3D Echtzeit Ganganalyse auf Laufband und Gehstrecke

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1 3D Echtzeit Ganganalyse auf Laufband und Gehstrecke zebris Medical GmbH Max-Eyth-Weg Isny im Allgäu zebris Medical GmbH Release 04/2006 Tel.: / Fax: / zebris@zebris.de Internet:

2 Leistungsmerkmale Einfache und schnelle Datenerfassung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen Alle Messdaten können in Echtzeit direkt auf dem Bildschirm beobachtet werden Messung auf Laufband oder Gehstrecke Messbereich auf der Gehstrecke bis ca. 4 m mit spezieller Verfahreinheit Schnelle und einfache Markeranbringung mit dem zebris Markerset Automatischer Standardreport mit Analyse beider Körperseiten Vergleich von zwei Messungen durch Mehrfachdarstellung Ausgabe über Farbdrucker Export der Messdaten in ASCII Formular zur Eingabe von Patientendaten, Befunden etc. Kombination mit Myographie und Bodenreaktionskräften WinGait Software zur Berechnung und Darstellung kinematischer Parameter, (optional) EMG und Bodenreaktionskräften Programm lauffähig unter Windows XP Das Messsystem erlaubt eine objektive kinematische Analyse des menschlichen Ganges durch die dreidimensionale Verfolgung von Körperoberflächenmarkern. Hierbei kann das Ausmaß von Gangstörungen präzise erfasst und der Behandlungsverlauf dokumentiert Komponenten Die Messanlage besteht aus einer Messeinheit mit Stativ (bzw. zwei Messeinheiten mit Stativen für beidseitige Messung), Ultraschall-Dreifachmarkern, Kabeladapter mit Gürteltasche sowie einem CMS-HS Grundgerät. Die Anlage wird an einem handelsüblichen Personalcomputer angeschlossen. Über einen Drucker können die Messergebnisse ausgegeben Das Messsystem kann komplett mit Rechner und Drucker geliefert Das Messprinzip Das Messverfahren basiert auf der Laufzeitbestimmung von Schallimpulsen die von kleinen Ultraschallsendern im Messaufnehmer zu den Mikrofonen der Dreifachmarker abgegeben Die exakte Raumposition der Marker wird durch Triangulation bestimmt. Hieraus erfolgt eine Darstellung der Markerbewegung in der Transversalebene sowie die Berechnung der weiteren Kenngrößen. Einleitung WinGait zebris Medical GmbH

3 Informationen zum menschlichen Gang Das freie Gehen des Menschen beginnt etwa mit einem Jahr. Frühestens im Alter von 3½ Jahren entwickelt sich der Fersen- Ballen-Gang des Erwachsenen. In der Art zu Gehen gibt es zwischen verschiedenen Personen kaum Unterschiede. Jede Abweichung vom normalen Gangbild vermindert die Effizienz und verursacht einen erhöhten Energieverbrauch. Der "Schrittzyklus" des Ganges beginnt mit dem Aufsetzen des Fusses auf dem Boden und endet mit dem erneuten Aufsetzen desselben Fußes. Der Schrittzyklus wird in die beiden Hauptphasen "Stand- und Schwungphase" unterteilt. Die Standphase beginnt beim normalen Gang mit dem Aufsetzen der Ferse und endet mit dem Abheben der Zehen. Danach beginnt die Schwungphase. Die Schwungphase ist die Zeitspanne zwischen dem Abheben der Zehen vom Boden und dem erneuten Aufsetzen des Fußes. Die Ereignisse während eines Schrittzyklus finden regelmäßig zu prozentual festlegbaren Zeitpunkten statt. Beim normalen Gehen findet das Abheben der Zehen vom Boden bei etwa 60% des Schrittzyklus statt. Die Standphase besteht daher aus 60% und die Schwungphase aus 40% des gesamten Schrittes. Das Abheben der Gegenseite erfolgt bei 10% und das Aufsetzen des gegenseitigen Fusses bei 50%. Es gibt beim Gehen zwei Perioden bei denen beide Füße den Boden berühren. Diese machen jeweils 10% des Schrittzyklus aus und treten sofort nach dem Aufsetzen des Fusses und kurz vor dem Abheben der Zehen auf. Die einzelnen Phasen erfolgen normalerweise symmetrisch. Eine weitere Analyse des Ganges ist durch die Bestimmung der Schrittlänge, der Schrittgeschwindigkeit und der Kadenz möglich. Der Schritt ist die Distanz, die mit einem ganzen Schrittzyklus zurückgelegt wird. Sie entspricht der Summe der Längen des linken und rechten Halbschrittes. Mit Kadenz bezeichnet man die während einer bestimmten Zeit gemachten Halbschritte oder Schritte. Bei der 3-dimensionalen Ganganalyse wird der Gang aus drei Betrachtungspositionen beurteilt. Die Seitenansicht erlaubt beispielsweise die Beugung und Streckung von Hüfte, Knie- und Sprunggelenken zu erfassen. Die Frontalebene ist die Ebene auf die der Proband zu- oder weggeht. Hier können Abduktion und Adduktion der Hüftgelenke bzw. der Extremitäten sowie die Beckenneigung am besten erfaßt Die Transversalebene ist die Ansicht von oben oder von unten und zeigt beispielsweise die Rotation der Füße oder die Drehung des Beckens. Folgende Eigenschaften des normalen Gangs fehlen oft beim pathologischen Gang: Die Stabilität in der Standphase. Diese wird durch eine abnorme Fußposition gefährdet, was zu einer instabilen Unterstützungsfläche führt. Ebenso wird ein beeinträchtigtes Gleichgewicht durch fehlende Körperkontrolle die Stabilität beeinträchtigen. Die Freigabe der Beine in der Schwungphase. Ein Verlust von Kniebeweglichkeit oder eine ungenügende Dorsalflexion des Fußes können hier störend wirken. Das Aufsetzen des Fusses in einer passenden Stellung. Dies erlaubt einen effizienten Energietransfer zwischen den Körpersegmenten. Eine schlechte Stellung kann durch eine inadequate Fußpositionierung in der terminalen Schwungphase hervorgerufen werden Eine ausreichende Schrittlänge. Dies kann durch eine verminderte Knieextension am Schluß der Schwungphase, durch einen instabilen Fuß auf der Standseite oder ungenügender Plantarflexorenkraft beim Abstoßen auf der Standseite behindert Quelle: Normal Walking Gillette Children s Hospital St. Paul Minnesota zebris Medical GmbH WinGait

4 Die Software WinGait Die Software "WinGait" zur Ganganalyse ist lauffähig unter den aktuellen Windows Betriebssystemen. Vorbereitung des Patienten Mit der beigefügten Gürteltasche wird zunächst der Kabeladapter am Rücken des Probanden befestigt. Je nach Messungsart werden die Dreifachmarker mit Hilfe eines elastischen Klettbandes oder mit Klebeetiketten an den Füßen, am Oberschenkel und dem Bereich des Sakrums angebracht. Für die Ganzkörper-Messung werden Marker zusätzlich am Oberarm und am Handgelenk befestigt. Das WinGait - Datenbank - System hat drei Ebenen um die Messdaten zu organisieren: Die höchste Ebene ist die Projekt-Ebene. Hier können Sie verschiedene Projekte, Patientengruppen oder Programm - Anwender anlegen. In der nächsten Ebene werden die Patientennamen eingegeben. In der letzten Ebene werden die Messdaten- Files aufgelistet. Vorbereitung der Messung Im NewRecord -Fenster kann unter Type die gewünschte Markeranordnung ausgewählt Der Proband stellt sich zunächst neben einen oder zwischen beiden Messaufnehmern auf. Mit einem Taststift werden bezüglich der befestigten Dreifachmarker anatomische Punkte definiert, mit denen im Softwareprogramm ein biomechanisches Modell berechnet wird. Die anatomische Punkte liegen beispielsweise am Vor- und Rückfuß, im Außenund Innenbereich des Sprunggelenks und den Kniegelenkzentren. Das Programm berechnet die Drehzentren der Hüftgelenke über die eingegebene Beckenposition. WinGait zebris Medical GmbH

5 Durchführung der Messung an Laufband Die Messaufnehmer sind in Laufrichtung parallel zum Laufband angeordnet. Bei nur einem Messaufnehmer wird dieser zunächst links plaziert. Mit dem zebris Kalibrierrahmen erfolgt durch eine kurze Messung die Kalibrierung der beiden Messaufnehmer auf die Laufbandebene. Das Laufband wird zur Normalgeschwindigkeit hochgefahren. Nach entsprechendem Einlaufen werden mit der Speicherund Stopp-Taste Gangzyklen aufgezeichnet. Ist nur ein Messaufnehmer vorhanden, wird dieser anschließend auf die rechte Seite des Laufbandes gestellt und die Messprozedur wiederholt. Durchführung der Messung auf der Gehstrecke Die Messung auf der Gehstrecke erfolgt analog zum Laufband, wobei diese mehrmals durchschritten werden kann. Die Gehstrecke kann durch eine Verfahreinheit (s. Foto) von ca. 2,5 m auf 4 m erweitert Der Messbildschirm wird danach verlassen. Die auszuwertenden Zeitabschnitte müssen nun im Record-Viewer ausgewählt Die Darstellung der Winkelkurven für die linke Körperseite (rote Kurven) und rechte (grüne Kurven) können in verschiedenen Projektionen bzw. Ebenen am Monitor betrachtet Somit ist für jede Projektion eine genaue Auswertung anhand der Messkurven möglich. Zur Erstellung eines Reports müssen die Schrittzyklen definiert Diese können durch Fußschalter oder durch die Beobachtung der Fußbewegung erfolgen. Nach der Definition eines Schrittes können durch eine Korrelation der Winkelwerte die Schrittzyklen eines ganzen Zeitfensters automatisch errechnet zebris Medical GmbH WinGait

6 Report Der Report zur Ganganalyse wird auf mehreren Seiten ausgedruckt, wobei die Anzahl der Seiten sowie die Größe und Anordnung der Auswertungen (Frames) beliebig verändert werden kann. Datenexport Die Messdaten können als ASCII-Datenfiles exportiert und weiterverarbeitet Auf der ersten Seite werden die wichtigsten Gangparameter wie die Schrittlänge, die Kadenz, die Zeit der Doppelstandphase und die Gehgeschwindigkeit als gemittelte Zahlenwerte übersichtlich in einem Diagramm dargestellt. Die maximal erreichten Gelenkwinkel beider Körperseiten sowie die Schrittphasen (Stand-/Schwungphase) sind mit Balkendiagrammen dargestellt. Auf der zweiten Seite des Reports sind die gemittelten normierten Winkel eines Schrittzyklus der rechten und linken Körperseite als farbige Linien dargestellt. Zusätzlich sind die Standardabweichungen als graue Bereiche zugefügt. Neben den Winkelverläufen der Gelenke ergeben sich Hinweise über Instabilitäten in den einzelnen Bewegungsphasen. Der Zeitabschnitt links der vertikalen Linie zeigt die Standphase, rechts der Linie ist die Schwungphase aufgetragen. WinGait zebris Medical GmbH

7 Vergleich von Messungen Zur objektiven Verlaufskontrolle können zwei Messungen direkt miteinander verglichen Die Balkendiagramme und die Kurven der Gelenkwinkel werden übereinander bzw. direkt nebeneinander dargestellt. Darstellung der EMG-Daten Bis zu 32 Analogkanäle können zeitsynchron aufgezeichnet und im Report dargestellt Die EMG-Daten sind auf die Schrittzyklen normalisiert und werden gemittelt geglättet und gleichgerichtet. Stand- und Schwungphase sind durch eine Linie getrennt. Report mit EMG zebris Medical GmbH WinGait

8 Daten für die Systeme CMS-HS (beidseitige Messung) / CMS-HSL (einseitig) Maximale Messrate: Messgenauigkeit: Messbare Gehstrecke: Durchschnittliche Untersuchungsdauer: max. 50 Hz pro Marker CMS-HS (beidseitig); 1 Grad 2,5-4 m min Weitere Programme sind verfügbar WinSpine WinSpine Pointer WinSpine Triple WinSpine Single Bewegungsanalyse der Wirbelsäule Bestimmung der Haltung, Form und Beweglichkeit mit dem Taststift Beurteilung der Bewegungsfunktion der Hals- und Lendenwirbelsäule Untersuchung der Beweglichkeit und Bewegungskoordination mit Einzelmarkern 3DA / WinArm Bewegungsanalyse motorischer Störungen WinBalance WinData Gleichgewichtsanalyse Messwerterfassungsprogramm WinGait zebris Medical GmbH