Computer-Modellierung der Crouch Gait bei CP Kindern

Die Cerebralparese (CP) ist eine der häufigsten Schädigungen des Gehirnes in der Entwicklung. Eine der häufigsten Bewegungsabnormalitäten bei CP Kindern ist der Crouch Gait, welcher vor allem durch starke Beugung des Knies im Stehen charakterisiert wird, oft in Kombination mit Flexion, Adduktion und Innenrotation der Hüfte. Techniken der Ganganalyse haben zu einer objektiveren Beurteilung der Bewegungsabnormalitäten bei CP Kindern geführt, können aber die Funktion der einzelnen Muskeln während des Gehens nicht erklären. Das hat mehrere Ursachen: erstens wird jedes Gelenk von mehreren Streck- und Beugemuskeln umspannt, und das Gesamtmoment kann von einer unendlichen Anzahl von Kombinationen der Muskelkräfte erzeugt werden; zweitens kann über EMG Messungen nur bestimmt werden, ob ein Muskel aktiv ist oder nicht, aber keine Aussage über die erzeugte Kraft während einer dynamischen Bewegung gemacht werden; drittens können Muskeln auch Beschleunigungen an Gelenken verursachen, die sie nicht umspannen. Deshalb kann aus den Daten der Ganganalyse alleine nicht erklärt werden, wie die einzelnen Muskeln die Bewegung der Beine während dem Gehen koordinieren. Im Gegensatz dazu kann durch Computer-Modellierung in Kombination mit dem Konzept der Induced Acceleration Analysis` ein besseres quantitatives Verständnis der Muskelfunktionen beim normalen Gehen und beim Crouch Gait erreicht werden. Das Ziel des beantragten Projektes ist es, durch die Kombination von der Modellierung des muskuloskeletären Systems und Optimierungstheorie die Funktion der Beinmuskeln bei gesunden Kindern, wenn sie mit ihrer natürlichen Geschwindigkeit gehen, und bei CP Kindern mit Crouch Gait zu bestimmen und zu erklären. Hierzu sollen basierend auf Magnetresonanz-Aufnahmen muskuloskeletäre Modelle von fünf gesunden achtjährigen Kindern und patientenspezifische Modelle von drei achtjährigen Kindern mit spastischer Diplegie erstellt werden. Mittels statischer Optimierung und Ganganalyse werden dann die Kraftverläufe während dem Gehen über der Zeit für die 62 wichtigsten Muskelgruppen der unteren Extremität berechnet. Unter Anwendung der Induced Acceleration Analysis` werden die Funktionen der einzelnen Beinmuskeln während dem normalen Gehen und dem Crouch Gait beschrieben, erklärt, verglichen und differenziert. Die Ergebnisse unserer Arbeiten werden in mehreren Aspekten von Bedeutung sein: erstens werden die Untersuchungen erstmals konkrete Daten über die muskuloskeletäre Geometrie und physiologischen Parameter der wichtigsten Beinmuskeln bei gesunden Kindern und CP Kindern liefern; zweitens werden unsere Ergebnisse für die Muskellängen- und Muskelkraftverläufe bei CP Kindern auch Knochen-Deformierungen wie zB. Anteversion des Femur, die bei Patienten mit Crouch Gait häufig vorkommen, berücksichtigen; drittens werden unsere Berechnungen die Verläufe der Muskelkräfte über der Zeit während dem Gangzyklus liefern, und so zeigen, ob die Funktion der Beinmuskeln bei gesunden Kindern und Erwachsenen gleich ist. Bis jetzt sind keine Daten über Kraftverläufe in den Beinmuskeln bei gesunden Kindern vorhanden; viertens ist die Information über die Muskelkraftverläufe über der Zeit beim Gehen für Chirurgen und Physiotherapeuten wertvoll, sowohl für die präoperative Planung von Muskel-Sehnen Verlängerungen und Transfers, als auch für die Bestimmung der geeignetsten Rehabilitationsmethoden (z.B. Verschreibung der geeignetesten Orthese zur behandlung einer spezifischen Fehlstellung).

Die Cerebralparese (CP) ist eine der häufigsten Schädigungen des Gehirnes in der Entwicklung. Eine der häufigsten Bewegungsabnormalitäten bei CP Kindern ist der Crouch Gait, welcher vor allem durch starke Beugung des Knies im Stehen charakterisiert wird, oft in Kombination mit Flexion, Adduktion und Innenrotation der Hüfte. Techniken der Ganganalyse haben zu einer objektiveren Beurteilung der Bewegungsabnormalitäten bei CP Kindern geführt, können aber die Funktion der einzelnen Muskeln während des Gehens nicht erklären. Das hat mehrere Ursachen: erstens wird jedes Gelenk von mehreren Streck- und Beugemuskeln umspannt, und das Gesamtmoment kann von einer unendlichen Anzahl von Kombinationen der Muskelkräfte erzeugt werden; zweitens kann über EMG Messungen nur bestimmt werden, ob ein Muskel aktiv ist oder nicht, aber keine Aussage über die erzeugte Kraft während einer dynamischen Bewegung gemacht werden; drittens können Muskeln auch Beschleunigungen an Gelenken verursachen, die sie nicht umspannen. Deshalb kann aus den Daten der Ganganalyse alleine nicht erklärt werden, wie die einzelnen Muskeln die Bewegung der Beine während dem Gehen koordinieren. Im Gegensatz dazu kann durch Computer-Modellierung in Kombination mit dem Konzept der "Induced Acceleration Analysis" ein besseres quantitatives Verständnis der Muskelfunktionen beim normalen Gehen und beim Crouch Gait erreicht werden. Das Ziel des beantragten Projektes ist es, durch die Kombination von der Modellierung des muskuloskeletären Systems und Optimierungstheorie die Funktion der Beinmuskeln bei gesunden Kindern, wenn sie mit ihrer natürlichen Geschwindigkeit gehen, und bei CP Kindern mit Crouch Gait zu bestimmen und zu erklären. Hierzu sollen basierend auf Magnetresonanz-Aufnahmen muskuloskeletäre Modelle von fünf gesunden achtjährigen Kindern und patientenspezifische Modelle von drei achtjährigen Kindern mit spastischer Diplegie erstellt werden. Mittels statischer Optimierung und Ganganalyse werden dann die Kraftverläufe während dem Gehen über der Zeit für die 62 wichtigsten Muskelgruppen der unteren Extremität berechnet. Unter Anwendung der "Induced Acceleration Analysis" werden die Funktionen der einzelnen Beinmuskeln während dem normalen Gehen und dem Crouch Gait beschrieben, erklärt, verglichen und differenziert. Die Ergebnisse unserer Arbeiten werden in mehreren Aspekten von Bedeutung sein: erstens werden die Untersuchungen erstmals konkrete Daten über die muskuloskeletäre Geometrie und physiologischen Parameter der wichtigsten Beinmuskeln bei gesunden Kindern und CP Kindern liefern; zweitens werden unsere Ergebnisse für die Muskellängen- und Muskelkraftverläufe bei CP Kindern auch Knochen-Deformierungen wie zB. Anteversion des Femur, die bei Patienten mit Crouch Gait häufig vorkommen, berücksichtigen; drittens werden unsere Berechnungen die Verläufe der Muskelkräfte über der Zeit während dem Gangzyklus liefern, und so zeigen, ob die Funktion der Beinmuskeln bei gesunden Kindern und Erwachsenen gleich ist. Bis jetzt sind keine Daten über Kraftverläufe in den Beinmuskeln bei gesunden Kindern vorhanden; viertens ist die Information über die Muskelkraftverläufe über der Zeit beim Gehen für Chirurgen und Physiotherapeuten wertvoll, sowohl für die präoperative Planung von Muskel-Sehnen Verlängerungen und Transfers, als auch für die Bestimmung der geeignetsten Rehabilitationsmethoden (z.B. Verschreibung der geeignetesten Orthese zur behandlung einer spezifischen Fehlstellung).