Das Ganglabor im Fusszentrum der orthopädischen Klinik

Transkript

1 Das Ganglabor im Fusszentrum der orthopädischen Klinik Dr. med. Ch. Wyss, Leitender Arzt Labor für Bewegungsanalyse Fusszentrum orthopädische Klinik Nächste Folie auf Pfeil klicken

2 Einleitung Ganganalyse Die Ganganalyse ist eine Untersuchungstechnik, mit der Informationen über die biomechanische Funktion des Fusses im Gehen gewonnen werden.

3 Einleitung Ganganalyse Mit Hilfe dieser Technik können Funktionen am Fuss untersucht werden, die der normalen klinischen Untersuchung verborgen bleiben.

4 Einleitung Muscle Modelling Die ganganalytischen Resultate sind die Grundlagen für alle weiteren Untersuchungstechniken wie z.b. das Muscle Modelling mit dem wir die Kraft jedes einzelnen Muskels im Gehen berechnen können.

5 Einleitung Finite Element Rechnung Die Ganganalyse und das Muscle Modelling gebrauchen wir um Finite Element Rechnungen zu machen, damit die mechanischen Belastungen der Fussknochen bestimmt werden können.

6 Einleitung Diagnostik Es kann damit nachgewiesen werden, ob ein Fussproblem überhaupt eine mechanische Ursache hat und orthopädisch behandelt werden kann, oder ob andere Fachspezialitäten für das Problem zuständig sind. Denn: Nicht alle Fussprobleme können vom orthopädischen Chirurgen gelöst werden.

7 Einleitung Simulation von Operationen OSG Moment um X Wenn ein mechanisches Problem vorliegt können wir am Computer verschiedene Operationen anhand dieser Muskel- und Finite Element Modelle simulieren und bestimmen, welche Operationstechnik das beste Resultat bringen wird Moment [Nmm] Lateral Slide Barfuss Valgis ation % Standphase Die folgenden Seiten enthalten Informationen für Fachpersonen

8 Inhaltsverzeichnis Informationen für Ingenieure und Biomechaniker 1. Ganglabor 2. Kinetik 3. Kinematik 4. Elektromyographie 5. Inverse Dynamik (2D Vorfuss) 6. Muscle Modelling mit ANYBODY (3D) 7. Finite Elementrechnung mit ANSYS (2D/3D) 8. Beispiele/Anwendung z.zeit noch in Bearbeitung

9 1. Ganglabor Ganglabor Ganglabor Aufsicht: Die Kameras des 3D Bewegungsanalysesystems sind halbkreisförmig um die Kraftmessplatte und Druckmessplatte angeordnet. Der rote Pfeil zeigt die Gangrichtung. Der Proband trifft immer im 2. Schritt die Kraftmessplatte.

10 2. Kinetik Kinetik Zur Messung der kinetischen Parameter benutzen wir 3 verschiedene Messtechniken: 1. Kraftmessplatte 2. Druckmessplatte 3. Insolemessung

11 2.1 Kraftmessplatte 3D Kraftmessplatte Wir benützen eine AMTI Kraftmessplatte (Dehnmessstreifen) und messen mit einer Frequenz von 2400 Hz. Normwerte besitzen wir aus Untersuchungen von über 500 Gesunden Probanden.

12 2.1 Kraftmessplatte Datenauswertung Von den Probanden werden für klinische Routineuntersuchungen der Median plus das Konfidenzintervall von 5 Schritten bestimmt. Für wissenschaftliche Untersuchungen werden in der Regel zwischen 10 und 15 Schritte berücksichtigt.

13 2.1 Kraftmessplatte Darstellung Dargestellt werden die Kräfte in % Körpergewicht des Probanden. Die Zeit wird auf 100% Standphase normalisiert. So ist ein Vergleich von Probanden unterschiedlichen Gewichtes und Standphasenlänge möglich.

14 2.1 Kraftmessplatte Kraftkomponenten Betrachtet werden die Kräfte in x,y,z Richtung des Labor-Koordinatensystems. Ebenfalls wichtig für uns ist das 4 dimensionale Vektordiagramm von Stüssi. Darstellung des Ganges durch vierdimensionale Vektoren Stuessi E., Aebersold P.. Debrunner H.U. Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering. Band 23, Heft s1, Seiten 48 49, 1978

15 2.1 Kraftmessplatte Statistische Signifikanz Wir erachten einen gemessenen Wert (blaue Kurven) dann als pathologisch, wenn er 2 Konfidenzintervalle von den gesunden (rote Kurven) verschieden ist.

16 2.2 Druckmessplatte Dynamische Druckmessung Die Druckmessplatte (Emed SF, Novel, München) ist auf der Kraftmessplatte fixiert und das ganze ist bodeneben im Labor eingebaut.

17 2.2 Druckmessplatte Dynamische Druckmessung Die Druckmessplatte besitzt 4 Sensoren pro cm 2 (kapazitive Widerstandsmesser), welche mit einer Frequenz von 50 Hz messen. Die Platte ist nicht synchronisiert mit der Kraftmessplatte. Warum sie auf der Kraftmessplatte verankert ist wird später erklärt.

18 2.2 Druckmessplatte Regionen Einteilung Der Fuss wird analog den für uns interessanten Fusszonen in 12 verschiedene Regionen eingeteilt. Der dazu notwendige mathematische Algorithmus wurde von der Firma Novel München, entwickelt. Er orientiert sich prinzipiell an der individuellen Fussanatomie. Es ist aber auch möglich bei schwierigen Geometrien eine Nacharbeitung von Hand durchzuführen, was zum Beispiel bei teilamputierten Füssen notwendig ist.

19 2.2 Druckmessplatte Umrechnung in Kräfte Mit Hilfe dieser definierten Fussregionen ist es nun möglich die Drucke in Kraft umzurechnen, was später die inverse Dynamik (2D) ermöglicht. Allerdings ist natürlich nur die vertikale Bodenreaktionskraft pro Region berechenbar. Die Scherkräfte können nur unter Zuhilfenahme einer speziellen Rechenmethode ermittelt werden. Dazu mehr am Schluss dieses Kapitels.

20 2.2 Druckmessplatte Normalisierung Die Kräfte werden ebenfalls wie bei der 3D Kraftmessplatte in % Körpergewicht umgerechnet und gegenüber der Zeit aufgetragen, wobei auch hier auf 100% Standphase normalisiert wird. Somit ist der Vergleich von Probanden mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Standphasenzeit problemlos möglich.

21 2.2 Druckmessplatte Darstellung Die Messdaten werden aus der Novel Mess-Software als ASCII Daten ausgelesen und in eigenen MATLAB Routinen weiterverarbeitet. Auch hier, wie bei der Kraftmessplatte, haben wir als Vergleichsdaten Resultate von 500 gesunden Probanden. Der Vergleich der Daten erfolgt analog wie bei der Kraftmessplatte.

22 2.2 Druckmessplatte Verlauf des COP Eine spezielle Betrachtungsweise ist der Verlauf des Center of Pressure (COP). Er gibt uns Auskunft über die Abrollung beim Gehen. Die obere Darstellung zeigt die Lage des COP in Relation zur Fussbreite und Fusslänge. Bei dieser Darstellung ist sofort ersichtlich, ob ein Proband mit dem Verlauf seines COP zum Beispiel lateralisiert oder medialisiert.

23 2.2 Druckmessplatte Scherkraftberechnung Das Problem der Druckmessung ist, dass nur die vertikale Kraftkomponente der Bodenreaktionskraft in einer definierten Fussregion bestimmt werden kann. Nach wie vor sind keine Messinstrumente im Handel, die in einer genügend guten Auflösung 3D messen können. Prototypen für einzelne kleinere Sensoren sind zwar bereits vorhanden. In einer Auflösung von mindesten 4 Sensoren pro cm 2 existieren sie aber noch nicht. Zumindest nicht so, dass sie routinemässig ohne grossen Aufwand in der Klinik eingesetzt werden können.

24 2.2 Druckmessplatte Scherkraftberechnung Aus diesem Grunde muss man sich mit einer rechnerischen Annäherung begnügen. Die Druckmessplatte muss dazu definiert über der Kraftmessplatte fixiert werden.

25 2.2 Druckmessplatte Scherkraftberechnung Hier finden Sie die entsprechende Literaturreferenz zur Methode.

26 2.3 Insolemessung Insolemessung Zur Messung der Drucke im Schuh benützen wir das PEDAR System der Firma Novel. In der Regel messen wir hier mit der Frequenz von 50Hz. Eine Sohle besitzt insgesamt 100 Messelemente, die so wie im nebenstehend Bild angeordnet sind.

27 2.3 Insolemessung Kalibrierung der Sohlen Die Sohlen werden in unserem Labor regelmässig mit einem System der Firma Novel kalibriert.

28 2.3 Insolemessung Zuordnung der Drucke zu einer Fussregion Die Schwierigkeit besteht darin eine Druckregion einer entsprechenden Fussregion zuzuordnen, was in der Regel bei der Barfussmessung problemlos möglich ist, nicht aber im Schuh, da nicht bekannt ist, wo der Fuss auf der Messsohle liegt.

29 2.3 Insolemessung 1. Schritt: Fotodokumentation der Fussposition Als erstes wird dazu die vordere und hintere Begrenzung des Fusses auf der Insole, die auf der Fussbettung fixiert ist, festgehalten.

30 2.3 Insolemessung 2. Schritt Rasterbildung Anhand eines Röntgenbildes welches stehend in definierter Position und Fokus Einstellungen gemacht wird, erstellt man ein Raster über dem Fuss.

31 2.3 Insolemessung 3. Schritt: Skalierung des Rasters Dieses Raster wird nun über die Insole gelegt und skaliert bis zu den fotographisch festgehaltenen Marken (schwarz)

32 2.3 Insolemessung 4. Schritt: Uebertragen des Rasters Das Raster auf der fotographierten Insole (vorherige Folie) wird nun im Programm Creation of any mask (Novel München) durch Rotieren und Skalieren mit der Insolemessung zur Deckung gebracht und als Maske für die Fussregionen benutzt.

33 2.3 Insolemessung Qualitätsprüfung von orthop. Technischen Versorgungen Für die Barfussmessung wird dasselbe Raster benutzt wie für die Insolemessung. Damit ist es möglich die entlastende Wirkung einer Einlage zu objektivieren, weil die zu vergleichenden Regionen exakt übereinstimmen.

34 3. Kinematik Kinematik 3.1 Messystem 3.2 Markersetup 3.3 Datenauswertung

35 3.1 Messsystem Mess-System Das 3D Kamerasystem besteht aus sechs Vicon MX Kameras. In der Regel arbeiten wir mit einer Aufnahmefrequenz von 200 Hz. Das Kamerasystem ist synchronisiert mit dem EMG und der Kraftmessplatte.

36 3.1 Messsystem Mess-System Die Kameras sind halbkreisförmig an der Decke montiert. Das unilaterale Setup mit sechs Kameras erhöht die Genauigkeit der Marker Erkennung.

37 3.2 Markersetup Markersetup Es werden 9mm Marker benutzt, wobei jedes uns interessierende Körpersegment mit Clustern besetzt wird. In der Regel benützen wir ein 6 Segmentmodell. Die Anordnung einiger Cluster ist vereinfacht im Monitorbild rechts dargestellt.

38 3.2 Markersetup Das Markersetup wurde in einer Masterarbeit (ETH Zürich) von C.Steiger in unserem Labor validiert.

39 3.2 Markersetup Vorteil des Markersetup Entscheidend an diesem Setup ist, dass es Tester unabhängig ist und dass die Fehler durch Falschpositionierung der Marker absolut minim ist. Der Grund liegt in der speziellen Datenauswertung und vor allem darin, dass wir keine anatomische Landmarks zur Positionierung der Cluster benötigen.

40 3.3 Datenauswertung Zeroing y x Um die Nullposition zu definieren wird der Proband in eine Schablone gestellt. Die Schablone ist am Labor Koordinatensystem ausgerichtet. Diese Position wir als Nullposition definiert.

41 3.3 Datenauswertung Zeroing In der gleichen Stellung erfolgen auch die notwendigen Rx Aufnahmen dp/seitlich sowie die Saltzmann-Aufnahmen von hinten. Das radiologische Offset kann somit von dieser Position subtrahiert werden, sodass wir eine reale Nullposition definiert haben. Saltzmann, C.L., and El-Khoury, G.Y.: The hindfoot alignment view. Foot Ankle Int., 16(9): , 1995.

42 3.3 Datenauswertung Lokale Koordinatensysteme für die Segmentcluster Die lokalen Koordinatensystem (KS) werden im Zeroing an die Achsen des globalen Systems angeglichen und in die Clustermitte gesetzt. Die Bewegungsachsen sind somit nicht anatomisch definiert, dafür mit Sicherheit reproduzierbar. Da wir für die inverse Dynamik andere Modelle (ANYBODY ) benützen sind wir nicht auf anatomische Achsen angewiesen. Nachteil: es verbleibt Crosstalk.

43 3.3 Datenauswertung Minimierung der Skin Movement Artefacts durch Least Square Fit of point Clouds P = Q P Re f Drehung + T E Verschiebung Der Algorithmus für dieses Fitting ist ausführlich in Gander und Golub beschrieben. Das Referenzsystem P Ref haben wir im Zeroing bestimmt. Gander, W.: Least Squares Fit of Point Clouds. Chapter 23. Solving Problems in Scientific Computing Using Maple and Matlab, p Springer 4. Edition, 2004 Procrustes Problem >> Golub,G.H: Matrix Computations, p. 601, The Johns Hopkins University Press, 3. Edition, 1996.

44 3.3 Datenauswertung Berechnung der lokalen KS in jedem Frame P = Q P Re f Drehung + T E Verschiebung Mit Hilfe dieses Algorithmus können die lokalen KS im entsprechenden Segment berechnet werden, da die Rotationsmatrize Q und die Translation T problemlos bestimmt werden können.

45 3.3 Datenauswertung Winkelberechnung Die Winkelberechnungen erfolgen nun nach dem von der ISB(International Society of Biomechanics) vorgeschlagenen Methode nach Grood and Suntay. Grood,E.S, & Suntay, W.J. (1983). A joint coordinate system for the clinical description of three dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng. 105(2), Wu G., Siegler S., Allard P., Kirtley C., Leardini A., Rosenbaum D., Whittle M., D'Lima, D.D., Cristofolini L., Witte H., Schmid O., Stokes I. (2002): Standardization and Terminology Committee of the International Society of Biomechanics. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion-part I: ankle, hip, and spine. International Society of Biomechanics. Journal of Biomechanics, 35(4):

46 3.3 Datenauswertung Darstellung/Normwerte Normwerte haben wir von 16 verschiedenene kinematischen Parametern wobei 13 davon eine Reproduzierbarkeit des bcmc nach Kadaba von deutlich höher als R=0.75 zeigen. Siehe Masterabeit von Steiger Folien vorher. Kadaba M.P., Ramakrishnan H.K., Wootten M.E., Gainey J., Gorton G., Cochran G.V. (1989): Repeatability of kinematic, kinetic, and electromyographic data in normal adult gait. Journal of Orthopaedic Research, 7(6):

47 3.3 Datenauswertung Darstellung/Normwerte Es erfolgt eine Normalisierung auf 100% Standphase wie bei den Kraftwerten. Eine Differenz von mehr als 2 Konfidenzintervallen wird als signifikant erachtet. Für klinische Untersuchungen werden aus 5, für wissenschaftlich Studien aus Trials der Median und die Konfidenzintervalle bestimmt.