerstandes weist eine relativ große Exemplarstreuung auf. Um dennoch zu guten Ergebnissen in der Ganganalyse zu gelangen, werden die Sensoren vor dem Einbau in die Sohlen klassifiziert. Nur Sensoren gleicher Klasse kommen in eine Sohle. Jede Sohle besitzt einen eigenen Vorverstärker, der sich so einstellen läßt, daß bei gleicher Belastung ein etwa gleich großes Ausgangssignal erzeugt wird. Zur Kompensation der verbleibenden Exemplarstreuung und von Nichtlinearitäten wird jeder Sensor zusätzlich in einer Druckkammer kalibriert. Jeder Sohle ist somit eine Kalibriertabelle zugeordnet.

Um die Reproduzierbarkeit der Meßwerte bezogen auf den einzelnen Sensor zu überprüfen, wurden im Druckbereich zwischen 0,5 bar und 3,5 bar Untersuchungen durchgeführt. Es ergab sich eine Wiederholgenauigkeit besser als 1 %.

Der Widerstand der FSR-Sensoren besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, das heißt mit Temperaturerhöhung sinkt der Widerstand. Vom Hersteller wird ein Wert von -0,8 % pro Kelvin angegeben. Eigene Messungen bei Temperaturen zwischen 23 °C und 43 °C ergaben eine Druckabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten ( Abb. 26 ). Für den Temperaturbereich zwischen 23 °C und 33 °C und Drücken oberhalb von 0,5 bar liegt der Temperaturkoeffizient zwischen -0,7% und -0,3%. Im Temperaturbereich zwischen 33 °C und 43 °C und Drücken unterhalb von 2 bar sinkt der Temperaturkoeffizient stark ab. Die Kalibriertabellen der Drucksensoren wurden bei Raumtemperatur erstellt. Zur Ganganalyse befinden sich die Sohlen mit den Drucksensoren im Schuh und nehmen die Temperatur unter dem Fuß an. Um den Temperatureinfluß auf die Meßergebnisse abschätzen zu können, wurde diese während des Gehens auf einem Laufband bei einigen Probanden vermessen ( Abb. 27 ). Die Probanden trugen normale Straßenschuhe oder Turnschuhe.

Innerhalb der ersten 30 Sekunden stieg die Sohlentemperatur von Raumtemperatur (ca. 23 °C) auf mindestens 27 °C. Nach etwa einer Minute wird der Temperaturgradient deutlich geringer. Bei den Probanden mit Turnschuhen erfolgte nach etwa 12 bis 15 Minuten ein erneuter Temperaturanstieg um einige Grad. Vom Einlegen der Meßsohlen bis zum Beginn der Aufzeichnung der Messung vergingen bei den Ganguntersuchungen im Rahmen dieser Arbeit mehrere Minuten. Die Sohle hat sich dabei auf mindestens 27 °C erwärmt und die Temperaturänderung während der Aufzeichnung der Messung (Aufzeichnungsdauer zwischen 20 und 30 Sekunden) ist nur noch gering.


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Gegenüber der Kalibrierungstemperatur ist zum Zeitpunkt des Messens eine um maximal 12 Grad höhere Temperatur zu erwarten. Der daraus resultierende maximale Meßfehler liegt im Druckbereich oberhalb 1,5 bar bei ca. 6 %.Deutlich verringern könnte man den Temperatureinfluß, wenn während der Messung die Temperatur bestimmt und die Ergebnisse entsprechend korrigiert würden. Eine Kalibrierung der Meßsohlen bei 30 °C kann die Meßgenauigkeit ebenfalls verbessern.

Abb. 26: Temperaturkoeffizient TK als Funktion des Druckes P in den Temperaturbereichen 23 °C bis 33 °C und 33 °C bis 43 °C (Mittelwert aus 10 Sensoren)

Abb. 27: Änderung der Temperatur einer Druckmeßsohle im Schuh während einer Gangmessung

Aufgrund seiner Konstruktion hat der FSR-Sensor ein "Kriechverhalten", das heißt, sein Widerstand - und damit auch sein elektrischer Leitwert - ändert sich stetig bei konstanter Belastung ( Abb. 28 ). Je nach Höhe der Last kann dieses Kriechen etliche Stunden dauern. FSR-Sensoren sind daher als Meßelemente für statische Belastungen nur bedingt geeignet. Bei der Ganganalyse werden die Drucksensoren nur kurzzeitig belastet (t < 1 s). Der Driftfehler der in diesen Zeitbereichen maximal auftreten kann, liegt etwa bei 1 % ( Abb. 29 ) und beeinflußt damit das Meßergebnis nur unerheblich.

Abb. 28: Veränderung des Leitwertes bei Dauerbelastung (Mittelwert aus 10 Sensoren, bezogen auf den Leitwert bei t=5 s)


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Abb. 29: Veränderung des Leitwertes bei kurzzeitiger Belastung (Mittelwert aus 10 Sensoren, bezogen auf den Leitwert bei t=0,24 s)

5.2.3. Goniometer

Für den Ganganalysemeßplatz werden zweidimensionale Goniometer der Firma Penny and Giles eingesetzt ( Abb. 30 ). Zwischen den zwei Endblöcken befindet sich innerhalb einer Schutzfeder ein Kerndraht, um den mehrere Dehnmeßstreifen herum angeordnet sind. Wenn sich der Winkel zwischen den beiden Endblöcken ändert, wird die Dehnungsänderung entlang der Länge des Drahtes gemessen und daraus der Winkel zwischen den Endblöcken bestimmt.

Abb. 30: Goniometer der Firma Penny and Giles / [4-30] /

Abb. 31: Der Temperatureinfluß auf das Goniometersignal


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Ein Vorverstärker verstärkt das Goniometersignal. Die Nullstellung und der Verstärkungsgrad sind am Vorverstärker einstellbar. Bei sorgfältiger Einstellung ist der Absolutwert des Winkels mit einer Genauigkeit von ± 3 Grad meßbar. Dies gilt jedoch nur bei Beachtung der Goniometertemperatur, denn ein Nachteil der Goniometer ist die hohe Temperaturabhängigkeit. Eine Temperaturänderung führt zur Parallelverschiebung des Meßsignals ( Abb. 32 ).

Vor jeder Messung wird der Nullpunkt des Goniometers definiert. Hierzu muß der Patient mit den befestigten Goniometern in Neutralstellung stehen. Der Winkel, welchen die entsprechenden Endblöcke zueinander einnehmen, wird als Nullwinkel definiert. Eine mögliche Parallelverschiebung des Meßsignals infolge des Temperaturunterschiedes bei Verstärkereinstellung und bei Nullung wird dadurch korrigiert. Nicht korrigiert ist jedoch der Meßfehler der auftritt, wenn sich die Goniometertemperatur noch nach der Nullung ändert.

Entscheidend für die Genauigkeit des Absolutwinkels ist weiterhin die Sorgfalt beim Anbringen der Goniometer. Ein falsches Befestigen beeinflußt die Meßgenauigkeit ebenso wie ein Verrutschen der Goniometer während der Messung.

Die in dieser Arbeit bevorzugte Art der Anbringung der Goniometer an den Gelenken ist in den Abb. 33 bis Abb. 35 dargestellt.

Abb. 32: Der Meßfehler infolge Temperaturänderung des Goniometers

Abb. 33: Die Befestigung am Sprunggelenk / [4-30] /


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Abb. 34: Die Befestigung am Kniegelenk / [4-30] / und die Definition des Kniewinkels

Abb. 35: Die Befestigung am Hüftgelenk / [4-30] / und die Definition des Hüftwinkels


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Wed Jun 7 17:17:09 2000