Berück­sich­ti­gung von Orthe­sen und/oder Schu­hen bei der Ganganalyse

J. Romkes
Die Biomechanik des Gehens mit Orthesen und/oder Schuhen kann durch eine instrumentelle dreidimensionale markerbasierte Ganganalyse untersucht werden. In der Regel werden die Resultate mit denen des Barfußgehens verglichen. In diesem Artikel wird beschrieben, welche Einflussfaktoren bei der Ganganalyse mit Orthesen und/oder Schuhen im Vergleich zum Barfußgehen zu berücksichtigen sind. Hierbei wird auf die verschiedenen Problemstellungen in der Kinematik, der Kinetik und der EMG-Ableitung eingegangen.

Instru­men­tel­le Ganganalyse

Eine viel­sei­ti­ge dia­gnos­ti­sche Metho­de zur The­ra­pie­ent­schei­dung und Ver­laufs­kon­trol­le bei kom­ple­xen Gang­stö­run­gen ist die instru­men­tel­le drei­di­men­sio­na­le mar­ker­ba­sier­te Gang­ana­ly­se. Typi­sche Pati­en­ten für eine Gang­ana­ly­se sind Pati­en­ten mit Zere­bral­pa­re­se oder sons­ti­gen neu­ro­lo­gi­schen und ortho­pä­di­schen Patho­lo­gien. Es kön­nen neben Zeit-Raum-Para­me­tern wie Gang­ge­schwin­dig­keit, Schritt­län­ge, Schritt­dau­er und Schritt­fre­quenz auch Gelenk­win­kel­stel­lun­gen beim Gehen (Kine­ma­tik), deren Momen­te und Leis­tun­gen (Kine­tik) sowie Mus­kel­ak­ti­vi­tä­ten (mit­tels Elek­tro­myo­gra­phie) erfasst wer­den. Eine kli­ni­sche Indi­ka­ti­on mit geziel­ter Fra­ge­stel­lung wird meist bereits in der ärzt­li­chen Sprech­stun­de fest­ge­legt. Beim Besuch im Gang­la­bor fol­gen dann Daten­er­he­bung, Daten­aus­wer­tung und Bericht­ge­bung (Abb. 1).

Funk­tio­nel­le Aus­wir­kun­gen von Orthe­sen und Schuhen

Eine häu­fig auf­tre­ten­de Fra­ge­stel­lung bei der Über­wei­sung von Pati­en­ten für eine Gang­ana­ly­se bezieht sich auf den Ein­fluss einer Orthe­se für die unte­re Extre­mi­tät und/oder von Schu­hen auf das Gang­bild. Es han­delt sich dann in der Regel um Fuß- oder Unter­schen­kel­orthe­sen sowie um Schu­he mit oder ohne per­so­nen­spe­zi­fi­sche Schuh­zu­rich­tung. Die instru­men­tel­le drei­di­men­sio­na­le Gang­ana­ly­se ermög­licht eine qua­li­ta­ti­ve Beur­tei­lung des Bewe­gungs­ab­laufs durch eine quan­ti­ta­ti­ve Bestim­mung von Gelenk­be­we­gun­gen (Kine­ma­tik) und den dabei wir­ken­den Kräf­ten und Gelenk­mo­men­ten (Kine­tik) 1. Es lässt sich damit der bio­me­cha­ni­sche Ein­fluss ver­schie­de­ner Bein­orthe­sen und/oder Schu­he auf den Bewe­gungs­ap­pa­rat beur­tei­len. Obwohl die funk­tio­nel­len Aus­wir­kun­gen von Fuß- oder Unter­schen­kel­orthe­sen und/ oder Schu­hen auf das Gang­bild gut zu erfas­sen sind, gibt es auch Feh­ler­quel­len bei Daten­auf­nah­me, ‑aus­wer­tung und ‑inter­pre­ta­ti­on. Die­se wer­den im Fol­gen­den beschrieben.

Feh­ler­quel­len in der Kinematik

Zur Bestim­mung der drei­di­men­sio­na­len Gelenk­win­kel­stel­lun­gen wäh­rend des Gehens wer­den Mar­ker (d. h. klei­ne reflek­tie­ren­de Kugeln) an defi­nier­ten Stel­len mit dop­pel­sei­ti­gem Kle­be­band auf der Haut befes­tigt (nur bei mar­ker­ba­sier­ten Sys­te­men), wie im ers­ten Bild von Abbil­dung 1 gezeigt wird. Die tat­säch­li­chen Gelenk­mit­tel­punk­te lie­gen aller­dings inner­halb des Kör­pers und sind daher nur indi­rekt mit­tels Mar­ker von außen zu bestim­men. Es muss des­halb bei der kor­rek­ten Plat­zie­rung der Mar­ker mit größ­ter Sorg­falt gear­bei­tet wer­den (Abb. 2). Eine Annah­me bei der Kine­ma­tik­be­rech­nung besteht unter ande­rem dar­in, dass die durch Mar­ker defi­nier­ten Kör­per­seg­men­te in sich starr sind.

Hier ent­steht ein Pro­blem, wenn über den Kno­chen und Gelen­ken viel Gewe­be liegt (Mus­keln, sub­ku­ta­nes Gewe­be, Haut), zum Bei­spiel bei Per­so­nen mit Über­ge­wicht. Das Pal­pie­ren bestimm­ter ana­to­mi­scher Punk­te sowie das Ertas­ten der Kno­chen ist dadurch erschwert. Dar­über hin­aus bewe­gen sich die auf der Haut befes­tig­ten Mar­ker ver­stärkt rela­tiv zum knö­cher­nen Ske­lett, und die als star­re Kör­per betrach­te­ten Kör­per­seg­men­te ver­hal­ten sich dabei nicht wirk­lich starr. Die Bestim­mung der Kör­per­seg­men­te und der Gelenk­mit­tel­punk­te wird unge­nau­er und somit auch die Daten­er­he­bung und die dar­aus fol­gen­den Kine­ma­tik- und Kine­tik­be­rech­nun­gen 2.

Eine ähn­li­che Situa­ti­on ent­steht beim Tra­gen von Fuß- oder Unter­schen­kel­orthe­sen und/oder Schu­hen. Es ist meist nicht mög­lich, die Mar­ker im Bereich des Hilfs­mit­tels direkt auf die Haut zu kle­ben. Sie wer­den statt­des­sen auf den Schu­hen oder Orthe­sen befes­tigt. Damit ent­steht eine gewis­se Mess­un­ge­nau­ig­keit bei der Bestim­mung der Gelenk­mit­tel­punk­te und der Bewe­gungs­ach­sen. Die zwei größ­ten Feh­ler­quel­len bei allen Gang­ana­ly­sen mit Orthe­sen und/oder Schu­hen sind aller­dings einer­seits die Posi­ti­on bzw. die Bewe­gung des Fußes in der Orthe­se oder dem Schuh und ande­rer­seits die Bewe­gun­gen zwi­schen Orthe­se und Schuh. In der Regel wird über die Mar­ker­plat­zie­rung die Bewe­gung des Schuhs und/oder der Orthe­se und nicht des Fußes zum angren­zen­den Kör­per­seg­ment bestimmt. Wenn Schuh und/oder Orthe­se nicht rich­tig pas­sen, ist die Bewe­gungs­ana­ly­se feh­ler­haft. Dies ist deut­lich in Abbil­dung 3 und 4 ersicht­lich: Der offen­sicht­li­che Feh­ler in Abbil­dung 4 ist zu ver­mei­den, wenn beim Pati­en­ten Orthe­sen und Schu­he als Ein­heit betrach­tet wer­den kön­nen. Das Gesamt­kon­zept muss stim­men und als Ein­heit funktionieren.

Bei einer Gang­ana­ly­se sind auch die per­so­nen­spe­zi­fi­schen Anpas­sun­gen der ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tel oder Schu­he zu berück­sich­ti­gen. Wenn ent­we­der am Schuh oder an der Orthe­se eine Soh­len- oder Fer­sen­er­hö­hung vor­han­den ist, so ist es wich­tig, dies bei der Mar­ker­plat­zie­rung zu berück­sich­ti­gen. Abbil­dung 5a zeigt am lin­ken Schuh im Ver­gleich zum rech­ten Schuh eine Schuh­soh­len­er­hö­hung von 3,7 cm. Die Fuß­soh­le im Schuh ist damit 3,7 cm wei­ter vom Boden ent­fernt. Für die­ses spe­zi­fi­sche Fall­bei­spiel wer­den die Fuß­mar­ker, die bei die­sem Modell die Fuß­soh­le und nicht die Schuh­soh­le dar­stel­len sol­len, eben­falls um 3,7 cm erhöht; ähn­lich bei einer Fer­sen­er­hö­hung von 7,5 cm an der Orthe­se in Abbil­dung 5b. Um die Fuß­soh­le durch Mar­ker dar­zu­stel­len, wird der Fer­sen­mar­ker (Sym­bo­li­sie­rung des Fer­sen­beins) so auf der Orthe­se plat­ziert, dass des­sen Erhö­hung mit­tels der glei­chen Distanz wie­der­ge­ge­ben wird. In den resul­tie­ren­den kine­ma­ti­schen Gang­kur­ven (Abb. 6) ist dann sowohl bar­fuß als auch mit Orthe­sen und Schu­hen eine Fuß­stel­lung in Plan­t­ar­fle­xi­on wäh­rend des gesam­ten Gang­zy­klus wahrzunehmen.

Fol­gen­de drei wei­te­re Punk­te sind bei der kine­ma­ti­schen Daten­auf­nah­me mit Bein­orthe­sen und/oder Schu­hen zusätz­lich zu berücksichtigen:

  1. Falls Mar­ker auf Stoff oder Klei­dung geklebt wer­den müs­sen, die die Haut bede­cken (z. B. ein Pati­ent mit nied­ri­gen Stra­ßen­schu­hen und Socken), so ist es emp­feh­lens­wert, zunächst den Stoff (z. B. Socken) an der Mar­ker­po­si­ti­on mit dop­pel­sei­ti­gem Kle­be­band auf der Haut zu befes­ti­gen. In einem nächs­ten Schritt kann dann der Mar­ker auf den fixier­ten Stoff (Socken) geklebt wer­den. Auf die­se Wei­se kön­nen wei­test­ge­hend die Bewe­gun­gen des Stoffs und somit des Mar­kers rela­tiv zur Haut eli­mi­niert werden.
  2. Falls ein Pati­ent Schu­he mit reflek­tie­ren­dem Mate­ri­al trägt (wie bei Sport­schu­hen, aber auch bei Kin­der­schu­hen und Sta­bil­schu­hen heu­te all­ge­mein üblich), müs­sen die­se Tei­le abge­deckt wer­den, z. B. mit Krepp­band, um Refle­xio­nen und Mar­ker­ver­tau­schun­gen bei der Auf­nah­me zu vermeiden.
  3. Für bestimm­te bio­me­cha­ni­sche Model­le wer­den kli­ni­sche Mess­wer­te benö­tigt, die hel­fen, die Gelenk­mit­tel­punk­te zu berech­nen, etwa beim weit ver­brei­te­ten Plug-in-Gait-Modell, bei dem die Knö­chel­brei­te zur Bestim­mung des Sprung­ge­lenk­mit­tel­punkts gemes­sen wird 3. Falls Schu­he oder Orthe­sen die Fuß­knö­chel ver­de­cken, wer­den die Mar­ker anstatt auf der Haut auf den Schu­hen oder Orthe­sen befes­tigt. In die­sen Fall muss die Knö­chel­brei­te neu ermit­telt werden.

Feh­ler­quel­len in der Kinetik

Die Gang­ki­ne­tik ver­bin­det die mit einer Kraft­mess­plat­te ermit­tel­ten Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te und die mit dem opti­schen Sys­tem („moti­on cap­tu­re“) gewon­ne­nen kine­ma­ti­schen Daten der Bewe­gung. Auf­grund einer bekann­ten Kine­ma­tik der ein­zel­nen als starr ange­nom­me­nen Kör­per­seg­men­te kann man unter der Annah­me bekann­ter Mas­sen und Mas­sen­träg­heits­mo­men­te mit­tels der inver­sen Dyna­mik die Momen­te zwi­schen den Kör­per­seg­men­ten berech­nen. Die­se Mas­sen­träg­heits­mo­men­te und die Mas­sen­ver­tei­lung in Bezug auf die Dreh­ach­se ver­än­dern sich jedoch durch das zusätz­li­che Gewicht der Orthe­se und/oder des Schuhs. Sowohl bei der kli­ni­schen Gang­ana­ly­se als auch in der Wis­sen­schaft ist es all­ge­mein akzep­tiert, bei einem Ver­gleich zwi­schen Bar­fuß­ge­hen und Gehen mit Orthe­sen und Schu­hen kei­ne Anpas­sung der anthro­po­me­tri­schen Daten des Fuß- oder/und Unter­schen­kel­seg­ments vor­zu­neh­men. Die­se Ent­schei­dung ist sicher­lich gerecht­fer­tigt, wie die Stu­die von Dil­lon et al. zeigt 4. In der Stand­pha­se gibt es kaum Unter­schie­de in den Moment- und Leis­tungs­da­ten mit und ohne Orthe­se, weil das Eigen­ge­wicht von Fuß und Orthese/Schuh sowie der ver­än­der­te Seg­ment­schwer­punkt und das Träg­heits­mo­ment im Ver­gleich zur Boden­re­ak­ti­ons­kraft sehr klein sind 5. In der Schwung­pha­se sind jedoch Ände­run­gen der kine­ti­schen Daten in Knie und Hüf­te zwi­schen Bar­fuß­ge­hen und Gehen mit Orthe­sen vor­han­den, da hier die gro­ßen exter­nen Kräf­te der Boden­re­ak­ti­ons­kraft fehlen.

Sons­ti­ge Fehlerquellen

Die häu­figs­ten Feh­ler­quel­len beim Ver­gleich einer Gang­ana­ly­se mit Orthe­sen und/oder Schu­hen mit dem Bar­fuß­ge­hen lie­gen wie dar­ge­stellt in den Berech­nun­gen der Kine­ma­tik zur Bestim­mung der Mit­tel­punk­te und Bewe­gungs­ach­sen­sys­te­me der Gelen­ke. Doch es gibt noch wei­te­re Unter­schie­de in den Daten­auf­nah­men zwi­schen Bar­fuß­ge­hen und Gehen mit Bein­orthe­sen. Mit­tels einer Ober­flä­chen-Elek­tro­myo­gra­phie lässt sich die Akti­vi­tät eini­ger Mus­keln der unte­ren Extre­mi­tä­ten bestim­men. Die­se Mus­keln, wie der M. tibia­lis ante­rior, der M. pero­neus lon­gus, der M. sole­us oder der M. gas­tro­c­ne­mi­us, kön­nen dabei durch eine Unter­schen­kel­orthe­se ver­deckt sein. Eine Elek­tro­den­plat­zie­rung unter der Orthe­se ist jedoch in der Regel nicht mög­lich, und somit gibt es kei­nen Ver­gleich zwi­schen dem Gehen mit und ohne Orthe­se. Ein wei­te­rer wich­ti­ger Punkt betrifft die Gang­ge­schwin­dig­keit: Man­che Pati­en­ten haben beim Gehen mit Orthe­sen und Schu­hen eine höhe­re Gang­ge­schwin­dig­keit, wodurch wie­der­um die kine­ma­ti­schen, kine­ti­schen und elek­tro­myo­gra­phi­schen Daten beein­flusst wer­den 6 7 8.

Kli­nik ver­sus Wissenschaft

Die instru­men­tel­le drei­di­men­sio­na­le Gang­ana­ly­se ist vie­ler­orts eine kli­ni­sche Unter­su­chungs­me­tho­de, die rou­ti­ne­mä­ßig durch­ge­führt wird. Die beschrie­be­nen Feh­ler­quel­len, Ein­schrän­kun­gen und Anpas­sun­gen für eine Gang­ana­ly­se mit Orthe­sen und/oder Schu­hen im Ver­gleich zu einer Bar­fuß-Ana­ly­se gel­ten gene­rell sowohl für die kli­ni­sche als auch für die wis­sen­schaft­li­che Gang­ana­ly­se. Aller­dings wird bei wis­sen­schaft­li­chen Fra­ge­stel­lun­gen bezüg­lich der Aus­wir­kun­gen von Orthe­sen und/oder Schu­hen auf die Gang­bio­me­cha­nik häu­fig mehr Auf­wand betrie­ben. So wer­den z. B. spe­zi­el­le Orthe­sen für wis­sen­schaft­li­che Zwe­cke ent­wi­ckelt 9. Auch wer­den Löcher in die Schu­he geschnit­ten, um die Fuß­mar­ker mög­lichst direkt auf der Haut plat­zie­ren 10 und somit die Kine­ma­tik mög­lichst genau mes­sen zu können.

Fazit

Die Bio­me­cha­nik des Gehens mit Orthe­sen und/oder Schu­hen kann durch eine instru­men­tel­le drei­di­men­sio­na­le mar­ker­ba­sier­te Gang­ana­ly­se ermit­telt wer­den. Dabei sind gewis­se Über­le­gun­gen zu berück­sich­ti­gen: Mar­ker auf den Orthe­sen und/oder Schu­hen anstatt direkt auf der Haut füh­ren zu Feh­lern in der Kine­ma­tik. Wei­ter kann die Unge­wiss­heit über Fuß­stel­lung und Fuß­be­we­gung in der Orthe­se respek­ti­ve im Schuh zu unrea­lis­ti­schen Daten füh­ren. Wo Orthe­sen die Haut bede­cken, kann von den Mus­keln kei­ne Elek­tro­myo­gra­phie abge­lei­tet wer­den, und das Akti­vi­täts­mus­ter bestimm­ter Mus­keln fehlt. Zudem muss berück­sich­tigt wer­den, dass reflek­tie­ren­de Stel­len am Schuh abge­deckt wer­den, um Refle­xio­nen und Mar­ker­ver­tau­schun­gen bei der Auf­nah­me zu ver­mei­den. Wich­tig ist auch zu wis­sen, dass die Gang­ge­schwin­dig­keit mit Orthe­sen und/oder Schu­hen im Ver­gleich zum Bar­fuß­ge­hen ver­än­dert sein kann, wodurch bestimm­te Gang­pa­ra­me­ter beein­flusst wer­den. Aller­dings kann fest­ge­stellt wer­den, dass das Gewicht der Orthe­se und/oder des Schuhs sowie der geän­der­te Seg­ment­mas­sen­schwer­punkt für die Kine­tik in der Stand­pha­se ver­nach­läs­sigt wer­den können.

Die Autorin:
Dr. Jac­que­line Romkes
Labor für Bewegungsuntersuchungen
Uni­ver­si­täts-Kin­der­spi­tal bei­der Basel
CH-4031 Basel
j.romkes@unibas.ch

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Rom­kes J. Berück­sich­ti­gung von Orthe­sen und/oder Schu­hen bei der Gang­ana­ly­se. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (12): 1–5

 

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