OrthopädieOrthopädie

Die Ganganalyse ist die systematische Untersuchung der Fortbewegung, genauer gesagt die Untersuchung der menschlichen Bewegung mit Hilfe des Auges und des Gehirns des Beobachters, ergänzt durch Instrumente zur Messung der Körperbewegungen, der Körpermechanik und der Aktivität der Muskeln.

Die Ganganalyse wird zur Beurteilung und Behandlung von Personen eingesetzt, deren Gehfähigkeit beeinträchtigt ist. Sie wird auch häufig in der Sportbiomechanik eingesetzt, um Sportlern zu helfen, effizienter zu laufen, und um haltungsbedingte oder bewegungsbezogene Probleme bei Menschen mit Verletzungen zu erkennen.

Das Studium umfasst sowohl die Quantifizierung (Einführung und Analyse messbarer Parameter der Gangart) als auch die Interpretation, d. h. das Ziehen verschiedener Schlussfolgerungen über das Tier (Gesundheit, Alter, Größe, Gewicht, Geschwindigkeit usw.) aus seinem Gangbild.

Verfahren

Ein typisches Labor zur Laufbandanalyse verfügt über mehrere Kameras (Video- oder Infrarotkameras), die um einen Gehweg oder ein Laufband herum angebracht und mit einem Computer verbunden sind. Der Patient verfügt über Marker, die an verschiedenen Bezugspunkten des Körpers angebracht sind (z. B. Beckenknochen, Knöchelknochen und Kniekehlen), oder über Gruppen von Markern, die auf der Hälfte der Körpersegmente angebracht sind. Der Patient geht auf dem Laufsteg oder dem Laufband, und der Computer berechnet die Flugbahn jedes Markers in drei Dimensionen. Mit Hilfe eines Modells wird die Bewegung der darunter liegenden Knochen berechnet. Auf diese Weise erhält man eine vollständige Aufschlüsselung der Bewegungen der einzelnen Gelenke.
Eine gängige Methode ist die Verwendung des Helen Hayes Hospital Markersets, bei dem insgesamt 15 Marker am Unterkörper angebracht werden. Die Bewegungen der 15 Marker werden analytisch ausgewertet und liefern die Winkelbewegungen der einzelnen Gelenke.

Zur Berechnung der Kinetik von Gangmustern verfügen die meisten Labore über am Boden montierte Kraftaufnehmer, auch Kraftplattformen genannt, die die Bodenreaktionskräfte und -momente messen, einschließlich der Größe, der Richtung und des Ortes (Druckzentrum genannt). Die räumliche Verteilung der Kräfte kann mit Pedobarographiegeräten gemessen werden. Zusammen mit der bekannten Dynamik der einzelnen Körpersegmente lassen sich Gleichungen auf der Grundlage der Newton-Eulerschen Bewegungsgleichungen aufstellen, die die Berechnung der Nettokräfte und der Nettokraftmomente um jedes Gelenk in jeder Phase des Gangzyklus ermöglichen. Die Berechnungsmethode hierfür wird als inverse Dynamik bezeichnet.

Diese Anwendung der Kinetik liefert jedoch keine Informationen über einzelne Muskeln, sondern über Muskelgruppen, wie z. B. die Streck- oder Beugemuskeln der Gliedmaßen. Um die Aktivität und den Beitrag einzelner Muskeln zur Bewegung zu ermitteln, ist es notwendig, die elektrische Aktivität der Muskeln zu untersuchen. Viele Labors verwenden auch Oberflächenelektroden, die auf der Haut angebracht werden, um die elektrische Aktivität oder das Elektromyogramm (EMG) der Muskeln zu erfassen. Auf diese Weise ist es möglich, die Aktivierungszeiten der Muskeln und bis zu einem gewissen Grad auch das Ausmaß ihrer Aktivierung zu untersuchen und so ihren Beitrag zum Gang zu bewerten. Abweichungen von normalen kinematischen, kinetischen oder EMG-Mustern werden zur Diagnose bestimmter Pathologien, zur Vorhersage von Behandlungsergebnissen oder zur Bestimmung der Wirksamkeit von Trainingsprogrammen verwendet.

Faktoren

Die Ganganalyse wird durch viele Faktoren moduliert oder verändert, und die Veränderungen des normalen Gangbildes können vorübergehend oder dauerhaft sein. Die Faktoren können unterschiedlicher Art sein:

Die bei der Ganganalyse berücksichtigten Parameter sind folgende:

Techniken

Die Laufbandanalyse umfasst die Messung, bei der messbare Parameter eingeführt und analysiert werden, und die Interpretation, bei der Rückschlüsse auf die Person (Gesundheit, Alter, Größe, Gewicht, Geschwindigkeit usw.) gezogen werden. Die Analyse besteht in der Messung der folgenden Parameter.

Zeitlich / Räumlich

Sie besteht aus der Berechnung der Geschwindigkeit, der Länge des Rhythmus, der Tonhöhe usw. Diese Messungen werden durchgeführt durch:

Kinematik

  1. Die Chronophotographie ist die grundlegendste Methode zur Aufzeichnung von Bewegungen. Stroboskoplicht mit bekannter Frequenz wurde in der Vergangenheit verwendet, um die Analyse des Gangs auf einzelnen fotografischen Bildern zu unterstützen.
  2. Zur Messung von Gelenkwinkeln und -geschwindigkeiten können Schmalfilm- oder Videoaufnahmen verwendet werden, die von einer oder mehreren Kameras aufgenommen wurden. Diese Methode wurde durch die Entwicklung von Analysesoftware unterstützt, die den Analyseprozess erheblich vereinfacht und eine dreidimensionale statt nur zweidimensionale Analyse ermöglicht.
  3. Passive Markersysteme, die reflektierende Marker (in der Regel reflektierende Kugeln) verwenden, ermöglichen eine genaue Messung der Bewegungen mit mehreren Kameras (in der Regel fünf bis zwölf Kameras) gleichzeitig. Die Kameras verwenden leistungsstarke Stroboskope (typischerweise Rot, Nahinfrarot oder Infrarot) mit passenden Filtern, um die Reflexion der am Körper angebrachten Marker aufzuzeichnen. Die Marker befinden sich an tastbaren anatomischen Orientierungspunkten. Anhand des Winkels und der Zeitverzögerung zwischen dem ursprünglichen und dem reflektierten Signal ist eine Triangulation der Markierung im Raum möglich. Mithilfe einer Software werden aus diesen Markern dreidimensionale Trajektorien erstellt, die anschließend mit Identifikationsetiketten versehen werden. Mit Hilfe eines Computermodells werden dann aus den relativen Markerpositionen der markierten Bahnen Gelenkwinkel berechnet. Diese Systeme werden auch für die Bewegungserfassung in der Filmindustrie verwendet.
  4. Aktive Markersysteme ähneln dem passiven Markersystem, verwenden aber "aktive" Marker. Diese Marker werden durch das eintreffende Infrarotsignal ausgelöst und senden ein entsprechendes eigenes Signal aus. Dieses Signal wird dann verwendet, um den Standort des Markers zu triangulieren. Der Vorteil dieses Systems gegenüber dem passiven besteht darin, dass die einzelnen Marker auf vordefinierten Frequenzen arbeiten und daher ihre eigene "Identität" haben. Dies bedeutet, dass keine Nachbearbeitung der Markerstandorte erforderlich ist, allerdings verzeihen die Systeme weniger gut, wenn die Marker aus dem Blickfeld geraten sind als passive Systeme.
  5. Inertiale (kameralose) Systeme, die auf MEMS-Trägheitssensoren, biomechanischen Modellen und Algorithmen zur Sensorfusion basieren. Diese Ganzkörper- oder Teilkörpersysteme können unabhängig von den Lichtverhältnissen in Innenräumen und im Freien eingesetzt werden.

Druckmessung

Druckmesssysteme sind eine zusätzliche Möglichkeit, den Gang zu messen, da sie Aufschluss über die Druckverteilung, die Kontaktfläche, die Bewegung des Kraftzentrums und die Symmetrie zwischen den Seiten geben. Diese Systeme liefern in der Regel mehr als nur Druckinformationen; zusätzliche Informationen, die von diesen Systemen zur Verfügung gestellt werden, sind Kraft, Zeit und räumliche Parameter. Es stehen verschiedene Methoden zur Druckmessung zur Verfügung, z. B. eine Druckmessmatte oder ein Laufsteg (mit größerer Länge, um mehr Fußaufschläge zu erfassen) sowie Systeme zur Druckmessung im Schuh (bei denen die Sensoren im Schuh platziert werden). Viele Druckmesssysteme lassen sich mit weiteren Analysesystemen wie Motion Capture, EMG oder Kraftmessplatten kombinieren, um eine umfassende Ganganalyse zu ermöglichen.

Anwendungen

Die Ganganalyse wird zur Analyse der Gehfähigkeit von Menschen und Tieren eingesetzt, so dass diese Technologie für folgende Anwendungen genutzt werden kann.

Medizinische Diagnostik

Ein pathologischer Gang kann Kompensationen für zugrundeliegende Pathologien widerspiegeln oder selbst für die Verursachung von Symptomen verantwortlich sein. Zerebralparese- und Schlaganfallpatienten werden häufig in Ganglabors untersucht. Die Untersuchung des Gangbildes ermöglicht Diagnosen und Interventionsstrategien sowie zukünftige Entwicklungen in der Rehabilitationstechnik. Neben den klinischen Anwendungen wird die Ganganalyse auch im professionellen Sporttraining eingesetzt, um die sportliche Leistung zu optimieren und zu verbessern.

Ganganalyseverfahren ermöglichen die Beurteilung von Gangstörungen und die Auswirkungen korrigierender orthopädischer Eingriffe. Zu den Behandlungsmöglichkeiten bei zerebralen Lähmungen gehören die künstliche Lähmung spastischer Muskeln mit Botox oder die Verlängerung, Wiederbefestigung oder Abtrennung bestimmter Sehnen. Es werden auch Korrekturen einer verzerrten knöchernen Anatomie vorgenommen (Osteotomie).

Chiropraktik

Die Beobachtung des Gangs ist auch für die Diagnose in chiropraktischen und osteopathischen Berufen von Nutzen, da Gangstörungen auf eine Fehlstellung des Beckens oder des Kreuzbeins hinweisen können. Da sich Kreuzbein und Darmbein biomechanisch gegeneinander bewegen, können Verklebungen zwischen den beiden, unter anderem über die sacrospinösen oder sacrotuberösen Bänder, auf ein gedrehtes Becken hinweisen. Sowohl Chiropraktiker als auch Osteopathen nutzen den Gang, um eine Beckenrotation festzustellen, und können verschiedene Techniken anwenden, um den vollen Bewegungsumfang der an der Fortbewegung beteiligten Bereiche wiederherzustellen. Die chiropraktische Einstellung des Beckens hat sich als hilfreich bei der Wiederherstellung des Gangbildes erwiesen, ebenso wie die osteopathische Manipulationstherapie (OMT).

Biomechanik

Durch die Untersuchung des Gangs nicht-menschlicher Tiere können mehr Erkenntnisse über die Mechanik der Fortbewegung gewonnen werden, was vielfältige Auswirkungen auf das Verständnis der Biologie der betreffenden Tierart sowie der Fortbewegung im Allgemeinen hat.

Die Gangerkennung ist eine Art verhaltensbiometrischer Authentifizierung, bei der Personen anhand ihres Gehstils und ihres Tempos erkannt und verifiziert werden. Fortschritte in der Gangerkennung haben zur Entwicklung von Techniken für die Forensik geführt, da der Gang jeder Person durch eindeutige Messungen wie die Position von Knöchel, Knie und Hüfte definiert werden kann.

Biometrie

Im Jahr 2018 wurde berichtet, dass die chinesische Regierung Instrumente zur Überwachung entwickelt hat, die auf der Ganganalyse basieren und eine eindeutige Identifizierung von Personen ermöglichen, selbst wenn deren Gesichter verdeckt sind.

Literatur