Bewegungsanalyse: Genauigkeit der Gelenkszentrenbestimmung

Ein zentrales Anliegen aller Bereiche der biomechanischen Analyse menschlicher Bewegungen ist die Rekonstruktion beobachteter Bewegungen, insbesondere des skelettären Systems, in einem 3D Koordinatensystem. Zur Bestimmung von Gelenksmomenten und Belastungen werden segmentierte Modelle des menschlichen Gliedersystems eingesetzt. In der klinischen Ganganalyse kann die Berechnung von Momenten im Hüftgelenk die Grundlage einer Therapie oder für die Durchführung eines chirurgischen Eingriffs bilden. Daher ist die exakte Lokalisierung des Hüftgelenkszentrums von besonderer Bedeutung. Die Datenerfassung wird durch verschiedene Fehler, beispielsweise, Palpierung, Verschiebung zwischen Markern und darunter liegendem Skelettsystem, Markerplatzierung, anthropometrische Regressionsgleichungen und Optimierungsalgorithmen, negativ beeinflusst. Klinische Bewegungsanalysen bedürfen der höchsten Genauigkeit in der Bestimmung der Gelenksparameter. Mathematisch kann das zu behandelnde Problem über eine Verbesserung der Genauigkeit und Präzision in der Transformation zwischen technischen (definiert über die auf der Hautoberfläche angebrachten Markierungspunkte) und anatomischen (definiert über die Anatomie) Koordinatensystemen formuliert werden. Um ein lokales dreidimensionales Segmentkoordinatensystemen festlegen zu können, wird ein Markercluster aus mindestens drei Markierungspunkten benötigt. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung existierender und die Entwicklung genauerer Methoden zur Bestimmung von Gelenkszentren aus Markierungspunkten. Ein substantieller Teil der Studien ist die Erarbeitung von Empfehlungen oder eines standardisierten Protokolls für das Setzen der Markierungspunkte in Abhängigkeit von verschiedenen Bewegungstypen, z.B. in der Ganganalyse, beim Laufen oder beim Rad fahren gewidmet. Um eine Fehleranalyse durchführen zu können, bei der die Einflussfaktoren entkoppelt sind, wird ein Ansatz in zwei Schritten gewählt. Fehler , die nicht auf biologische Ursachen zurückgeführt werden können (wie Markerverschiebungen relativ zum darunter liegenden Skelettsystem), stehen im Zentrum der ersten Untersuchung. Als repräsentatives Gelenk wird dazu das Hüftgelenk betrachtet, für welches ein mechanisches Analogon konstruiert wird. Untersuchungen betreffend die Präzision und Genauigkeit des (optischen) Messsystems werden durchgeführt. Diese Messungen basieren auf verschiedenen Protokollen. Im Zentrum des zweiten Schritts stehen Fehler, die auf biologische Ursachen zurück zu führen sind. Statt der Verwendung des mechanischen Analogons werden die Markierungspunkte nun direkt auf der Haut der Probanden angebracht. Den Messungen liegen wiederum verschiedene Protokolle zugrunde. Besondere Sorgfalt wird auf die Platzierung der Marker (Cluster) gelegt. Auch der Einsatz redundanter Marker wird untersucht.

Die vorliegende Studie befasst sich mit der Analyse der komplexen Bewegungsmöglichkeiten des menschlichen Kniegelenks, welches eine zentrale Bedeutung im Bewegungs-apparat einnimmt. Bei Beobachtung des gesunden Kniegelenks fällt zunächst die Beugemöglichkeit um eine nahezu horizontal liegende Achse auf. Bei gebeugtem Kniegelenk besteht auch eine Rotationsmöglichkeit um die Längsachse des Schienbeins. Hierbei rotiert auch die Fußspitze nach außen und innen. Abnützungserscheinungen, arthritische Veränderungen oder Verletzungen beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit des Gelenks. Die wissenschaftliche Analyse von Problemen des Bewegungsapparates kann heute nicht mehr ausschließlich durch die Medizin selbst abgedeckt werden, sondern basiert auf interdisziplinär ausgerichteten Forschungsarbeiten, in welches sich das vorliegende Forschungsprojekt einordnet. Ein Grundproblem bei der Analyse von menschlichen Gelenken stellt das Festlegen eines Referenzsystems dar, auf welches Gelenksbewegungen bezogen werden. Abhängig von der gewählten Referenzachse, nämlich, ergeben sich unterschiedliche Drehwinkel bzw. Verschiebungen im Gelenk. Deswegen wurden in der Vergangenheit verschiedene Richtlinien erstellt, nach denen man solche Achsen festzulegen habe. Zunächst orientierte man sich dabei an der knöchernen Geometrie, die sich später als zu individuell variabel manifestierte. Deswegen fand man Wege, eine funktionale Drehachse aus der Beugebewegung (Drehbewegung) des Kniegelenks zu bestimmen. Da das Kniegelenk nicht nur kein uniaxiales Gelenk ist, sondern die Drehachsen auch für jede Bewegungsform (Kniebeugen, Stiegen steigen, laufen, Rad fahren) andere sein können, ist dieses Vorhaben sehr komplex. Im vorliegenden Projekt wurden numerische Routinen programmiert, die solche Achsen berechnen. Das Achsberechnungsprogramm wurde zunächst an simulierten Daten getestet, um die Sensivität und numerische Stabilität des Codes zu erproben. In weiterer Folge wurden Bewegungsdaten von Probanden bei den Bewegungen, Kniebeuge, Rudern und Rad fahren, mittels retroreflektiver Marker und Infrarotkameras aufgezeichnet und analysiert. Weiters wurden Daten von Kniebeugen in-vitro untersucht. Die Anwendung der im vorliegenden Projekt entwickelten mathematischen Methode führte zu einer wesentlichen Homogenisierung der Ergebnisse der ursprünglich anatomisch referenzierten in-vitro Daten. Dies ist ein wichtiger Fortschritt in der in-vitro Prothesentestung, denn hier ist höchste Messgenauigkeit erforderlich, um fein nuancierte Kinematiken überhaupt erfassen zu können. Nur dann ist individualisierte Prothesenentwicklung erst auch denkbar.