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 6. Auswerteverfahren

6.1. Grundkonzepte für die Ganganalyse

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte bei der Analyse des menschlichen Ganges.

Einerseits kann die Fragestellung die Beurteilung des zum Meßzeitpunkt typischen Gangbildes beinhalten. In diesem Fall interessieren nicht die zufälligen Einzelereignisse, sondern man wird bestrebt sein, aus einer Anzahl von Schritten einen typischen mittleren Schritt zu bilden. Für diese Aufgabenstellung ist es sinnvoll, möglichst reproduzierbare und über die Meßdauer einheitliche Bedingungen zu schaffen. Insbesondere ist darauf zu achten, daß eine gleichbleibende Geschwindigkeit eingehalten wird. Um diese Bedingungen zu realisieren bietet sich die Messung auf einem Laufband an. Der Proband wird hier gezwungen, eine gleichmäßige Geschwindigkeit beizubehalten. Andere Problemstellungen zielen dagegen gerade auf das Einzelereignis eines Schrittes ab. Beispielsweise könnte damit die Sturzgefährdung geriatrischer Patienten diagnostiziert werden, indem man kurzzeitige Gleichgewichtsstörungen bei einzelnen Schritten meßtechnisch erfaßt. Ein weiteres Beispiel für die Auswertung einzelner Schritte ist die Untersuchung des Einlaufverhaltens. So ist z.B. bei rheumatischen Erkrankungen die Gangbeeinträchtigung bei den ersten Schritten am größten. Hier kommt es darauf an, die zeitliche Abfolge einiger weniger Schritte zu analysieren.

Zur Einzelschrittauswertung sind in dieser Arbeit lediglich die Standardabweichungen von Doppelschritt- und Standphasendauer bestimmt worden. Der Schwerpunkt lag bei der Bestimmung des typischen Gangverhaltens, also des mittleren Schrittes. Daher soll im folgenden auf zwei Algorithmen zur Schrittbestimmung ausführlicher eingegangen werden.

6.2. Berechnung eines für den Probanden typischen Schrittes

Für die Berechnung eines mittleren Schrittes werden die Werte der Druckmeßsohle verwendet. Die Grundlage dieses Algorithmus ist, daß sich ein Schritt in Stand- und Schwungphase unterteilt. Jeder Anfang eines Schrittes geht einher mit dem Überschreiten eines Schwelldruckes im Moment des Auftretens. Als Auswertekanal für die Schrittberechnung wählt man zweckmäßigerweise den zeitlichen Verlauf des durchschnittlichen Druckes bezogen auf eine komplette Sohle. Dieser Verlauf läßt sich einfach aus den Verläufen der einzelnen Drucksensoren berechnen.

Im ersten Teil zur Berechnung des typischen Schrittes wird aus den Zeitpunkten der einzelnen Schwelldrücke auf die Dauer der Einzelschritte geschlossen. Das Hauptproblem besteht dabei in der Festlegung des Schwelldruckes. Es gibt mehrere Fehlerquellen. Wählt man die Schwelle zu niedrig, dann kann es vorkommen, daß diese in der Schwungphase infolge geringer Druckschwankungen (z.B. durch Verkrampfen der Zehen in der Schwungphase) überschritten wird. Wird die Schwelle zu hoch angesetzt, dann ist eine Unterschreitung während der Standphase möglich. Dies kann insbesondere bei hohen Ganggeschwindigkeiten mit ausgeprägter Zweigipflichkeit des Druckverlaufes (vergl. Abschnitt Auskommentiertes Element 6.3.5.2 ) vorkommen.

Mittels zusätzlichen Plausibilitätsbetrachtungen über die sinnvolle Dauer der Einzelschritte können offensichtlich falsch bestimmte Einzelschritte verworfen werden. Eine weitere gute Möglichkeit zur Verbesserung des Algorithmus besteht darin, mit einer variablen Schwelle zu arbeiten. Bei richtiger Schwellenwahl besitzt die Standardabweichung der Dauer der Einzelschritte ein Minimum. Nach der Bestimmung der Einzelschritte wird als zweites jeder Einzelschritt zeitlich normiert. Als drittes werden die Einzelschritte für jeden Zeitpunkt aufsummiert und durch die Schrittzahl dividiert. Man erhält den mittleren Schritt.


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6.3. Parametersystem zur Beschreibung des Ganges

6.3.1. Die Ganggeschwindigkeit

Die Ganggeschwindigkeit ist der zentrale Meßwert für die quantitative Ganganalyse. Instinktiv wählt ein Mensch die Geschwindigkeit, die seinen lokomotorischen Fähigkeiten angemessen ist. Eine starke Verlangsamung der Geschwindigkeit ist ein sicherer Hinweis auf ein pathologisches Geschehen. Viele Gangparameter sind geschwindigkeitsabhängig. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, daß auch gesunde Probanden erst bei Geschwindigkeiten ab etwa 2 km/h ein unauffälliges Gangbild, wie es in Abschnitt 0 beschrieben wird, entwickeln.

Patienten mit Beeinträchtigungen des Bewegungsapparates müssen für das Gehen oft mehr Energie aufwenden als gesunde Personen. Sie passen sich der Beeinträchtigung durch eine geringere Ganggeschwindigkeit an. Dies erfolgt meist unbewußt im Sinne einer Energieoptimierung (vergl. Abschnitt 3.2.2 / [2-19] /). Die komfortable Geschwindigkeit vkomf wird an die optimale Geschwindigkeit vopt angeglichen. Die komfortable Geschwindigkeit vkomf ist daher besonders bei Verlaufskontrollen eine bedeutsame Größe. Sie ist ein Maß für den Grad der Beeinträchtigung. Die komfortable Geschwindigkeit sollte in einem Laufgang gemessen werden.

Finley und Cody / [6-4] / untersuchten den unaufälligen Gang von Personen im Alter zwischen 20 und 60 Jahren und fanden, daß die meisten Personen eine Ganggeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 1,67 m/s bevorzugen.

Bei Laufbandmessungen ist die Ganggeschwindigkeit durch das Band vorgegeben. Der Untersucher kann durch Abfrage die dem Patienten angenehmste Bandgeschwindigkeit ermitteln. Diese Geschwindigkeit wird jedoch wesentlich dadurch beeinflußt, wie sich der Patient auf dem Laufband eingelaufen hat. Sie wird im allgemeinen geringer sein als die im Laufgang gemessene komfortable Geschwindigkeit vkomf (vergl. Abschnitt 0 ).

Die Ganggeschwindigkeit hängt von den körperlichen Proportionen des Probanden ab. Personen mit langen Beinen haben häufig eine höhere Ganggeschwindigkeit als Personen mit kurzen Beinen. Daher wird manchmal in der Literatur die relative Geschwindigkeit vrel als Quotient aus Geschwindigkeit v und Beinlänge definiert. Für Routinemessungen hat es sich jedoch als zweckmäßiger erwiesen, für die relative Geschwindigkeit vrel folgendes zu definieren:

, Gleichung 4

mit L0 als Körpergröße des Probanden. Die Körpergröße ist fast immer bekannt. Eine zusätzliche Messung der Beinlänge des Probanden ist nicht notwendig.

Für eine Auswertung der Geschwindigkeitsabhängigkeit ist es nützlich, verschiedene Geschwindigkeitsbereiche zu definieren. Winter / [4-37] / wählte als Kriterium für die Geschwindigkeit die Schrittfrequenz (Kadenz) und definierte die Bereiche „langsame Kadenz“, „natürliche Kadenz“ und „schnelle Kadenz“. Diese Unterteilung berücksichtigt jedoch nicht die unterschiedlichen Körpergrößen der Probanden. Charteris / [6-1] / gab für gesunde erwachsene Personen acht Geschwindigkeitsbereiche von „sehr langsam“ bis „sehr schnell“ an. Smidt / [6-2] / unterschied sieben Bereiche von „sehr langsam“ (v<0,4 m/s) bis sehr schnell (v>1,9 m/s).

Um für die verschiedenen Geschwindigkeitsbereiche statistisch auswertbare Datenmengen zu erhalten, beschränkten wir uns für Probanden mit unauffälligem Gangbild auf fünf Geschwindigkeitsbereiche ( Tabelle 2 ). Für Patienten mit Beeinträchtigungen, z.B. für Prothesenträger, ist eine andere Einteilung zweckmäßig. Für diese Personengruppe wurde nur in vier Geschwindigkeitsbereiche unterteilt ( Tabelle 3 ).


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Tabelle 2: Geschwindigkeitsbereiche für Probanden mit unauffälligem Gangbild.

Tabelle 3: Geschwindigkeitsbereiche für Patienten mit Beeinträchtigungen

6.3.2. Schrittfrequenz, Doppelschrittlänge und Schrittverhältnis

Ein vollständiger Gangzyklus ist der Doppelschritt (s. Abschnitt 3.2.1 ). Die Doppelschrittlänge L ist die Wegstrecke, die während eines Doppelschrittes zurückgelegt wird. Da auch die Schrittlänge von den Körpermaßen der Versuchsperson abhängt, läßt sich die relative Schrittlänge Lrel folgendermaßen definieren:

Gleichung 5.

Eine kurze Schrittlänge ist ein Indiz für einen unsicherer Gang.

Die Schrittfrequenz f0 wird üblicherweise auf die Zeiteinheit Minute bezogen und dann auch als Kadenz bezeichnet. Die Bezugsgröße ist der Doppelschritt und die Maßeinheit für die Schrittfrequenz ist Doppelschritte pro Minute ([DS/min]). In der Literatur bezieht man sich bei der Schrittfrequenz häufig auf den Einzelschritt. Bei dieser Definition der Schrittfrequenz erhält man um den Faktor zwei größere Werte. Die Bezugsbasis bei der Bestimmung der Schrittfrequenz ist unbedingt zu beachten. Der Kehrwert der Schrittfrequenz f0 ist die Doppelschrittdauer T0. Sie wird in Sekunden angegeben:

Gleichung 6

Das Produkt aus Doppelschrittdauer T0 und Schrittlänge L betrachtet man häufig in der Literatur / [6-5] , [6-6] / als eigenständigen Gangparameter. Dieser Parameter gilt in einem breiten Geschwindigkeitsbereich als geschwindigkeits- und personenunabhängig. Man nennt diesen Parameter Schrittverhältnis SV. Das Schrittverhältnis wird definiert zu

Gleichung 7

Nach Literaturangaben schwankt SV bei Männer zwischen 0,39 - 0,44 m s und bei Frauen zwischen 0,34 - 0,40 m s / [2-19] , [6-7] /. Eigene Untersuchungen zum Gehen auf dem Laufband ergaben einen größeren Schwankungsbereich (s. Abschnitt 8.1 ).

Für die Ganggeschwindigkeit gilt:

Gleichung 8


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Unter Berücksichtigung von Gleichung 7 und konstantem Schrittverhältnis SV sind die Doppelschrittdauer T0 und die Doppelschrittlänge L Funktionen der Schrittgeschwindigkeit v:

Gleichung 9

Gleichung 10

Als Maß für die Streuung der Einzelschritte dienen der Variationskoeffizient der Doppelschrittdauer T0rel und die Variationskoeffizienten der Standphasendauer StPLrel und StPRrel.

6.3.3. Symmetrieparameter

Ein unauffälliger Gang wird unter anderem dadurch charakterisiert, daß visuell kein Unterschied zwischen linker und rechter Seite festzustellen ist. Asymmetrien beeinflussen das Gangbild stark. Die Gangsymmetrie ist daher ein wichtiges Gangkriterium / [6-8] /. Immer dann, wenn ein Parameter für linke und rechte Seite getrennt auswertbar ist , läßt sich auch ein Symmetrieparameter definieren. Dies ist beispielsweise bei der Stand- oder der Schwungphasendauer möglich.

Wenn GL ein Gangparameter für die linke Seite und GR der entsprechende Parameter für die rechte Seite ist, dann berechnet sich der zugehörige Symmetrieparameter GS zu / [6-9] /:

Gleichung 11

Die Maßeinheit der Symmetrieparameter ist Prozent. Bei größerem rechten Gangparameter wird die zugehörige Symmetrie positiv.

6.3.4. Temporäre Gangparameter

Entsprechend dem in Abschnitt 3.2.1 beschriebenen Gangzyklus wird ein Doppelschritt in verschiedene Hauptphasen unterteilt. Man unterscheidet die Stand- und die Schwungphase des linken und rechten Beines. Der prozentuale Anteil an der Zeit eines Doppelschrittes, bei dem das linke Bein Bodenkontakt besitzt, wird als Standphasendauer links StPL bezeichnet. Hat das linke Bein keinen Bodenkontakt mehr, spricht man von der Schwungphase links SPL. Gleiches gilt für das rechte Bein. Stand- und Schwungphasendauer ergeben als Summe die Doppelschrittdauer. Man kann sich also auf eine der beiden Phasen beschränken.

Der Anteil an der Doppelschrittdauer, bei dem beide Füße den Boden kontaktieren, wird durch den Parameter Zweibeinstand ZBS beschrieben. Auch dieser Parameter wird, wie die oben genannten Schrittphasen, in Prozent der Doppelschrittdauer (% DSD) angegeben.

In Abb. 36 sind Standphase und Zweibeinstand für einen mittleren Schritt dargestellt. Wir unterscheiden die Zeitdauer der Lastübernahme des linken Beines LÜL und der Lastübernahme rechts LÜR. Analog zur Standphasendauer läßt sich die Zeitdauer in der die Ferse bzw. der Vorfuß eines Beines Bodenkontakt hat als Fersenstand- bzw. Vorfußstanddauer definieren.


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Abb. 36: Standphase und Zweibeinstand während eines Doppelschrittes

6.3.5. Herleitung von Gangparametern aus den Druckverläufen

6.3.5.1. Druck und Bodenreaktionskraft

Der Betrag der auf den i-ten Drucksensor wirkenden Bodenreaktionskraft fi ergibt sich aus dem Produkt von Druck pi und Sensorfläche ai :

. Gleichung 12

Summiert man die zum Zeitpunkt t auftretenden Bodenreaktionskräfte fi über alle Sensoren einer Sohle, dann erhält man die Summe aller auf die Sensorfläche einwirkenden Kräfte FG:

. Gleichung 13

Sind die Flächen der Sensoren konstant, vereinfacht sich Gleichung 13 zu

, Gleichung 14

mit a = ai = const und

. Gleichung 15

Unter der Voraussetzung, daß die Lage der Drucksensoren repräsentativ für die gesamte Sohle gewählt wurde, unterscheidet sich der zeitliche Verlauf der auf die gesamte Sohle wirkenden Bodenreaktionskraft FS(t) nur um einen konstanten Faktor von FG(t). Bei geeigneter Wahl von Zahl und Lage der Sensoren ist der zeitliche Verlauf der Bodenreaktionskraft FS also proportional der Summe aller an den Sensoren einer Sohle gemessenen Drücke:

Gleichung 16

Neben der Summation der Druckwerte über alle Sensoren ist es sinnvoll, die Druckwerte verschiedener Sohlenbereiche zusammenzufassen. Nicht in jedem Sohlenbereich befindet sich die gleiche Sensoranzahl. Um die Werte der jeweiligen Bereiche dennoch vergleichbar zu gestalten, wurde durch die Zahl der Sensoren des jeweiligen Bereiches dividiert. Es werden die in Tabelle 4 aufgelisteten Sohlenbereiche mit den zugehörigen zeitlichen Druckverläufen unterschieden.


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Tabelle 4: Die Sohlenbereiche

6.3.5.2. Die Normierung des Druckverlaufes

Es ist naheliegend, daß der Druck unter dem Fuß vom Gewicht G0 des Probanden abhängig ist. Andererseits ist für die Größe des Druckes entscheidend, auf welche Sohlenfläche A0 sich das Körpergewicht verteilt. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde der Einfluß von Körpergewicht G0 und Sohlenfläche A0 auf verschiedene Sohlenparameter z. B. dem Druckmaximum untersucht / [6-10] /. Die Probanden gingen dabei mit sogenannten Gymnastikschuhen, welche nur eine sehr dünne Gummisohle ohne Absatz oder Fußbett hatten. Das Gehen mit solchen Schuhen kommt dem Barfußgehen sehr nahe. Für die Bodenreaktionsintegrale und das Druckmaximum konnte eine Korrelation mit dem Körpergewicht und der Schuhgröße, also der Sohlenfläche, festgestellt werden.

Körpergewicht und Sohlenfläche bzw. Schuhgröße sind individuelle Parameter. Der festgestellte Einfluß dieser Parameter auf die Bodenreaktionsintegrale und das Druckmaximum führt zu der Überlegung, diesen durch Einführung einer geeigneten Normierungsgröße zu eliminieren. Dieser personenbezogenen Parameter ist der Quotient aus Gewicht und Sohlenfläche A0 und wird als Körpergewichtsdruck KGD bezeichnet. Der Körpergewichtsdruck stellt den Druck dar, welchen die Gewichtskraft des Probanden auf die Fläche der Sohle eines Fußes ausübt. Der Körpergewichtsdruck ist ein Maß für den statischen Druck des Körpergewichtes. Es gilt:

, Gleichung 17.

Hierbei ist G0 in kg, A0 in cm² und die Erdbeschleunigung g in 9,8067 m/s² anzugeben.

Um den individuellen Einfluß des Körpergewichtsdruckes auf die Sohlenparameter auszuschließen, wurden die Druckverläufe unter dem Fuß auf den Körpergewichtsdruck normiert.

6.3.5.3. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Druckverläufe

Bevor man beginnt, aus den Druckverläufen unter dem Fuß geeignete Parameter zur Charakterisierung des Ganges zu definieren, ist es zweckmäßig, einige grundlegende Untersuchungen anzustellen. Aus diesem Grund ist daher die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Druckverlaufes unterm Fuß beim Gehen untersucht worden / [6-10] /.

Die Messungen erfolgten an Probanden, die nach eigenen Angaben keine Probleme beim Gehen hatten. Es wurden sowohl weibliche als auch männliche Versuchspersonen vermessen. Das mittlere Alter betrug 25,9 Jahre. Die Messungen fanden auf dem Laufband statt. Vor der eigentlichen Messung hatten die Probanden die Möglichkeit, sich auf dem Laufband einzulaufen. Als Laufbandgeschwindigkeiten wurden 1,5 km/h, 3,0 km/h, 4,0 km/h und 5 km/h gewählt. Einige Probanden sind auch noch bei Geschwindigkeiten größer 6 km/h vermessen worden. Ausgewertet wurde der mittlere Schritt.

In Abb. 37 bis Abb. 42 ist der Verlauf des mittleren Sohlendruckes unterm Fuß Prel, normiert durch den Körpergewichtsdruck, für die Standphase dargestellt. Zusätzlich zu den Mittelwerten MW sind auch die Standardabweichungen St. mit eingezeichnet. Die Verläufe sind Mittelwerte aller in / [6-10] / ausgewerteten Versuchspersonen.

Trotz der großen Standardabweichung hat die Kurvenform eine ausgeprägte Geschwindigkeitsabhängigkeit. Bei sehr geringen Geschwindigkeiten steigt der Druck bis etwa Standphasenmitte an und hat hier sein Maximum ( Abb. 37 ). Danach sinkt der Druck wieder ab.

Mit zunehmender Geschwindigkeit geht der Druckverlauf in eine zweigipflige Kurve über. Am stärksten ausgeprägt ist die Zweigipfligkeit bei der höchsten Ganggeschwindigkeit ( Abb. 42 ).


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Abb. 37: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei sehr langsamer Geschwindigkeit

Abb. 38: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei langsamer Geschwindigkeit

Abb. 39: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei mittlerer Geschwindigkeit


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Abb. 40: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei mittlerer Geschwindigkeit, gedämpfter Auftritt

Abb. 41: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei schneller Geschwindigkeit

Abb. 42: Mittlerer Druckverlauf in der Standphase bei sehr schneller Geschwindigkeit

Bei sehr geringen Geschwindigkeiten hatten die Probanden einen unsicheren Gang und empfanden das Tempo als belastend. Als optimal wurde die Geschwindigkeit im mittleren bis schnellen Bereich angesehen.


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Das Druckmaximum im ersten Drittel der Standphase, welches sich bei mittleren bis höheren Geschwindigkeiten ausprägt , resultiert aus dem Abbremsvorgang während der Lastübernahme. Etwa in der Mitte der Standphase kommt es aufgrund eines Nachfederns des Knies zu einer Teilentlastung des Fußes. Am Ende der Standphase erfolgt der Abstoß des Fußes, was einen erneuten Druckanstieg zur Folge hat. Die Druckmaxima infolge Auftritt und Abstoß treten erst bei mittleren Geschwindigkeiten auf und verstärken sich mit wachsender Geschwindigkeit.

Die Kurvenverläufe des Druckes entsprechen erwartungsgemäß etwa den Kraftkurven, die mit Kraftmeßplattformen gemessen wurden (vergl. Abschnitt 6.3.5.1 ) / [6-11] /.

Im mittleren Geschwindigkeitsbereich ist eine weitere Kurvenform zu beobachten, welche durch das Fehlen des Auftrittsmaximums charakterisiert ist. Gründe für das Fehlen können sowohl individuelle Gangeigenheiten, als auch spezielle Dämpfungseigenschaften der bei der Messung getragenen Schuhe sein.

Es lassen sich drei Grundtypen des Druckverlaufes unterscheiden ( Tabelle 5 ). Die Übergänge zwischen den Typen sind fließend.

Tabelle 5: Grundtypen des Druckverlaufes unterm Fuß während des Ganges

Typ 1 tritt ausschließlich bei sehr langsamer bis langsamer Geschwindigkeit auf. Diese Geschwindigkeit wird für die meisten gesunden Probanden als unangenehm empfunden. Eigene Messungen an Patienten mit Beeinträchtigungen am Bewegungsapparat ergaben jedoch, daß gerade eine sehr langsame bis langsame Geschwindigkeit für diesen Personenkreis typisch ist. Sohlenparameter, die auch für den pathologischen Gang anwendbar sein sollen, müssen demzufolge geringe Geschwindigkeiten und damit Druckverläufe vom Typ 1 berücksichtigen.

Die Kurvenverläufe des Typs 2 und 3 sind charakteristisch für den unauffälligen Gang. Typ 2 wird in der Literatur am häufigsten dargestellt. Parameter zur quantitativen Beschreibung der Verläufe beziehen sich oft auf die Form der Kurven. Solche Parameter sind u.a. die Lage der Extrema (z.B. das Auftrittsmaximum), Kurvenanstiege und ähnliches.

Zu diesen Parametern ist folgendes kritisch anzumerken. Wie nachgewiesen wurde, hängt die Kurvenform stark von der Ganggeschwindigkeit ab. Werden nun Parameter genutzt, die mit der Form zusammenhängen, dann trifft man meist nur indirekt Aussagen zur Ganggeschwindigkeit.

Solche Parameter sind allenfalls sinnvoll im direkten Vergleich zwischen linkem und rechtem Bein. Entsprechen die Kurven nicht der Idealvorstellung eines zweigipfligen Verlaufes (was beim pathologischen Gang sehr häufig der Fall ist), dann ist oft keine Berechnung obiger Parameter möglich.

6.3.5.4. Die Bodenreaktionsintegrale

In der Mechanik wird das zeitliche Integral einer Kraft F als Kraftstoß definiert / [6-12] /. Ein auf einen Körper einwirkender Kraftstoß hat eine Änderung des Impulses I’ des Körpers zur Folge. Es gilt:

. Gleichung 18

In Analogie hierzu läßt sich der Bodenreaktionsimpuls I’B als zeitliches Integral der Bodenreaktionskraft BS über die Standphasendauer StP definieren:

, Gleichung 19


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oder unter Berücksichtigung von Gleichung 16 :

. Gleichung 20

Wenn wir Gleichung 20 verallgemeinern, läßt sich das Druckintegral I folgendermaßen definieren:

Gleichung 21.

In Abhängigkeit von der Lage der Integralgrenzen, bzw. der ausgewerteten Sohlenbereiche können wir verschiedene Druckintegrale bestimmen.

Näherungsweise kann der Druckverlauf unter dem Fuß in zwei Phasen unterteilt werden. Wir unterscheiden die Auftritt - und die Abstoßphase. Als Grenze zwischen diesen beiden Phasen kann beim Kurvenverlauf des Typs 2 das Minimum zwischen den beiden Maxima angesehen werden. Da dieses Minimum bei den Typen 1 und 3 jedoch nicht vorhanden ist, wird pragmatisch als Grenze zwischen Auftritt und Abstoß der Zeitpunkt bei 50 % der Standphasendauer definiert. Das Auftrittsintegral IAu ist dann das zeitliche Integral des Druckes PG(t) zwischen dem Initialkontakt und der Mitte der Standphasendauer (StP/2). Das Abstoßintegral IAb errechnet sich aus dem zeitlichen Integral des Druckes PG(t) über die zweite Hälfte der Standphasendauer.

Wird über den Druck des Fersenbereiches integriert, erhalten wir das Fersenintegral. Entsprechendes gilt für die anderen Fußbereiche. Insgesamt ergeben sich also je Fuß 8 Bodenreaktionsintegrale ( Tabelle 6 ). Die Druckintegrale lassen sich für alle Typen des Druckverlaufes unterm Fuß berechnen. Sie sind ein Maß für die Belastung Füße beim Gehen.

Tabelle 6: Die Bodenreaktionsintegrale

Druckintegral

Berechnung

Druckintegral

Berechnung

Gesamtintegral:

IG =

Mittelfußintegral:

IM =

Auftrittintegral:

IAu =

Vorfußintegral:

IV =

Abstoßintegral:

IAb =

Außenfußintegral:

IA =

Fersenintegral:

IF =

Innenfußintegral:

II =

Die Absolutwerte der Druckintegrale sind abhängig vom Meßsystem. Absolutwerte verschiedener Meßsysteme sind also nicht miteinander vergleichbar.

Beim unauffälligen Gang korrelieren die Integrale IAu und IF bzw. IAb und IV sehr stark miteinander. Im Falle des pathologischem Ganges (z.B. Schongang wegen verletzter Ferse oder aufgrund eines Streckdefizites des Knies) ist dies häufig nicht der Fall.


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Die Größe der Bodenreaktionsintegrale wird sowohl durch die Druckwerte als auch durch das Integrationsintervall beeinflußt. Teilt man die Integrale durch das Integrationsintervall, z.B. das Fersenintegral durch die Zeitdauer, in der die Ferse Bodenkontakt hat, dann ergibt sich eine Größe mit der Dimension des Druckes. Das so normierte Integral entspricht dem mittleren Druck in dem betrachteten Zeitintervall und dem Ort unterm Fuß. Um schließlich noch die individuellen Parameter Körpergewicht und Schuhgröße zu berücksichtigen, werden die Bodenreaktionsintegrale auf den Körpergewichtsdruck bezogen. Man erhält eine dimensionslose Größe.

Die Symmetrie der Druckintegrale IS ist ein Maß für die Symmetrie der Belastung der Beine. Diese Symmetrie entzieht sich der visuellen Beurteilung. Für alle Bodenreaktionsintegrale ist eine Berechnung der Symmetrie möglich.

6.3.5.5. Die Dynamik des Druckschwerpunktes

Als Schwerpunkt eines Körpers wird der Punkt bezeichnet, an dem die Summe aller Kräfte und Kraftmomente gleich Null ist. Der Ortsvektor des Körperschwerpunktes ist definiert zu:

, Gleichung 22

mit

mi - Masse des Punktes i

ri - Ortsvektor des Punktes i.

Während des Gehens findet eine ständige Verlagerung des Körperschwerpunktes (COP) statt. Diese Verlagerung erfolgt sowohl horizontal als auch vertikal (vergl. Abschnitt 0 ). Eine exakte Berechnung der Koordinaten des sich zeitlich ändernden Körperschwerpunktes ist nur realisierbar bei genauer Kenntnis der Lage aller Punkte des menschlichen Körpers. Durch Modellbildung ist eine Vereinfachung der Rechnung möglich. Näherungsweise läßt sich dann die Änderung der Koordinaten des Körperschwerpunktes aus der Lageänderung der Extremitäten, des Rumpfes und des Kopfes bestimmen.

Ein einfaches Abbild des Zeitverhaltens der Schwerpunktkoordinaten in der Horizontalebene erhält man auch durch Auswertung der Druckverteilung unter den Füßen während des Gehens. Zur Berechnung der Koordinaten dieses Druckschwerpunktes definieren wir ein Sohlenkoordinatensystem mit dem Koordinatenursprung zwischen linker und rechter Sohle ( Abb. 43 ). Da der reale Sohlenabstand a und die relative Sohlenlage bzgl. y-Achse nicht bekannt sind, wird der Sohlenabstand a zur Vereinfachung als Konstante angenommen. Die Winkel alpha1 und alpha2 werden zu 90° gesetzt. In diesem Koordinatensystem lassen sich die Koordinaten XS und YS des Druckschwerpunktes zum Zeitpunkt t folgendermaßen definieren:

Gleichung 23

und

Gleichung 24


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mit

pi (t)- Druck am Sensor i,

yi - y-Koordinate von Sensor i,

xi - x-Koordinate von Sensor i.

Abb. 43: Sohlenkoordinatensystem

Summiert man gemeinsam über alle linken und rechten Sohlensensoren erhält man den Druckschwerpunkt für das gesamten Sohlensystem. Der zeitliche Verlauf des Ortsvektors des Schwerpunktes ergibt innerhalb des in Abb. 43 definierten Koordinatensystems beim unauffälligen Gang das Bild eines Schmetterlings ( Abb. 44 ). Die Darstellung wird als Zyklogramm bezeichnet und enthält sowohl Informationen über den Lastwechsel zwischen linkem und rechtem Bein (X-Koordinate) als auch über das Abrollverhalten (Y- Koordinate).

Abb. 44: Zyklogramm eines gangunauffälligen Probanden

Der zeitliche Verlauf der Koordinaten des Druckschwerpunktes läßt sich für beide Bewegungsrichtungen separat darstellen ( Abb. 45 ). Diese Darstellungsform wird als DSP-Dynamik (Dynamik des Druckschwerpunktes) bezeichnet.

Wertet man die Druckschwerpunkte für die linke und die rechte Sensorsohle getrennt aus, d.h. summiert man nur über die Sensoren einer Sohle, dann erhält man die Ganglinien der beiden Füße ( Abb. 46 ). Die Ganglinien sind ein anschauliches Abbild des Abrollverhaltens beim Gehen.


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Abb. 45: Die DSP-Dynamik eines gangunauffälligen Probanden

Abb. 46: Die Ganglinien eines gangunauffälligen Probanden

6.3.5.6. Die Beurteilung des Abrollverhaltens

Zur Beurteilung des Abrollverhaltens wurden folgende Parameter definiert:

  1. Effektive Fußlänge Leff
  2. Ganglinienbreite Gl
  3. Überlappungsintegral FV
  4. Zweifersenstand ZFS
  5. Zweivorfußstand ZVS


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Der Parameter „Effektive Fußlänge“ Leff ergibt sich aus der Länge der Ganglinie und wird in Prozent der wirksamen Sohlenlänge (Abstand zwischen den beiden in Y-Richtung am weitesten auseinander liegenden Drucksensoren) angegeben. Dabei ist zu beachten, daß nicht die Ganglinie aller Einzelschritte, sondern die des mittleren Schrittes zur Bestimung herangezogen wird

Die Ganglinienbreite Gl errechnet sich aus der Standardabweichung der X-Koordinate der Ganglinie. Zu schmale Ganglinien deuten auf Koordinationsstörungen oder Ermüdungserscheinungen hin (/ [6-13] /). Bei Verletzungen am Sprunggelenk (vergl. Abb. 116 ) und beim Prothesengang lassen sich beispielsweise häufig sehr schmale Ganglinien beobachten. Ebenso können zu breite Ganglinien ein Hinweis auf Gangstörungen sein.

In Abb. 47 sind die Druckverläufe von Ferse und Vorfuß des gleichen Beines dargestellt. Im mittleren Teil der Standphase überlappen die Druckverläufe von Ferse und Vorfuß. Das Überlappungsintegral FV (graue Fläche) wird als Gangparameter ausgewertet. Diese Fläche ist ein Maß für die Art des Aufsetzens des Fußes. Setzt man mit dem gesamten Fuß gleichzeitig auf, dann ist dieser Parameter sehr hoch. Die Größe des Überlappungsintegrals wird auf das Bodenreaktionsintegral bezogen und in Prozent angegeben.

Abb. 47: Das Überlappungsintegral eines gangunauffälligen Probanden

Den zeitlichen Anteil eines mittleren Doppelschrittes, bei dem die linke und die rechte Ferse gleichzeitig am Boden sind, bezeichnet man als Zweifersenstand ZFS. Beim unauffälligen Gang liegt dieser Parameter bei Null oder nahe Null. Ein z.B. den Vorfuß entlastender Schongang vergrößert diesen Parameter stark.

Analog zum Zweifersenstand wird der Zweivorfußstand ZVS definiert. Üblicherweise beträgt der Zweivorfußstand ca. 5 % der Doppelschrittdauer. Schonhaltungen, aber auch Knie-Streckdefizite erhöhen den Zweivorfußstand.

6.3.6. Herleitung von Gangparametern aus den Gelenkwinkelverläufen

6.3.6.1. Knieparameter

Der typische Verlauf des Kniewinkels während eines Doppelschrittes ist in Abb. 49 dargestellt. Zur besseren Orientierung ist der Druckverlauf unter der linken Sohle mit eingezeichnet.


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Beim Initialkontakt ist der Kniewinkel etwa in Neutralstellung. Zur Dämpfung des Stoßes beim Auftritt wird das Knie leicht gebeugt. Die Größe des lokalen Kniewinkelmaximums in der Phase der Belastungsantwort gilt daher als Maß für die Kniedämpfung. Im Mittelstand erreicht das Knie seine maximale Streckung. Das Hauptmaximum des Kniewinkelverlaufes definiert den Beginn der mittleren Schwungphase. Die Größe und die Lage der drei Extrema werden als Knieparameter ausgewertet.

Während die Lage der Extrema noch gut bestimmbar ist, hängt die Genauigkeit der Absolutwerte der Winkel stark von der Sorgfalt und dem Aufwand bei der Messung ab (vergl. Abschn. 5.2.3 ). Insbesondere die Absolutwerte des lokalen Maximums in der Phase der Belastungsantwort und des Minimums im Mittelstand sind daher für Routineuntersuchungen in der klinischen Praxis keine geeigneten Parameter.

Abb. 49: Der Kniewinkelverlauf während eines Doppelschrittes

Die Winkeldifferenz zwischen Hauptmaximum und Minimum wird als Kniebeugeumfang bezeichnet. Sie ist unabhängig von der Nullstellung der Goniometer und ein Maß für die Knieaktivität. Die zeitliche Ableitung des Winkelverlaufes ist naturgemäß ebenfalls nicht von der Nullstellung der Goniometer abhängig ( Abb. 51 ).

Abb. 51: Der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit des Knies während eines Doppelschrittes


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Ebenso wie beim Winkelverlauf kann auch beim Verlauf der Winkelgeschwindigkeit Lage und Größe der Extrema bestimmt werden. Winkelgeschwindigkeiten größer Null entsprechen einer Beugung und kleiner Null einer Streckung des Kniegelenkes.

Der Abb. 51 kann also direkt entnommen werden, in welcher Phase des Doppelschrittes das Knie gebeugt und in welcher gestreckt wird. Die Zeitdauer der Kniebeugung tKB und der Kniestreckung tKS während eines Doppelschrittes sind somit bestimmbar. Das Maximum im Verlauf der Kniewinkelgeschwindigkeit entspricht der maximalen Beugegeschwindigkeit, das Minimum der maximalen Streckgeschwindigkeit.

Wird zeitsynchron zum Kniewinkelverlauf der Druckverlauf unterm Fuß gemessen, dann ist der Kniewinkel zu Beginn und Ende der Standphase bestimmbar. Eine Schädigung des Knies oder des Sprunggelenkes kann manchmal bei diesen Parametern Abweichungen vom Normalwert zur Folge haben. Aber auch für den Sportbereich sind diese Größen wichtig. Bei den Sportgehern beispielsweise ist das Hauptkriterium für sauberes Gehen, daß bei Fußauftritt das Knie gestreckt ist.

6.3.6.2. Hüftparameter

Die Abb. 53 enthält den zeitlichen Verlauf des Hüftwinkels. Die maximale Hüftstreckung erfolgt in der Prä-Schwungphase, kurz vor dem Abstoß des Fußes. Das Maximum in der Beugung wird am Ende der mittleren Schwungphase erreicht. Aufgrund dessen, daß der Oberkörper in der Phase der Belastungsantwort leicht nach vorn geneigt wird, erhält man häufig kurz nach dem Auftritt des Fußes ein lokales Maximum der Hüftbeugung.

Abb. 53: Der Verlauf des Hüftwinkels während eines Doppelschrittes

Analog zu den Knieparametern dienen Größe und Lage der Extrema zur Auswertung als Hüftparameter. Ebenso wie das lokale Kniewinkelmaximum ist das lokale Hüftwinkinkelmaximum in der Phase der Belastungsantwort kein geeigneter Parameter des Hüftwinkelverlaufes.

Die Winkeldifferenz zwischen Minimum und Maximum wird als Hüftbeugeumfang bezeichnet.

In Abb. 54 ist der Verlaufes der Hüftwinkelgeschwindigkeit dargestellt. Ebenso wie beim Knie sind die Lage und die Größe der Extrema der Kurve der Hüftwinkelgeschwindigkeit Parameter zur Charakterisierung des Ganges. Werte der Winkelgeschwindigkeit kleiner als Null entsprechen einer Streckung des Gelenkes, Werte größer als Null einer Beugung.


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Abb. 54: Der Verlauf der Hüftwinkelgeschwindigkeit während eines Doppelschrittes

6.3.6.3. Sprunggelenksparameter

Die Abb. 56 enthält die grafische Darstellung des Winkelverlaufes des oberen Sprunggelenkes.

Die Lage der Extrema während der Standphase kann zur Definition der Grenzen der Gangphasen verwendet werden. Das ersten Streck-Extremums befindet sich kurz vor dem Abstoß des kontralateralen Beines, der den Beginn des Mittelstandes definiert. Der Fuß bekommt vollständigen Bodenkontakt. Im Mittelstand behält der Fuß diesen Bodenkontakt. Dies wird durch die Beugung des Sprunggelenkes möglich. Mit Beginn des Terminalstandes erfolgt eine erneute Streckung des Sprunggelenkes, die ihr Maximum unmittelbar nach dem Abstoß des Fußes erreicht. Es wird die Winkeldifferenz zwischen den Extrema ausgewertet. Diesen Parameter bezeichnet man als Sprunggelenks-Beugeumfang.

Abb. 56: Der Winkelverlauf des oberen Sprunggelenkes während eines Doppelschrittes


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Wed Jun 7 17:17:09 2000