Bewegungsanalyse in der Klinik

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1 Überblick Bewegungsanalyse in der Klinik Sebastian Wolf Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie Universitätsklinikum Heidelberg Bewegungsanalyse - Techniken (,, EMG) - Standardisierung zum Einsatz in der Klinik Biomechanik - Gelenkmoment, Gelenkleistung - Externe Interne Momente Patientenbeispiele Department Orthopädie, Unfallchirurgie und Paraplegiologie Ganganalyse - Biomechanik Ganganalyse mit dem Auge Fragen an die Ganganalyse - Wie wird eine Bewegung ausgeführt? - Welche Kräfte induzieren die Bewegung? - Wie werden diese Kräfte erzeugt? EMG Limitierung in der Klinik und vielen Anwendungsbereichen - Kein Einsatz invasiver Methoden - Erfassung ausschließlich externer Kräfte - Möglichst berührungsfreie Bewegungserfassung - Muskelaktivitätserfassung durch Oberflächen-EMG Nachteile Keine Dokumentation Das menschliche Auge kann keine schnellen Bewegungen wahrnehmen Nur Bewegungen, keine Kräfte Unvermögen, mehrere Ebenen gleichzeitig wahrzunehmen Subjektivität Abhängigkeit von der Erfahrung des Untersuchers Visuelle Ganganalyse Techniken I Vorteile der beobachtenden Ganganalyse: Im einfachsten Fall mit dem Auge oder mit der Videokamera - rel. schnell - günstig - geringer Aufwand Videoaufzeichnungen dienen der Dokumentation - für den Rehabilitationsprozess des Patienten - zur eigenen Kontrolle und Absicherung - als Argumentationshilfe bei Kostenträgern Optische 3D-Rekonstruktion - aktive - passive Marker Ultraschall Elektrogoniometer - Dehnmessstreifen Inertialsensorik - MEMS deutliche Gangabweichungen sind erkennbar Die Ursache auch???

2 Techniken II Techniken III Kraftmessplatten - Piezoelektrisch - Bodenreaktionskräfte vektoriell - Keine Ortsauflösung Druckmessplatten - Kapazitiv - Druck, keine Scherkraft - Ortsauflösung Drucksensoren - Kapazitiv, resistiv - Fußdruck, Sitzdruck, Handdruck, Schaftdruck Dynamische Elektromyographie - Oberflächen-, Feinnadel-EMG Sauerstoff-Verbrauchsmessungen EMG-Aktivität ermöglicht nur eine Information über die relative Höhe von Muskelkraft!! Bewegungsanalyse in der Klinik Clinical Instrumented 3D-Gait Analysis (CGA) - Internationaler Standard zur Erfassung von, und dynamisches EMG - Festes Protokoll zu Markern, biomech. Modell sowie Berichtswesen Einsatz für die Klinik - Therapieplanung (oft multilevel surgery) - Therapiekontrolle (Prae-post-Vergleich) Patientengut (Orthopädie Heidelberg) - Neurologisch bedingte Gangstörungen (CP; Spinalparalyse; etc) - Fußdeformitäten - Zust. nach Amputationen (Protesentests) - Zust. nach Endoprotheseneinsatz (Schulter, Hüfte, Knie, OSG) - Wenn vollständige Wiederherstellung in Frage steht Einsatz für klinische Studien Biomechanisches Modell Marker Gelenkzentren Segmente 3D- Bewegungs- Messung von Gelenken Darstellung Biomechanisches Modell Deterministische Modelle Menschlicher Körper als Verkettung mehrerer starrer Körper (Segmente) Segmente verbunden durch Gelenke die Translation und Rotation ermöglichen (im Prinzip 6 Freiheitsgrade pro Gelenk) konventionelles Modell: Ausschließlich rotatorische Freiheitsgrade Anthropometrische Massenverteilung nach Dempster 9 Untere Extremität Davis 99 Obere Extremität Rab Gelenkzentren werden von anatomischen Landmarken über anthropometrische Referenzdaten erschlossen Vorteil: Einfach in der Handhabung und Berechnung Nachteile: Untersucherabhängig, abhängig von Referenzdaten

3 Ant 3 3 Post Flex Flex Dors Plan Kran - - Kaud Add Var - - IRO ARO IRO IRO IRO ARO Cluster basierte Modelle Gangzyklus Andriacchi Capozzo 6 [R.Schmidt 999, S.Williams 6 Gangzyklus (entspricht einem Doppelschritt) Standphase P.Salvia, Universite Libre de Bruxelles Gewichtsübernahme Einbeinstand (single support) nd double support Vorwärtsbewegung des Beins terminale Stoßdämpfungsphase Mittlere Standphase Terminale Standphase Vorschwungphase initiale Mittlere Gelenkzentren werden über Optimierung von Markerbewegung erschlossen Vorteil: Individuelle Modellierung Nachteil: Experimentell und rechnerisch aufwändig Boden- Erstkontakt (heel strike) Zehen-Ablösen (kontralateral) Boden- Erstkontakt (kontralateral) Zehen-Ablösen (toe off) Nach Perry Beckenkippung RL [a] Beckenschiefstand RL [a] Beckenrotation RL [a] Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg Mittelwert Name: Anonym ID: xxxx Geburtsdatum : Hüfte Flx-Ext RL [a] Hüfte Ad- Abduktion RL [a] Hüftrotation RL [a] Gelenkwinkel Grau: Normwerte Blau: Rechte Seite Rot: Linke Seite Diagnose: ICP, spast. Diparese typisches Innenrotationsgangbild bds. Studie: mehrere ExamContext: prae-op barfuß frei Messungsdatum: MessNr: (9) Geschw. (m/sec):.9±. Kadenz (Schr./min): 38±7 Doppelschrittlänge (m):.94±.7 Doppelschrittdauer (sec):.9±.4 Rechte Seite: Schrittlänge R (m):.4±.4 SglSupp. R (%): 38.±3. DblSupp. R (%): 4.±4.4 Linke Seite: Schrittlänge L (m):.48±.4 SglSupp. L (%): 36.7±. DblSupp. L (%):.± Ext - Knie Flx-Ext RL [a] Ext Abd -3 Knie Varus-Valgus RL [a] Valg ARO -3 Fuß Orientierung RL [a] ARO -3 Beispiel: Knieflexion Zeit: Doppelschritt Normdaten: Kinder von bis J. (n=6) Druckdatum: 6-Jul-9 OSG Flx-Ext RL [a] OSG Rotation RL [a] Inverse Dynamik Bodenreaktionskräfte Kenntnis der externen Kräfte Kenntnis der Segmentbewegungen Rückschluss auf köperinterne Gelenkmomente der einzelnen Segmente Biomech. Modell Gelenkmomente Gelenkleistungen M = Drehmoment I = Trägheitstensor α = Winkelbeschleunigung ω = Winkelgeschwindigkeit M F 3

4 Add Flex Flex Dors Plan Abd Ext.. -. Ext.. -. Plan Dors % Gang zyklus Gen Gen 3 - Gen 3 - Gen Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg Mittelwert Name: Anonym ID: xxxx Geburtsdatum : Diagnose: ICP, spast. Diparese typisches Innenrotationsgangbild bds. Studie: mehrere ExamContext: prae-op barfuß frei Messungsdatum: MessNr: 7 (4) Geschw. (m/sec):.9±. Kadenz (Schr./min): 38±7 Doppelschrittlänge (m):.94±.7 Doppelschrittdauer (sec):.9±.4 Rechte Se ite: Schrittlänge R (m):.4±.4 SglSupp. R (%): 38.±3. DblSupp. R (%): 4.±4.4 Linke Seite: Schrittlänge L (m):.48±.4 SglSupp. L (%): 36.7±. DblSupp. L (%):.±.9 Normdaten: Kinder von bis J. (n=6) Druckdatum: 6-Jul-9 Hüfte Ad- Abduktion RL [a] Abd -3 Hüfte Flx-Ext RL [a] Ext - Knie Flx-Ext RL [a] Ext - OSG Flx-Ext RL [a] N m/kg Nm/kg Nm/kg Nm/kg Hüft-Gelenkmoment Ad- Abduktion RL [a] Add -. Hüft-Gelenkmoment Flx-Ext RL [a] Flex - Knie-Gelenkmoment Flx-Ext RL [a] Flex - OSG-Gelenkmoment Flx-Ext RL [a] Abs - W/kg W/kg W/kg W /kg Hüft-Gelenkleistung Ad- A bduktion RL [a] Hüft-Gelenkleistung Flx-Ext RL [a] Abs - Knie-Gelenkleistung Flx-Ext RL [a] Abs - OSG-Gelenkleistung Flx-Ext RL [a] Abs -4 Beispiel Sprunggelenk Stoßdämpfungsphase Belastungsschwerpunkt (center of pressure) bei C Externe Interne Momente Externes Drehmoment: N ext = R * F ext = Kraftarm * Bodenreaktionskraft Internes Drehmoment: N int = R * F int N ext > N int : Einsetzen einer Plantarflexion Summe aus Aktiven Anteilen (Muskeln) und Passiven Anteilen (Sehnen, Bänder, knöcherner Anschlag) Eine anteilsmäßige Beteiligung der Agonisten und Antagonisten wird NICHT erfasst F int F ext c R R Externe Interne Momente Externe Interne Momente Sprunggelenk in der terminalen Standphase Belastungsschwerpunkt (center of pressure) bei A Externes Drehmoment: N ext = R * F ext = Kraftarm * Bodenreaktionskraft Internes Drehmoment: N int = R * F int Zur Abstoßung muss N int > N ext sein, damit eine Plantarflexion ausgelöst wird R Internes Moment = Externes Moment - Gleichgewicht, keine Gelenkwinkelbeschleunigung Internes Moment < Externes Moment - Agonisten-Verlängerung Exzentrische Kontraktion Internes Moment > Externes Moment - Agonisten-Verkürzung Konzentrische Kontraktion Gelenkleistung Elektromyografie Beispiel Kniegelenk Leistung: = Drehmoment x Winkeländerung pro Zeiteinheit d.h. Leistung ist dann groß, wenn A) das Gelenkmoment groß UND GLEICHZEITIG B) die Winkeländerung pro Zeiteinheit groß ist. Extension Flexion Extensions -Moment Leistungs- Generation Leistungs- Absorption Gelenkwinkel Moment Leistung 4

5 EMG EMG 3 Schritte Markierung von events Rektifizierung Einhüllende, schrittnormiert Mittelwert Grau: Normwerte Rot: On/Off (Perry) O -Verbrauch Pedobarografie Gangökonomie - Messung der Atemluft- Zusammensetzung bei jedem Atemzug (CO,O ) - Rückschluss auf den Energieumsatz Sitzen Gehen Sitzen Gehen Sitzen Orts- und Zeitaufgelöste Messung des Drucks unter der Fußsohle Zeit [min] Informationen aus der 3D-Ganganalyse Instrumentelle 3D-Ganganalyse Dreidimensionale Gangpathologie Gelenkbelastungen Akzeleratoren Muskelaktivität EMG Energieverbrauch Sauerstoff- Umsatz Anwendungen Neurologisch und orthopädisch bedingte Gangstörungen Rehabilitation, Technische Orthopädie Beispielfall: Zerebralparese -jähriger Patient mit spastischer Diparese Gangfunktion vor und nach Mehretageneingriff Intratroch. DO. Hüftbeuger-Verl. Rectus Transfer Chopard-Arthrod. Tib. Post. Transfer

6 Neurologische Gangstörungen Patienten beide -jährig Diagnose??? Beispiel: Rektusresektion 3-jährige Patientin Zust. n. Rektusresektion re. bei Weichteilsarkom Teilweiser Funktionsverlust Schwungphsenbeugung relativ normal Wolf et al. Gait&Posture Gait analysis may help to distinguish Hereditary Spastic Paraplegia from Cerebral Palsy Beispiel: Fibulaex -jähriger Patient Zust. n. Fibulaex bei Ewing-Sarkom Unterkiefer Beispielfall: HSMN 8-jähriger Patient mit HSMN Gangfunktion vor und nach Fußkorrektur Supramal. DO. Extens.Osteotomie.Strahl Hälft. Transfer ext. hal. longus Peroneus longus Transfer Tib. Post. Transfer Prae-OP 6mon post-op Tibia Nav 3 Calc Beispielfall: US - Amputation 4 US Amputation - 6

7 Beispiel: Versorgung Hüftexartikulation Mikroprozessor-Prothesenfuß 6-jährige Patientin; Zust. N. Hüftex. rechts, Ewing Sarkom Vergleich zweier prothetischer Versorgungen Adaption des Proprio Alte Versorgung 7E7 Hüftgelenk (Otto Bock) Total Knee Kniegelenk (Össur) Konventioneller Beckenkorb Neue Versorgung Helix Hüftgelenk (Otto Bock) C-Leg Kniegelenk (Otto Bock) Carbonrahmenschaft mit Silikoninlet Neu Alt Ebene: n-anhebung Treppauf/ab: 4 Dorsalextension Schräge Ebene: Aufwärts: 7. Dorsalextension (=Steigung) Abwärts:. Plantarflexion Proprio Fuß auf Treppen und Rampen Ergebnis auf der Rampe Rampe aufwärts Testversorgung Power Knee - Rampe Unterschiede zu konventionellen Kniegelenken Bergaufgehen ist mit physiologischeren Bewegungsabläufen möglich Testversorgung Power Knee - Treppe Unterschiede zu konventionellen Kniegelenken Rampe Neigungswinkel 7, links, Kniegelenk, sagittal Alternierendes Treppen aufwärts gehen möglich Aktive Aufstehhilfe vom Sitzen in den Stand links, Hüftgelenk, sagittal Normdaten Power-Knee C-Leg links, Knie-Gelenkleistung links, Kniegelenk, sagittal links, Knie-Gelenkleistung 7