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Berührungslose Messung der Gesamtbeweglichkeit der Sprunggelenke mit Darstellung von qualitativen Komponenten

Berührungslose Messung der Gesamtbeweglichkeit der Sprunggelenke mit Darstellung  von qualitativen Komponenten 



BetreuerIn: FH-Prof.DI Johann Walzer

 

1     Einleitung

Der Fuß und insbesondere die Sprunggelenke beschäftigen mich seit langem. Dieser kleine Körperabschnitt beinhaltet 28 Knochen, die mit einer komplizierten Biomechanik durch mehr als fünfzig Gelenke untereinander beweglich sind. Die Funktion dieses Komplexes ist, einen guten Bodenkontakt herzustellen und die Grundlage für unsere Gleichgewichtserhaltung zu bilden. Die Schwierigkeit der Beweglichkeitsmessung entsteht nicht nur durch die noch nicht exakt erforschte Biomechanik, sondern auch dadurch, dass es in der internationalen Forschung und in der Literatur noch nicht gelungen ist, sich auf eine einheitliche Nomenklatur der Achsen und Bewegungen zu einigen. In den einzelnen Gelenken ist oft nur ein kleiner Bewegungsausschlag möglich und die Achsen stehen nicht normal zueinander. Deshalb kann auch nur eine Aussage über die Beweglichkeit des gesamten Komplexes getroffen werden. In der Literatur und Forschung werden viele verschiedene Verfahren beschrieben wie die Beweglichkeit dieser Gelenke gemessen werden kann. Einige dieser Methoden sind zeit- und/oder kostenintensiv, andere wiederum können bei der Intra- und Intertester Reliabilität nicht überzeugen.

Meine Intention ist es, Möglichkeiten aufzuzeigen, um ein kostengünstiges Gerät zu entwickeln, das nicht nur das Bewegungsausmaß in allen drei Ebenen aufzeichnet, sondern auch die Qualität der Bewegung in der Dynamik quantifizieren kann. Denn bei jenen Testverfahren, die in der Literatur beschrieben werden, erfolgt die Messung der Sprunggelenke meist getrennt und nur selten gemeinsam. Weiters wurde noch kein Messinstrument entwickelt, das sich in der klinischen Praxis durchgesetzt hat.

2     Kern der Arbeit

Im Zuge meiner Arbeit wurde ein Gerät zur Messung des Bewegungsausmaßes, der Bewegungspräzision, des Bewegungsflusses und der Bewegungskonstanz entwickelt.  Diese Komponenten der Bewegungsqualität werden graphisch am Computer dargestellt und gespeichert.

Die Sprunggelenke entsprechen - mechanisch gesehen - am ehesten einem kardanischen Gelenk. Gesucht wurde nach einem Gerät, dass die Bewegung in diesen Gelenken nicht limitiert, dieser wenig Widerstand entgegensetzt und leicht zu handhaben ist. Es ist so konzipiert, dass sowohl im Sitzen als auch im Stehen mit Teil- oder Vollbelastung getestet werden kann.  Die Wahl fiel auf eine Halbkugel aus Metall, die zur Führung der Bewegung in einem Ständer ruht. Um die Leichtgängigkeit des Messgerätes zu gewährleisten, wurden Kugelrollen in den Ständer eingelassen.

Durch die Konstruktion kann sowohl die Stellung des Fußes als auch jene des Unterschenkels verändert werden. Deshalb werden diese Bewegungen von zwei Sensoren, einer Wii-remote Konsole und einem Nunchuck erfasst. Der Winkel wird aus der Differenz der Werte beider Schenkel errechnet.

Die so erhaltenen Ergebnisse werden zur besseren optischen Erfassung über das Programm MATLAB graphisch dreidimensional dargestellt. Da eine achsengerechte Darstellung der einzelnen Gelenke nicht realisierbar ist, erfolgt die Messung in den drei anatomischen Ebenen Frontal, Sagittal und Transversal.

Nach der Entwicklungsphase wird das Gerät an 160 Freiwilligen getestet. Bei jeder Testperson wird vorab der FAOS (Foot and Ankle Outcome Score, Deutsche Fassung) ermittelt. Pro Fuß werden vier Messungen durchgeführt. Der FAOS dient dazu, um die zu erwartende Qualität der Bewegungen besser einordnen zu können. Zuerst wird die Bewegung des oberen Sprunggelenkes getestet (Dorsalextension/Plantarflexion in sagittaler Ebene). Danach erfolgt eine Messung der Beweglichkeit des unteren Sprunggelenkes (Inversion/Eversion), um anschließend noch die Bewegung des gesamten Fußkomplexes, durch eine Kreisbewegung in beziehungsweise gegen den Uhrzeigersinn festzustellen. Jede Messung dauert zehn Sekunden und wird automatisch, mit einem Datums- und Zeitstempel versehen, als txt-Datei gespeichert. Das Programm MATLAB greift auf diese txt-Dateien zu und berechnet die Winkelveränderungen. Der Bewegungsfluss und die Bewegungskonstanz werden im Zeitverlauf beurteilt, deshalb wird bei der Darstellung der Kurve ein Farbverlauf (Regenbogen) verwendet, um so eine aussagekräftigere Darstellung zu erreichen. Zusätzlich kann auch der Bewegungsumfang sichtbar gemacht werden.

3     Zusammenfassung der Ergebnisse

Mit diesem Gerät lassen sich der Bewegungsfluss, die Bewegungskonstanz, die Bewegungspräzision und der Bewegungsumfang darstellen. Es müssen jedoch in der Auswertung und in der Testauswahl noch Verbesserungen vorgenommen werden.

Die Handhabung des neuentwickelten Messinstrumentes ist leicht zu erlernen und kurzer Vorbereitungszeit für die Testungen einsatzbereit.

Mit einer Justierung, das heißt einer vorangehenden Messung in Nullstellung ohne Bewegung, lässt sich die Quantität der Bewegung deutlich darstellen und interindividuell vergleichen. Bei der Testausführung ist eine Vorgabe der Geschwindigkeit sinnvoll. Die Vorgabe „zügige Bewegungen“ wird von den Testpersonen unterschiedliche aufgefasst, dadurch werden in der vorgegebenen Zeit (zehn Sekunden) differierende Anzahlen der Bewegungen (drei bis elf) durchgeführt. Eine Vorgabe der Geschwindigkeit durch ein Metronom oder ein akustisches Signal durch das Messprogramm selbst, könnte zu einer annähernden Vereinheitlichung der Testgeschwindigkeit und somit zu einer vergleichbareren Analyse beitragen. Das maximale Bewegungsausmaß kann nur bei einer langsamen Bewegung eruiert werden. Wird eine Bewegung verschieden schnell durchgeführt, stellt sich die Frage, ob das Bewegungsmuster gleich bleibt oder ob es sich geschwindigkeitsabhängig ändert. Ein weiteres Kriterium kann auch darin bestehen, ob sich verletzte Sprunggelenke anders verhalten als unverletzte, besonders bei Bewegungen mit höheren Geschwindigkeiten.

Aus den Graphiken lässt sich ableiten, dass die angestrebte Abbildung der Bewegungsqualität erreicht werden kann. Das Gerät ist so empfindlich, dass bereits geringe Änderungen in der Bewegungspräzision und in der Bewegungskonstanz sichtbar werden. Bei den Bewegungen „auf und ab“ sowie „links und rechts“ könnten mit einer Justierung im Vorfeld Normwerte ermittelt werden.

Die Kreisbewegung zum Austesten des gesamt möglichen Bewegungsausmaßes in den Sprunggelenken erwies sich als zu komplex, um mit dem derzeit verfügbaren Mitteln einen Standard ermitteln und daraus Aussagen treffen zu können. Es stellt sich die Frage, ob nicht andere Bewegungen als die Kreisbewegungen funktioneller sind und damit mehr Aussagekraft über die Qualität der Bewegung der Sprunggelenke haben.

Verbesserungen müssen auf jeden Fall in der Auswertung angestrebt werden. Da die zwei Sensoren keine absolute Parallelität in der Ausgangsposition erreichen, erweist sich das Rechenmodell der einfachen Subtraktion als nicht ausreichend. Ebenso ist zu klären, ob für eine Berechnung des Winkels die Sensitivität der Sensoren ident sein muss.

Die Auswertungen lassen sich dahingehend optimieren, dass sie automatisiert ablaufen, und eventuell mit einer Animation hinterlegt werden um die Testung mehrmals hintereinander wiedergeben zu können. Dies würde die Beurteilung des Bewegungsflusses für den Therapeuten vereinfachen. Damit wären das Bewegungs-Zeit-Diagramm und die dreidimensionale Darstellung in einer Animation zusammengefasst. Aufgrund der händischen und somit zeitlich sehr aufwendigen Nachbearbeitung der Messergebnisse ist der Einsatz in einer Physiotherapie-Praxis derzeit nicht ökonomisch einsetzbar.

Zur Sicherheit der Testpersonen sollte noch eine Arretierung am Gerät angebracht werden. Eine solche könnte mit Hilfe eines Hebelsystems und einem Dorn auf der Unterseite der Halbkugel oder mit einem mechanischen Bremssystem erfolgen.


Literaturverzeichnis

§  Buckley, R. E., & Hunt, D. V. (1997). Reliability of clinical measurement of subtalar joint movement. Foot & ankle international. / American Orthopaedic Foot and Ankle Society [and] Swiss Foot and Ankle Society, 18(4), 229–232

§  Doya, H., Haraguchi, N., Niki, H., Takao, M., & Yamamoto, H. (2010). Proposed novel unified nomenclature for range of joint motion: method for measuring and recording for the ankles, feet, and toes. Journal of Orthopaedic Science, 15(4), 531–539.

§  Kleipool, R. P., & Blankevoort, L. (2010). The relation between geometry and function of the ankle joint complex: a biomechanical review. Knee surgery, sports traumatology, arthroscopy : official journal of the ESSKA, 18(5), 618–627.

§  Wrobel, J. S., & Armstrong, D. G. (2008). Reliability and validity of current physical examination techniques of the foot and ankle. Journal of the American Podiatric Medical Association, 98(3), 

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