3 Bewegungsanalyse

3.1 Rückblick auf die Entwicklung der Bewegungsanalyse

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Mitte des 19. Jahrhunderts befassten sich die Gebrüder Weber (1836) mit einer Gangstudie, die auf einfacher Beobachtung basierte. Ende des 19. Jahrhunderts bediente man sich der Photographie um die menschliche Bewegung aufzuzeichnen. Beispielsweise Muybridge (Nachdruck 1979) verwendete in den Vereinigten Staaten Serienaufnahmen, um die Bewegungen von Tieren in einzelne Phasen zu zerlegen.

In Frankreich bedienten sich Marey (1895, 1899) und seine Gruppe einer anderen Art der Dokumentation. Sie ließen Probanden einen mit weißen Leuchtstreifen präparierten schwarzen Anzug tragen. Die Leuchtstreifen stellten die Verbindung zwischen den Gelenken des Arms und des Beins dar. Mittels „Chronographie“ wurde eine Bildplatte bis zu 20 mal pro Sekunde belichtet und die Position der Leuchtstreifen ausgewertet.

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Mittels „Cyclographie“ zeichnete Bernstein (1927) in den zwanziger und dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts die menschliche Bewegung auf. Dazu wurden kleine Glühbirnen an verschiedenen Stellen des Körpers angebracht. Bei der Bewegung erschienen dann diese Lichter als Linien auf dem belichteten Bild. Auf der Basis dieser Methode entwickelte Bernstein (1930) ein dreidimensionales Bewegungsmessverfahren, indem er zusätzlich zu seiner Kamera einen Spiegel benutzte.

Die Weiterentwicklung dieser klassischen Bewegungsregistrierungen, die auf Dunkelheit angewiesen waren, ist in der Motografie zu sehen. Baum (1983) definiert sie als berührungslose Bewegungsaufzeichnung mit Hilfe von Strahlungsspuren. Die Verwendung von Infrarottechnik und Bandabsorptionsverfahren ermöglichte Aufzeichnungen im Hellen.

Im Zuge des technischen Fortschritts entwickelten sich somit die Beobachtungsmethoden von der reinen beobachtenden Beschreibung, über fotografische Aufzeichnungen mit immer höheren Aufzeichnungsfrequenzen bis zu einer millimetergenauen Ortung von markierten Körperpunkten im Raum (siehe Tab. 1).

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Mit über 200 Knochen ist das Skelett des Menschen ein sehr komplexes System. Es ist daher fast unmöglich, menschliche Bewegungen in Form biomechanischer Gleichungssysteme darzustellen. Stattdessen werden die Probleme einzeln betrachtet und in ihrer Orts- und Lageveränderung beschrieben. Dennoch darf nicht vergessen werden, dass die Bewegung jedes einzelnen Körperteils einen Einfluss auf den gesamten Bewegungsapparat hat. Beim Ausstrecken eines Armes muss nicht nur diese Bewegung gesteuert werden, sondern gleichzeitig muss das Gleichgewicht des ganzen Körpers stabilisiert werden.

Die technische Weiterentwicklung der beschriebenen Methoden reduzierte den Einfluss der Messungen auf den Bewegungsablauf erheblich. Die ersten Mehrfachbelichtungen mussten noch im abgedunkelten Raum stattfinden, heute wird unter normalen Lichtverhältnissen gemessen. In der Medizin wurden lange Zeit röntgenologische Untersuchungen an Patienten durchgeführt, um Bewegungsstörungen an der Wirbelsäule zu erfassen (Kolland 1999). Die Probanden waren einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt. Heute verwendet man Oberflächenmarker, die Strahlenbelastung der Patienten entfällt (Powell 2000).

Im Rahmen einer modernen, computergestützten Bewegungsanalyse können einerseits am Körper befestigte Signalgeber geortet und digital aufgezeichnet werden. Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung passiver Marker, deren Lage aus Videoaufzeichnung nachträglich über Mustererkennungsalgorhythmen bestimmt wird. Eine Übersicht computergestützter Methoden zur Bewegungsanalyse wurde von Thomas (1995) veröffentlicht. Die in Tabelle 1 aufgeführten Methoden unterscheiden sich somit in der Art der Bewegungsaufzeichnung sowie in ihrer anschließenden Beschreibung. Die aus dem Grundgedanken der Motografie und Cyclographie resultierende Entwicklung von aktiven Markern (Extrac, Zebris, Isotrac) liefert 3-D-Raumkoordinaten, aus denen beliebige Größen berechnet werden können. Das „shape tape“ der Firma Measurand liefert lediglich die Veränderung der Punkte innerhalb des Messsystems.

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Bei der Bewegungsanalyse wird die Bewegung eines Körpers in seinem Bezugssystem erfasst und in ihre Komponenten zerlegt. Man versucht, die wirkenden Kräfte und die bewegungsabhängigen Größen zu erkennen.

Systeme, die bestimmte Signalgeber orten, aufzeichnen und ihre Lage in Form von dreidimensionalen Raumkoordinaten beschreiben, sind eine Weiterentwicklung in Richtung der objektiven Bewertung von Bewegungen, weil diese nicht nur subjektiv beschrieben, sondern auch quantitativ mit Hilfe der aus den Raumkoordinaten errechneten Indikatoren ausgewertet werden können. Alle bisher verfügbaren Systeme (siehe Tabelle 1) setzen die direkte Sichtbarkeit bzw. Ortung der Marker voraus. Ein Verdecken von Markern zum Aufnahmezeitpunkt oder eine Überlagerung von Signalen erfordert in der Auswertung die Interpolation der fehlenden Messwerte.

Tabelle 1: : Auswahl von Methoden zur Aufzeichnung von Bewegungslinien

Methode

Hersteller

Art der Datenerfa s sung

Erfasste Mer k male

Motografie

 

Spurbilder durch Langzeitbelichtung, analog

Bewegungslinie der beleuchteten Punkte

Online-Motografie

Bzw. Extrac

Wenthe/Thiedig, Braunschweig

Digitale Erfassung der Raumkoordinaten von IR-Leuchtdioden

Bewegungslinien, Raumkoordinaten, Video

Elektromagnetische Bewegungsanalyse

Isotrac II, Polhemus Inc., Colchester, VT

(Datta 2001)

Digitale Erfassung der Raumkoordinaten über elektromagnetische Marker

Raumkoordinaten

ZEBRIS

Zebris Medizintechnik GmbH, Isny

Digitale Erfassung der Raumkoordinaten von Ultraschallsendern

Bewegungslinien, Raumkoordinaten

Analyze

Mikromak GmbH, Erlangen

Software zur Verfolgung von Markern auf digitalen Videosequenzen

Bewegungslinien,

Berechnung von Raumkoordinaten

Covilas (Computer-Video Laufanalyse)

www.ietec.de

VICON (Delleman 1990)

www.vicon.com

Measurand „Shape Tape“

Fa. Measurand, Fredericton, Canada

www.measurand.com

Faser optischer Sensor, digital

Bewegungsbild, Raumkoordinaten innerhalb des Messkörpers

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Die Aufnahmefrequenz der Markerposition und die Lagegenauigkeit der Raumkoordinaten sind charakteristische Größen einer Methode, ebenso wie die erfassten Merkmale und die Art ihrer Darstellung. Die Qualität einer Bewegungsanalyse ist vor allem davon abhängig, wie die Bilder und Lagekoordinaten interpretiert werden und anhand welcher Körperpunkte bzw. charakteristischer Verbindungslinien quantitative Aussagen getroffen werden. Eine Transparenz der Methode sowie der für die Berechnung verwendeten Algorithmen ist für die Interpretation der Ergebnisse ein wesentlicher Bestandteil.

Die Durchsicht der Literatur ergab ein breites Anwendungsspektrum für die modernen Formen der Bewegungsanalyse (siehe auch 3.2). Im Vordergrund steht die Bewertung von Bewegungsabläufen in Abhängigkeit vom Gesundheits- oder Trainingszustand einer Person oder dem verwendeten Material (z.B. Laufschuh oder Prothese).

Eine arbeitswissenschaftliche Gesamtbeurteilung von Bewegungsabläufen verlangt andere Bewertungsgrundlagen.

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Innerhalb eines Arbeitssystems wirkt der Mensch über seine Bewegungsabläufe mittelbar oder unmittelbar auf die Arbeitsgegenstände ein. Die Bewegungsgestaltung verfolgt dabei mehrere Ziele:

3.2 Einsatz der Bewegungsanalyse in der Medizin und im Sport

Im Bereich der Medizin und im Sport ist die Bewegungsanalyse bereits ein fester Bestandteil geworden.

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Im Bereich Sport dient die Bewegungsanalyse dem Athleten der Selbstkontrolle und ständigen Verbesserung seiner erlernten Bewegungsmuster.

In fast allen Sportarten ist die technisch korrekte Bewegungsausführung ein wesentlicher Bestandteil der sportlichen Gesamtleistung und letztlich Bedingung des sportlichen Erfolgs.

Sportler nutzen Videoaufzeichnungen, um ihre sportartspezifischen Techniken zu verbessern. Die Auswertung digitaler Videoaufzeichnungen unter Verwendung von Oberflächenmarkern ist eine im Techniktraining vielfach eingesetzte und geeignete Methode. Durch Verbinden der Marker in der Auswertung lassen sich Strichfiguren generieren, deren Darstellung das Verständnis der Bewegungsabläufe verbessert. Anhand dieser Linien können beispielsweise Winkelveränderungen in den verschiedenen Phasen der Bewegung beobachtet und quantifiziert werden. Das Erlernen spezieller Techniken ist eine wesentliche Zielsetzung im Bereich des sportlichen Trainings.

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Neben der Ausführungstechnik einer Bewegung ist der Einfluss verwendeter Sportgeräte sowie deren Materialeigenschaften (z.B. Laufschuh) auf das Ergebnis von großem Interesse. Stallkamp (1998) untersuchte beispielsweise die Bewegung des Inline-Skatens bei Verwendung zweier verschiedener Schuhe. Verwendet wurden Hochgeschwindigkeits-Videokameras und stark reflektierende Marker, die später bildoptisch verfolgt wurden.

Reinisch (1993) untersuchte verschiedene Sportschuhe auf dem Laufband und auf Grasboden mit der Bewegungsanalyse und per Druckverteilungsmessung.

Die Laufbandanalyse beim Kauf von Sportschuhen findet man heute bereits vielfach als Serviceleistung im Sportgeschäft. Mit Hilfe von Videoaufnahmen kann so unter Bewertung der Pronation und Supination des Fußes im Bewegungsablauf der geeignetste Schuh ausgesucht werden. In der Orthopädie werden solche Aufnahmen durchgeführt, um beispielsweise Einlagen anzupassen.

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Lungné (1999) zweifelt die Aussagekraft der auf Markern basierenden Ergebnisse zur Nachbildung von Körpersegmenten an und entwickelte eine Methode, die auf Videoaufzeichnungen und einem 3-D-Tiefensensor basiert. Seine Methode soll weiterhin mögliche Einflüsse von Markern auf die Bewegungen eliminieren, auf einfachen Aufzeichnungssystemen basieren und die Anwendung unter Praxisbedingungen ermöglichen.

Als weiteres Einsatzgebiet der Bewegungsanalyse ist die Medizin zu nennen. Neben der Ganganalyse auf dem Laufband werden in der Medizin vermehrt Systeme mit aktiven Markern eingesetzt. Diese erreichen eine hohe Genauigkeit der Raumkoordinaten von bis zu 1 mm. Schreiber (1989) beschreibt die apparative Funktionsdiagnostik des Bewegungsapparates, Kolland (1999) bewertet Bewegungen von gesunden und wegen Bandscheibenvorfalls operierten Patienten und Datta (2001) trifft sogar Aussagen zum Können von Chirurgen mit Hilfe der dreidimensionalen Bewegungsanalyse. Hoeland (1998) überprüft die Eignung des physikalischen Signals der Bewegungsanalyse zur Anpassung der Stimulationsfrequenz von Herzschrittmachern.

Im Bereich der Rehabilitation sind regelmäßige bewegungsanalytische Untersuchungen Kontrollparameter für den Erfolg der durchgeführten operativen oder therapeutischen Maßnahmen.

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Sowohl im Sport als auch in der Medizin geht es vor allem um die Erfassung der Korrektheit einer Bewegungsausführung. Entspricht die Körperhaltung über den gesamten Bewegungsablauf den Idealvorstellungen? Wie bewegt sich ein Kranker im Vergleich zum gesunden Menschen? Warum führt der eine Bewegungsablauf zu einem besseren Ergebnis als der andere?

In der Regel werden immer nur kurze Sequenzen betrachtet, wie beispielsweise der unten dargestellte Verlauf eines Standspagats in der rhythmischen Sportgymnastik.

Abb. 1 : Ablauf eines Standspagats

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(Quelle: http://www.bochum.de/osp/ins3c2.htm)

3.3 Einsatz der Bewegungsanalyse in der Arbeitswissenschaft

Ein intensiver Einsatz der Bewegungsanalyse in der Arbeitswissenschaft erfolgte bereits vor der digitalen Erfassung aktiver Marker. Die eingesetzte Methode, bekannt unter dem Oberbegriff Motografie, ist in einer Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Baum 1980, 1983, 1986) in den 80’er Jahren ausführlich beschrieben worden. In der Industrie konnten mit diesem Verfahren große Erfolge bei der Optimierung von manuellen Arbeitsverfahren erzielt werden. Ein Problem der Methode waren jedoch eingeschränkte Lichtverhältnisse und die im Vergleich zu den aktuellen digitalen Methoden ungenaue und zeitaufwendige Ermittlung von Weglängen über die Vermessung mitfotografierter Raster sowie ein hoher Bedarf an Filmmaterial für die Aufnahme längerer Sequenzen. Die Folge daraus war eine geringe Anzahl an Wiederholungen und somit die mangelnde statistische Absicherung der Ergebnisse.

Im Zuge des technischen Fortschritts wurden viele Handarbeitsplätze in der Industrie durch Maschinen ersetzt. Die Frage der rationellen Gestaltung ist somit in den Hintergrund gerückt. Die Aufgabenbereiche des Menschen im modernen Produktionsbetrieb verlagern sich in Richtung Überwachung der Maschinen. Die technische Weiterentwicklung in Form digitaler Bewegungsaufzeichnungen kam für die industrielle Arbeitsplatzgestaltung nicht mehr zum Tragen.

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Aufgrund der gewandelten Produktionsbedingungen ergeben sich neue Anforderungen an die Arbeitsgestaltung. Sie bestehen unter anderem in einer funktionalen Gestaltung von Bedienfeldern an Maschinen oder Benutzeroberflächen von computergesteuerten Geräten und in der Untersuchung sicherheitsrelevanter Aspekte bei der Anordnung von Bedienteilen in Fahr- und Flugzeugen. Die Verwendung von CAD-Programmen macht es möglich, computergestützte Menschmodelle (z.B. RAMSIS) in Maschinenkonstruktionen maßstabsgetreu einzusetzen und die Konstruktionen ergonomisch zu gestalten. Innerhalb der untersuchten Bewegungsräume können Bewegungssimulationen erfolgen, aus denen Sicherheit oder Komfort bewertet werden. Auf der Basis anthropometrischer Grunddaten werden so statische Arbeitsräume computertechnisch verbessert bzw. grundlegend gestaltet.

Die aktuellen weltweiten Bemühungen bestehen in der Entwicklung von computergestützten Menschmodellen zur gesicherten Vorhersage von Diskomfort aufgrund von Bewegungen und Körperhaltungen (Bubb 2003; Chaffin et al. 2003). Die Grundlagen der Bewegungssimulation basieren auf Regressionsanalysen beobachteter Bewegungsmuster. Erfolgreiche Vorhersagen erfordern daher die Durchführung umfangreicher bewegungsanalytischer Untersuchungen.

Erste Analysen von Elementarbewegungen gehen auf F.W. Taylor (1865-1915) sowie auf F.B. Gilbreth (1886-1924) zurück (in Luczak 1993). Auf diesen Untersuchungen basierte die spätere Entwicklung von Systemen vorbestimmter Zeit (SvZ), wie z.B. das Work-Factor-System (WF) oder das Methods Time Measurement (MTM) (Luczak 1993).

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Im Bereich immer noch bestehender handarbeitsintensiver Produktionen, wie dem Gartenbau, werden die modernen Möglichkeiten der Bewegungsanalyse kaum oder gar nicht genutzt. In der Literatur sind nur vereinzelte aktuelle Beispiele zu finden (Guggenbühl 1987; Haslegrave 1990; Jakob 2003). Ein Einsatz der in der Medizin und im Sport verwendeten Methoden ist möglich. Es fehlt jedoch an Auswertefunktionen, um die für arbeitswissenschaftliche Fragestellungen relevanten Daten zu liefern, da in diesen Bereichen die Fragestellungen anders gelagert sind.

Im Rahmen umfangreicher Untersuchungen wurde am Institut für Agrartechnik für ein vorhandenes Bewegungsanalysesystem eine Auswertesoftware entwickelt, die nach arbeitswissenschaftlichen Kriterien gestaltet ist.


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07.06.2005