Mess­tech­nik im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag am Bei­spiel eines iner­tia­len Messsystems

J. Martin, C. Ullrich, M. Joch
Im orthopädietechnischen Alltag – sei es im Sanitätshaus oder in der Klinik – wird die Messung objektiver biomechanischer Kennwerte zunehmend wichtiger: Zum einen spielen kinematische und kinetische Messgrößen beim Aufbau und bei der Einstellung von Prothesen und Orthesen eine wichtige Rolle, zum anderen werden sie immer mehr zum festen Bestandteil der Erstattungsargumentation gegenüber Kostenträgern. Dabei ergänzen die Messwerte die visuellen Bewertungen von Technikerinnen und Technikern bzw. Therapeutinnen und Therapeuten sowie die Einschätzungen von Patientinnen und Patienten im Versorgungsprozess. Angesichts des zunehmenden Stellenwerts biomechanischer Parameter ist es nicht verwunderlich, dass in orthopädietechnischen Einrichtungen verstärkt Messtechnik zum Einsatz kommt. Je nach dem Zweck der Messungen werden dabei unterschiedliche Messtechnologien eingesetzt: Das Spektrum reicht von Kameras über Kraftmessplatten und Beschleunigungssensoren bis hin zu Scannern, die die Körperform von Patienten millimetergenau erfassen. Vor allem Kraft- und Druckmesssysteme liefern Informationen, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Aber auch kamera- und sensorbasierte Messsysteme, die die Veränderung der Position im Raum messen, bieten einen essenziellen Mehrwert gegenüber dem menschlichen Auge, da sie kleinste Bewegungen in alle drei Raumrichtungen gleichzeitig erfassen können. Dieser Artikel vermittelt einen Überblick über die am weitesten verbreiteten Messtechnologien und diskutiert, in welchen Situationen sie den Versorgungsprozess sinnvoll unterstützen können. Zudem wird im zweiten Teil des Artikels ein konkretes Anwendungsszenario am Beispiel eines inertialen Messsystems zur Ganganalyse beschrieben.

Ein­lei­tung

Auf dem Feld der Ortho­pä­die­tech­nik exis­tiert im Kon­text der Bewe­gungs­ana­ly­se eine gro­ße Zahl von Mess­sys­te­men, die auf unter­schied­li­chen Tech­no­lo­gien beru­hen. Die­se Sys­te­me unter­schei­den sich vor allem in Bezug auf Mess­ge­nau­ig­keit, Orts­ge­bun­den­heit, Mess­auf­wand, Auf­wand für die Daten­ver­ar­bei­tung und Anschaf­fungs­preis. Zur Beur­tei­lung von deren Anwend­bar­keit im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag wer­den im Fol­gen­den ver­schie­de­ne gän­gi­ge Tech­no­lo­gien betrach­tet. Dazu zählen:

Anzei­ge
  • Video­ana­ly­se
  • 3D-Kame­ra­sys­te­me
  • Kraft- und Druckmessplatten
  • Iner­tia­le Mess­ein­hei­ten (IMUs)

Video­ana­ly­se

Eine klas­si­sche Video­ana­ly­se wird mit­tels einer oder meh­re­rer Video­ka­me­ras durch­ge­führt. Die Kame­ras sind in die­sem Fall nicht zuein­an­der kali­briert, sodass ihre unter­schied­li­chen Blick­win­kel ein­zeln bewer­tet wer­den müs­sen. Her­kömm­li­che Video­ka­me­ras zeich­nen mit einer Mess­fre­quenz von etwa 30 Bil­dern pro Sekun­de auf; in der Video­ana­ly­se wer­den häu­fig auch High-Speed-Kame­ras mit Mess­fre­quen­zen von etwa 100 Bil­dern pro Sekun­de ein­ge­setzt 1. Je nach Objek­tiv ent­ste­hen bestimm­te räum­li­che Anfor­de­run­gen an die Mess­um­ge­bung. So soll­te eine ortho­go­nal zur Bewe­gungs­rich­tung des Pati­en­ten aus­ge­rich­te­te Kame­ra meist eini­ge Meter ent­fernt ste­hen, um meh­re­re Schrit­te erfas­sen zu kön­nen. Nach der Auf­nah­me der Vide­os wer­den die­se in der Regel von geschul­tem Fach­per­so­nal aus­ge­wer­tet. Auf die­se Wei­se wer­den Para­me­ter wie Gang­pha­sen, Bewe­gun­gen der Seg­men­te oder Gelenk­win­kel qua­li­ta­tiv bewer­tet 2.

Eine Annä­he­rung der Quan­ti­fi­zie­rung von Gang­pha­sen kann zudem durch unter­stüt­zen­de Soft­ware vor­ge­nom­men wer­den, mit der das Video zu bestimm­ten Zeit­punk­ten pau­siert wer­den kann, um Gang-Events zu mar­kie­ren. Eben­falls ist es mög­lich – je nach Soft­ware manu­ell oder auto­ma­ti­siert –, Gelenk­zen­tren zu detek­tie­ren 3. Dies ermög­licht eine Abschät­zung von Gelenk­win­keln. Klas­si­sche Video­ana­ly­se-Sys­te­me bie­ten bereits gro­ße Vor­tei­le gegen­über einer ein­fa­chen visu­el­len Bewer­tung von Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten, jedoch soll­ten gewis­se Limi­ta­tio­nen dabei nicht außer Acht gelas­sen wer­den. Eine sol­che ist etwa die sub­jek­ti­ve Natur und die Abhän­gig­keit von der unter­su­chen­den Per­son 4. Die­ser Aspekt ist immer dann rele­vant, wenn kei­ne auto­ma­ti­sier­te Detek­ti­on (wie oben genannt) genutzt wird und somit nicht gesi­chert ist, dass unab­hän­gig von der unter­su­chen­den Per­son das glei­che Ergeb­nis erzielt wer­den wür­de. Bei einem auto­ma­ti­sier­ten Track­ing der Gelenk­zen­tren ist ein sol­cher Ein­fluss irrelevant.

Eine wei­te­re Limi­ta­ti­on der klas­si­schen Video­ana­ly­se ist der Man­gel an Tie­fen­in­for­ma­ti­on der Vide­os: In vie­len Auf­bau­ten wird eine Kame­ra in Bewe­gungs­rich­tung der Pro­ban­den und eine wei­te­re Kame­ra ortho­go­nal zur Bewe­gungs­rich­tung auf­ge­baut 5. Für die Ana­ly­se wird dann ange­nom­men, dass die Ebe­nen der Kame­ras mit der Fron­tal­ebe­ne und der Sagit­tal­ebe­ne der Test­per­so­nen über­ein­stim­men, was in der Pra­xis jedoch sel­ten der Fall ist. Dies betrifft bei­spiels­wei­se die Betrach­tung der Ever­si­on des Rück­fu­ßes bei einer Außen­ro­ta­ti­on des Fußes, wie es bei den meis­ten Men­schen zum Zeit­punkt des initia­len Boden­kon­tak­tes der Fall ist. Da aller­dings durch solch ein Kame­ra-Set­up die Infor­ma­ti­on über den Grad der Außen­ro­ta­ti­on fehlt, kann nur eine unge­naue Aus­sa­ge über die Rück­fuß-Ever­si­on getrof­fen wer­den. Ähn­lich ver­hält es sich in Bezug auf Gelenk­win­kel und ande­re Para­me­ter: Im Gang fin­det beim gesun­den Men­schen ein Groß­teil der Gelenk­be­we­gung in der Sagit­tal­ebe­ne statt. Bei einer Video­ana­ly­se deckt sich die­se Ebe­ne häu­fig mit der ortho­go­nal zur Bewe­gung auf­ge­stell­ten Kame­ra. Test­per­so­nen mit vari­ie­ren­den Gang­mus­tern wie etwa ver­mehr­ter Hüft­in­nen­ro­ta­ti­on wei­sen jedoch häu­fig eine Abwei­chung der Bewe­gun­gen gegen­über die­ser Ebe­ne auf 6. Die hier­durch her­vor­ge­ru­fe­nen Unge­nau­ig­kei­ten der Mess­pa­ra­me­ter soll­ten bei der Bewer­tung die­ser Pro­ban­den mit Hil­fe der klas­si­schen Video­ana­ly­se berück­sich­tigt werden.

3D-Kame­ra­sys­te­me

Drei­di­men­sio­na­le (3D-)Kamerasysteme wer­den als der Gold­stan­dard in der Bio­me­cha­nik ange­se­hen 7. Sie bestehen meist aus meh­re­ren – in der Regel etwa acht bis zwölf – sta­tio­när plat­zier­ten Infra­rot­ka­me­ras, die mit Farb­ka­me­ras kom­bi­niert wer­den kön­nen. Die Infor­ma­tio­nen der Kame­ras wer­den je nach Her­stel­ler über ver­schie­de­ne Hard­ware­kom­po­nen­ten an einen dedi­zier­ten Mess­com­pu­ter wei­ter­ge­lei­tet. Nach einem Kali­bra­ti­ons­pro­zess ist die Posi­ti­on der Kame­ras im drei­di­men­sio­na­len Raum bekannt. Somit kann durch die Kom­bi­na­ti­on ihrer Infor­ma­tio­nen die Posi­ti­on soge­nann­ter Mar­ker bestimmt wer­den. Die­se Mar­ker kön­nen je nach Sys­tem retro­re­flek­tie­ren­de Kugeln, die das von den Kame­ras emit­tier­te Infra­rot­licht zurück­wer­fen, oder LEDs sein. Um die Bewe­gun­gen der Pro­ban­den zu erfas­sen, wer­den Mar­ker an bestimm­ten ana­to­mi­schen Land­mar­ken posi­tio­niert. Nach­dem die gewünsch­te Bewe­gung im Auf­nah­me­vo­lu­men der Kame­ras durch­ge­führt wur­de, erfolgt eine Nach­be­rei­tung der Posi­ti­ons­da­ten der Mar­ker, um mög­li­che Lücken oder Fehl­de­tek­tio­nen zu besei­ti­gen. Anschlie­ßend wer­den die Daten der Mar­ker in bio­me­cha­ni­schen Com­pu­ter­mo­del­len kom­bi­niert, die Infor­ma­tio­nen wie etwa Seg­ment­ori­en­tie­rung und ‑posi­ti­on oder Gelenk­win­kel berech­nen. 3D-Kame­ra­sys­te­me zeich­nen sich je nach Auf­bau meist durch eine Genau­ig­keit der Posi­ti­ons­be­stim­mung eines ein­zel­nen Mar­kers im Mil­li­me­ter­be­reich aus, wes­halb sol­che Sys­te­me vor allem im Bereich der Bewe­gungs­wis­sen­schaf­ten ein­ge­setzt wer­den 8.

Bei der Inter­pre­ta­ti­on der Daten soll­te aller­dings beach­tet wer­den, dass ein gewis­ser sub­jek­ti­ver Ein­fluss bei der Mar­ker­plat­zie­rung nicht aus­ge­schlos­sen wer­den kann, der sich auf nach­ge­hen­de Berech­nun­gen wie zum Bei­spiel die der Gelenk­win­kel aus­wirkt. Des­halb sowie auf­grund der kom­ple­xen Hand­ha­bung und ggf. auf­wen­di­gen Nach­be­rei­tung wird meist geschul­tes Per­so­nal mit viel Erfah­rung benö­tigt, um bei Mess­pro­zes­sen mit 3D-Kame­ra­sys­te­men rele­van­te und vali­de Daten zu erhal­ten. Im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag ist dies durch­aus ein rele­van­ter Fak­tor, da dort der Fokus meist auf der Exper­ti­se bezüg­lich der Ver­sor­gung liegt und daher eine mög­lichst ein­fa­che Hand­ha­bung der Mess­sys­te­me gewünscht ist. Zudem bleibt häu­fig wenig Zeit für zusätz­li­che auf­wen­di­ge Aus­wer­tun­gen, wäh­rend die Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten ver­sorgt wer­den sol­len. Nicht zu ver­nach­läs­si­gen sind schließ­lich die Kos­ten für die Anschaf­fung sol­cher Sys­te­me, die häu­fig einen sechs­stel­li­gen Euro-Betrag errei­chen 9 10.

Eine wei­te­re Limi­ta­ti­on drei­di­men­sio­na­ler Kame­ra­sys­te­me ist die Gebun­den­heit an einen Ort und die Anfor­de­run­gen an die­sen. In den meis­ten Fäl­len soll­te ein sol­ches Sys­tem fest in einem dedi­zier­ten Raum instal­liert sein. Denn zur Auf­zeich­nung einer Gangstre­cke von meh­re­ren Metern wird ein ent­spre­chend gro­ßes Raum­vo­lu­men benö­tigt, um genü­gend Schrit­te erfas­sen zu kön­nen. Ist ein Sys­tem ein­mal auf­ge­baut und kali­briert, führt die Ver­schie­bung einer Kame­ra zu gro­ßen Mess­ab­wei­chun­gen. Wei­ter­hin kön­nen die Licht­ver­hält­nis­se die Daten­qua­li­tät nega­tiv beein­flus­sen. Alter­na­tiv zu mar­ker­ba­sier­ten, drei­di­men­sio­na­len Kame­ra­sys­te­men exis­tie­ren auch mark­erlo­se Sys­te­me, die ana­to­mi­sche Land­mar­ken mit­tels Algo­rith­mik bestim­men. Dadurch ist das Anbrin­gen der Mar­ker an den Kör­per und die Nach­be­ar­bei­tung nicht nötig. Ein Nach­teil sol­cher Kame­ra­sys­te­me ist neben der gerin­ge­ren Mess­ge­nau­ig­keit 11 auch der höhe­re Rechen­auf­wand des Sys­tems, der durch die erfor­der­li­che Kom­bi­na­ti­on der Bild­da­ten zu erklä­ren ist 12.

Kraft- und Druckmessplatten

In Kom­bi­na­ti­on mit drei­di­men­sio­na­len Kame­ra­sys­te­men wer­den häu­fig Kraft­mess­plat­ten zur Mes­sung der Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te ver­wen­det. Die­se nut­zen vor­wie­gend pie­zo­elek­tri­sche Sen­so­ren oder Deh­nungs­mess­strei­fen. Somit kön­nen die drei­di­men­sio­na­len Kräf­te, die auf die Plat­te ein­wir­ken, auf­ge­zeich­net wer­den. In Kom­bi­na­ti­on mit Posi­ti­ons­da­ten eines drei­di­men­sio­na­len Kame­ra­sys­tems kön­nen die Kräf­te und Dreh­mo­men­te, die auf ver­schie­de­ne Kör­per­tei­le wir­ken, berech­net wer­den. Zur Opti­mie­rung der Mess­qua­li­tät sind Kraft­mess­plat­ten häu­fig in den Boden ein­ge­las­sen und fest in einer vibra­ti­ons­ar­men Umge­bung ver­baut. Aus die­sem Grund eig­nen sie sich nicht für den por­ta­blen Gebrauch.

Im Gegen­satz zu dyna­mi­schen Mes­sun­gen kön­nen Kraft­mess­plat­ten auch für eine sta­ti­sche Beur­tei­lung des Ste­hens genutzt wer­den. In die­sem Fall ist meist der Kraft­an­griffs­punkt in Rela­ti­on zum Kör­per­schwer­punkt, bestimm­ten Seg­men­ten oder Pro­the­sen von Inter­es­se. Ein sol­ches Sys­tem stellt das „3D‑L.A.S.A.R‑Posture“ der Fir­ma Otto­bock dar, das im Unter­schied zu ande­ren häu­fig genutz­ten Kraft­mess­plat­ten por­ta­bel ist. Eben­falls sind Druck­mess­plat­ten – je nach Grö­ße – häu­fig por­ta­bel. Sie mes­sen den in ver­ti­ka­ler Rich­tung ein­wir­ken­den Druck mit einer von der gewünsch­ten Auf­lö­sung abhän­gi­gen Anzahl an Druck­sen­so­ren (oft meh­re­re pro Qua­drat­zen­ti­me­ter). Somit ist eine Beur­tei­lung des Drucks unter den ver­schie­de­nen Seg­men­ten des Fußes mög­lich, wor­auf bei­spiels­wei­se der Auf­bau einer Ein­la­ge basie­ren kann. Eine Ablei­tung drei­di­men­sio­na­ler Kräf­te und/oder Dreh­mo­men­te, die auf ver­schie­de­ne Kör­per­seg­men­te ein­wir­ken, ist mit Druck­mess­plat­ten dage­gen nicht möglich.

Iner­tia­le Mess­ein­hei­ten (IMUs)

Eine Alter­na­ti­ve zu den zuvor genann­ten Sys­te­men bie­ten auf soge­nann­ten Iner­ti­al­sen­so­ren (engl. „iner­ti­al mea­su­re­ment unit“, kurz IMU) basie­ren­de Sys­te­me. Moder­ne Iner­ti­al­sen­so­ren bestehen aus drei­ach­si­gen Gyro­sko­pen, Beschleu­ni­gungs­mes­sern und häu­fig Magne­to­me­tern 13. Durch die Fusi­on der ein­zel­nen Sen­sor­ty­pen kann bei­spiels­wei­se die Ori­en­tie­rung des Sen­sors im Raum abge­schätzt wer­den. Eine ein­zel­ne Iner­ti­al­sen­sor-Ein­heit ist meist deut­lich klei­ner als eine Streich­holz­schach­tel. Für den Ein­satz in der Bewe­gungs­ana­ly­se wer­den Iner­ti­al­sen­so­ren an den zu betrach­ten­den Seg­men­ten ange­bracht, um deren Bewe­gun­gen zu erfas­sen. Durch Kom­bi­na­ti­on der Bewe­gungs­da­ten ein­zel­ner Seg­men­te kön­nen nach einer Auf­nah­me – bei­spiels­wei­se über bio­me­cha­ni­sche Model­le – Gelenk­win­kel, Beschleu­ni­gun­gen und wei­te­re Para­me­ter berech­net werden.

Ein grund­le­gen­der Unter­schied in der Mess­tech­nik von Iner­ti­al­sen­so­ren gegen­über Kame­ra­sys­te­men ist die Mess­grö­ße: Wäh­rend Kame­ra­sys­te­me eine Posi­ti­on bestim­men und Grö­ßen wie Win­kel, Geschwin­dig­kei­ten und Beschleu­ni­gun­gen davon abge­lei­tet wer­den, mes­sen Iner­ti­al­sen­so­ren die Ände­rung des Bewe­gungs­zu­stan­des durch Beschleu­ni­gung und Win­kel­ge­schwin­dig­keit  14. Das hat zur Kon­se­quenz, dass die unter­schied­li­chen Mess­sys­te­me in ver­schie­de­nen Para­me­tern eine höhe­re Genau­ig­keit auf­wei­sen. So wer­den Beschleu­ni­gun­gen und Win­kel­ge­schwin­dig­kei­ten von Iner­ti­al­sen­so­ren genau­er bestimmt, wäh­rend abso­lu­te Posi­tio­nen von Kame­ra­sys­te­men genau­er erfasst wer­den kön­nen: Durch das Anbrin­gen von Mar­kern an ana­to­mi­schen Land­mar­ken im Fal­le eines 3D-Kame­ra­sys­tems lässt sich die Bewe­gung des mensch­li­chen Ske­letts annä­hern, wobei aller­dings immer eine gewis­se Abwei­chung zwi­schen Rea­li­tät und Mess­grö­ße bleibt. Die­se Mög­lich­keit besteht bei einem Iner­ti­al­sen­sor-Sys­tem nicht: Da ein unbe­kann­ter Off­set zwi­schen Kno­chen und Iner­ti­al­sen­sor eines jewei­li­gen Seg­ments besteht, wird häu­fig eine Refe­renz­po­si­ti­on mit bekann­ten Gelenk­stel­lun­gen ein­ge­nom­men, um die­sen Off­set zu bestim­men. Dies kann bei­spiels­wei­se über eine Stand­re­fe­renz in Neu­tral-Null-Stel­lung oder eine Sitz­re­fe­renz mit 90° Beu­gung von Hüft- und Knie­ge­len­ken in der Sagit­tal­ebe­ne rea­li­siert werden.

Die Berech­nung von Distan­zen mit­tels Iner­ti­al­sen­so­ren ist für kli­ni­sche Appli­ka­tio­nen nach aktu­el­lem Stand der Wis­sen­schaft nicht mit aus­rei­chen­der Genau­ig­keit mög­lich. Die Abwei­chung einer sol­chen Berech­nung wür­de in vie­len Fäl­len die zu detek­tie­ren­de Ände­rung über­schrei­ten. Die Schritt­län­ge ist ein häu­fi­ger Indi­ka­tor für eine Viel­zahl von Gang­mus­tern. Trotz der Fort­schrit­te im Bereich der Schritt­län­gen­schät­zung mit­tels Iner­ti­al­sen­so­ren ist die erreich­te Mess­ge­nau­ig­keit für vie­le Fra­ge­stel­lun­gen noch nicht aus­rei­chend 15. Bei­spiels­wei­se wur­de im Zuge von Unter­su­chun­gen über die Abnah­me der Schritt­län­ge im hohen Alter eine jähr­li­che Abnah­me der Schritt­län­ge von 1 bis 2 cm fest­ge­stellt 16. Die­se liegt unter dem zu erwar­ten­den Feh­ler der Schritt­län­gen­be­stim­mung mit­tels Iner­ti­al­sen­so­ren. Ist die Mess­ge­nau­ig­keit nied­ri­ger als die zu mes­sen­de Abnah­me, kann die­se nicht vali­de detek­tiert wer­den. Somit ist die Vali­di­tät der Bestim­mung von Para­me­tern wie der Schritt­län­ge für kli­ni­sche Anwen­dun­gen mit­tels Iner­ti­al­sen­so­ren zum jet­zi­gen Zeit­punkt nicht gegeben.

Im Bereich der Bio­me­cha­nik zeig­te sich in den letz­ten Jah­ren ein immer grö­ßer wer­den­des Inter­es­se an Iner­ti­al­sen­so­ren 17, das sich durch den tech­no­lo­gi­schen Fort­schritt auf die­sem Gebiet begrün­den lässt. So konn­ten Grö­ße und Kos­ten der Ein­hei­ten gesenkt wer­den 18, was einen por­ta­blen und viel­sei­ti­gen Ein­satz eines Sys­tems ermög­licht. Dies ist des­halb von gro­ßer Bedeu­tung, da Labor­um­ge­bun­gen nach wis­sen­schaft­li­chen Erkennt­nis­sen psy­cho­lo­gi­sche Aus­wir­kun­gen auf die Pro­ban­den haben kön­nen 19 20, was die Gene­ra­li­sie­rung der Ergeb­nis­se beein­träch­ti­gen kann. In der prak­ti­schen Anwen­dung kön­nen somit also nicht nur stand­ort­ab­hän­gi­ge Ana­ly­sen in Pra­xen und Sani­täts­häu­sern durch­ge­führt wer­den, son­dern die Sys­te­me auch in häus­li­cher Umge­bung der Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten genutzt wer­den. Der Vor­teil eines por­ta­blen Iner­ti­al­sen­sor-Sys­tems liegt für ortho­pä­die­tech­ni­sche Häu­ser also vor allem dar­in, dass weder gro­ße finan­zi­el­le noch räum­li­che Kapa­zi­tä­ten benö­tigt wer­den, um es nut­zen zu kön­nen. So kann die Daten­auf­nah­me eines Gang­bil­des zum Bei­spiel in Flu­ren oder ande­ren Räum­lich­kei­ten durch­ge­führt wer­den, ohne dafür eine spe­zi­el­le Labor­um­ge­bung zu schaffen.

Ein­satz­bei­spiel von IMUs im Sanitätshaus

Ver­sor­gun­gen – vor allem im höhe­ren Preis­seg­ment – waren und sind immer wie­der Anlass für lang­wie­ri­ge Ver­fah­ren bei Kos­ten­trä­gern, bei denen es aus Sicht der ver­schie­de­nen Par­tei­en um die Fra­ge geht, ob die jewei­li­gen Kos­ten für eine Ver­sor­gung gerecht­fer­tigt sind oder nicht. Natur­ge­mäß ent­ste­hen dabei häu­fig ver­här­te­te Fron­ten zwi­schen Kran­ken­kas­sen auf der einen und Ver­si­cher­ten, Ärz­tin­nen und Ärz­ten sowie Fach­leu­ten aus den Sani­täts­häu­sern auf der ande­ren Sei­te. So kommt es nicht sel­ten zu teils mona­te­lan­gen Pro­zes­sen. Am Ende geht dies vor allem zu Las­ten der Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten, die dadurch wert­vol­le Zeit ver­lie­ren, inner­halb derer sie die Ver­sor­gung längst benö­ti­gen. Dies lässt sich deut­lich am Bei­spiel der Funk­tio­nel­len Elek­tro­sti­mu­la­ti­on (FES) für das Gehen auf­zei­gen: Vor eini­gen Jah­ren noch zur Gän­ze abge­lehnt, sind Kos­ten­trä­ger mehr und mehr sowohl auf den unmit­tel­ba­ren als auch auf den lang­fris­ti­gen Nut­zen einer sol­chen Ver­sor­gung auf­merk­sam gewor­den. Der Wunsch sei­tens der Kran­ken­kas­sen nach objek­ti­vier­ba­ren Nach­wei­sen für den Nut­zen im kon­kre­ten Ein­zel­fall wird dabei aller­dings immer stär­ker – vor allem im Hin­blick auf den stei­gen­den Kos­ten­druck, bedingt durch immer schnel­le­re tech­ni­sche Ent­wick­lun­gen und damit zum Teil ein­her­ge­hen­de höhe­re Kos­ten. Um die­sem wach­sen­den und durch­aus legi­ti­men Inter­es­se der Kos­ten­trä­ger an objek­ti­ven Bele­gen nach­zu­kom­men, ent­schei­den sich immer mehr Sani­täts­häu­ser dafür, in gege­be­nen Fäl­len eine Gang­ana­ly­se durch­zu­füh­ren. Doch wel­che Mess­tech­no­lo­gie lässt sich im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag am bes­ten inte­grie­ren? 3D-Kame­ra­sys­te­me gel­ten zwar als Gold­stan­dard und sind in der bewe­gungs­wis­sen­schaft­li­chen For­schung weit ver­brei­tet, aller­dings ist der Zeit­auf­wand für die Vor­be­rei­tung der Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten sowie für die nach­fol­gen­de Daten­aus­wer­tung meist nicht mit einem eng getak­te­ten Tages­ge­schäft ver­ein­bar. Aus die­sen Grün­den fin­den immer öfter IMU-Gang­ana­ly­se­sys­te­me ihren Weg ins Sanitätshaus.

Das Sys­tem „Bio­nic Pro“ (Otto­bock) als typi­scher Ver­tre­ter von IMU-Mess­sys­te­men ermög­licht es, in kur­zer Zeit die rele­van­ten Gang­pa­ra­me­ter zu ermit­teln, die für die objek­ti­ve Beur­tei­lung einer FES-Ver­sor­gung bei neu­ro­lo­gi­schen Gang­bil­dern not­wen­dig sind. Durch die tech­ni­sche Umset­zung mit IMU-Sen­so­ren ver­fügt das „Bionic-Pro“-System über eine aus­rei­chen­de Genau­ig­keit im Ver­gleich zu drei­di­men­sio­na­len kame­ra­ba­sier­ten Gang­ana­ly­se­sys­te­men und bie­tet gleich­zei­tig den Vor­teil, dass Zeit­rah­men und Auf­wand für Mes­sung und Aus­wer­tung ungleich nied­ri­ger gehal­ten wer­den können.

Kon­kret wer­den im Fall einer benö­tig­ten Doku­men­ta­ti­on der FES-Ver­sor­gung – ähn­lich dem Pro­ze­de­re in einem Gang­la­bor – zwei Set­tings bei den Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten mit­ein­an­der ver­gli­chen: Es fin­det eine Mes­sung ohne Ver­sor­gung und eine mit Ver­sor­gung statt, wodurch man die erreich­te Ver­än­de­rung des Gang­bilds doku­men­tie­ren kann. Wei­ter­hin kön­nen Mes­sun­gen auch als Ver­laufs­mes­sun­gen über meh­re­re Mess­zeit­punk­te hin­weg erfasst wer­den. Die Ver­än­de­rung des Gangs über einen defi­nier­ten Zeit­raum kann zusätz­li­che Erkennt­nis­se über The­ra­pie­er­fol­ge oder die Gewöh­nung von Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten an ihre Hilfs­mit­tel liefern.

Bei der Aus­wer­tung der Mes­sun­gen kon­zen­triert man sich meist auf weni­ge vari­ie­ren­de Kern­pa­ra­me­ter, unter ande­rem etwa auf das Sprung­ge­lenk und das Knie­ge­lenk, dabei spe­zi­ell auf den Bewe­gungs­ver­lauf die­ser Gelen­ke im Ver­lauf des Gang­zy­klus. Kon­kret kann zum Bei­spiel doku­men­tiert wer­den, dass die Mus­ku­la­tur durch die akti­ve Sti­mu­la­ti­on das Knie wie­der stär­ker sta­bi­li­siert, was Fol­ge­schä­den vor­beu­gen kann. Bei der Betrach­tung des Sprung­ge­lenks wie­der­um kann gege­be­nen­falls ein wie­der­her­ge­stell­tes akti­ves Abroll­ver­hal­ten doku­men­tiert wer­den, das auf eine ver­bes­ser­te Gang­dy­na­mik hin­deu­tet. Dies kann im Ein­zel­fall dann bedeu­ten, dass beim Gehen weni­ger Ermü­dung auf­tritt und somit wie­der wei­te­re Stre­cken im All­tag zurück­ge­legt wer­den können.

Eine erhöh­te Mobi­li­tät ist ein maß­geb­li­ches Argu­ment für eine Ver­sor­gung. Nach­fol­gend wird anhand eines kon­kre­ten Bei­spiels gezeigt, wie sich das Ana­ly­se­er­geb­nis eines IMU-Mess­sys­tems (in die­sem Fall „Bio­nic Pro“ von der Fir­ma Otto­bock) im FES-Ver­sor­gungs­pro­zess dar­stellt und inwie­fern die Ergeb­nis­se die Argu­men­ta­ti­on für eine Kos­ten­er­stat­tung unter­stüt­zen kön­nen. Wich­tig zu beach­ten ist dabei, dass sich die nach­fol­gend gezo­ge­nen Schluss­fol­ge­run­gen von Pati­ent zu Pati­ent unter­schei­den kön­nen und dass daher kein Anspruch auf All­ge­mein­gül­tig­keit besteht.

Bei­spiel­haft zeigt Abbil­dung 1 einen Ver­gleich zwi­schen zwei Mes­sun­gen: die eine mit Funk­tio­nel­ler Elek­tro­sti­mu­la­ti­on (FES; „Bio­ness L300 Go“), die ande­re ohne Ver­sor­gung. Dar­ge­stellt ist der Unter­schied des Fuß-Boden-Win­kels wäh­rend „initi­al cont­act“ bei einer Ver­gleichs­mes­sung im Gehen mit (grün) und ohne FES (blau). Beim betrof­fe­nen lin­ken Vor­fuß konn­te mit FES eine stär­ker aus­ge­präg­te Dor­sal­ex­ten­si­on (+ 42 %) und somit eine bes­se­re Anhe­bung des Fußes gemes­sen wer­den. Dies führt in den fol­gen­den Gang­pha­sen zu einem bes­se­ren Abrol­len, und die Wer­te nähern sich sicht­lich denen des rech­ten – nicht betrof­fe­nen – Vor­fu­ßes an. Durch das ver­bes­ser­te Abroll­ver­hal­ten des Fußes kann die natür­li­che Stoß­dämp­fungs­funk­ti­on in „loa­ding respon­se“ bes­ser rea­li­siert wer­den. Dies führt unmit­tel­bar zu einer Ent­las­tung der betei­lig­ten Struk­tu­ren und beugt Fol­ge­schä­den vor. Zusätz­lich zum Fuß-Boden-Win­kel sind in Abbil­dung 2 die Knie­ge­lenk­pa­ra­me­ter der­sel­ben Mes­sun­gen dar­ge­stellt. Sowohl bei „initi­al cont­act“ als auch über die Stand­pha­se konn­te mit der FES-Ver­sor­gung eine stär­ke­re Knief­le­xi­on erreicht wer­den, was einen phy­sio­lo­gi­sche­ren Ablauf kenn­zeich­net und das Knie sta­bi­li­siert. Zusätz­lich konn­te die Hyper­ex­ten­si­on in der Stand­pha­se im unver­sorg­ten Zustand deut­lich redu­ziert wer­den. In der fol­gen­den Schwung­pha­se zeigt sich bei der Mes­sung mit FES-Ver­sor­gung eine grö­ße­re Knief­le­xi­on. Ins­ge­samt nähert sich der Knie­win­kel­ver­lauf über den gesam­ten Gang­zy­klus den Norm­wer­ten einer phy­sio­lo­gi­schen Kohor­te an. Die­se Mess­wer­te machen ins­ge­samt deut­lich, dass bei den bei­den vor­lie­gen­den Mes­sun­gen die FES-Ver­sor­gung zu einer star­ken Ver­bes­se­rung des Gang­bil­des führt.

Neben dem Ver­gleich mit dem unver­sorg­ten Zustand sind Ver­gleichs­mes­sun­gen mit ver­schie­de­nen Hilfs­mit­teln tech­nisch mög­lich und kön­nen die Aus­wir­kun­gen der jewei­li­gen Hilfs­mit­tel auf die Kine­ma­tik des Gangs quan­ti­fi­zie­ren. Dabei ist aller­dings zu beach­ten, dass nicht jeder Ver­gleich von Hilfs­mit­teln auf­grund der unter­schied­li­chen Wirk­wei­sen sinn­voll ist. Beim Ver­gleich von Hilfs­mit­teln ist stets dar­auf zu ach­ten, dass eine Ver­gleich­bar­keit aus the­ra­peu­ti­scher Sicht auch tat­säch­lich gege­ben ist. In dem hier dar­ge­stell­ten Anwen­dungs­fall stellt die FES-Ver­sor­gung einen akti­ven Funk­ti­ons­er­satz für die Mus­kel- und Ner­ven­an­steue­rung dar, was etwa im Gegen­satz zu einer orthe­ti­schen Ver­sor­gung (Hilfs­mit­tel) zusätz­lich auch im neu­ro­lo­gi­schen Bereich für reha­bi­li­ta­ti­ve Effek­te sorgt. Da die medi­zi­ni­sche Ent­schei­dung pro/contra FES von ärzt­li­cher bzw. the­ra­peu­ti­scher Sei­te meist schon vor­ab anhand ande­rer Indi­ka­to­ren getrof­fen wird, dient die mobi­le Gang­ana­ly­se in der Regel also in ers­ter Linie zur Doku­men­ta­ti­on und objek­ti­ven Bestä­ti­gung des Nut­zens die­ser Ver­sor­gung. Als einer von meh­re­ren Bau­stei­nen der Argu­men­ta­ti­on soll sie in Zukunft stan­dard­mä­ßig die rasche­re Abwick­lung von Ver­fah­ren bei Kos­ten­trä­gern unterstützen.

Fazit

Zusam­men­fas­send ist fest­zu­stel­len, dass Mess­tech­no­lo­gie an den unter­schied­lichs­ten Stel­len im Ver­sor­gungs­pro­zess unter­stüt­zend wirk­sam sein kann. Dabei reicht das Anwen­dungs­spek­trum von der Ver­laufs­do­ku­men­ta­ti­on von z. B. The­ra­pie­pro­zes­sen bis hin zur Unter­stüt­zung bei der Opti­mie­rung des Hilfs­mit­tel­auf­baus. 3D-Kame­ra­sys­te­me, Video­me­trie und IMU-Mess­sys­te­me kon­zen­trie­ren sich auf kine­ma­ti­sche Eigen­schaf­ten des Gangs. Dabei hat jedes der vor­ge­stell­ten Sys­te­me Vor- und Nach­tei­le, sodass man stets die am bes­ten pas­sen­de Tech­no­lo­gie für den eige­nen Anwen­dungs­fall ermit­teln soll­te. Den größ­ten Erkennt­nis­ge­winn erlangt man ver­mut­lich durch eine 3D-Gang­ana­ly­se in Kom­bi­na­ti­on mit Kraft­mess­plat­ten­da­ten, da sich dar­aus neben den kine­ma­ti­schen Daten auch Kräf­te und Gelenk­mo­men­te ablei­ten las­sen. Für die kine­ma­ti­sche Gang­ana­ly­se im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag in der Pati­en­ten­ver­sor­gung haben IMU-Sys­te­me jedoch auf­grund ihrer leich­ten und zeit­ef­fi­zi­en­ten Hand­ha­bung deut­li­che Vor­tei­le gegen­über 3D-Kame­ra­sys­te­men. Gleich­zei­tig bie­ten sie eine aus­rei­chend hohe Genau­ig­keit, um wesent­li­che Gang­pa­ra­me­ter vali­de und relia­bel zu berech­nen. Zudem ste­hen Iner­ti­al­sen­sor­sys­te­me im aktu­el­len Fokus der bio­me­cha­ni­schen Wis­sen­schaft und wer­den daher einer stän­di­gen Wei­ter­ent­wick­lung und Ver­bes­se­rung unter­zo­gen. Nicht zuletzt daher bie­ten sie eine zukunfts­ori­en­tier­te Lösung für die Bewe­gungs­ana­ly­se im ortho­pä­die­tech­ni­schen Alltag.

Inter­es­sen­kon­flikt

Der Haupt­au­tor ist als Tech­ni­cal Solu­ti­on Mana­ger bei der Otto­bock SE & Co. KGaA in Duder­stadt tätig.

Für die Autoren:
Dr. Micha­el Joch
Tech­ni­cal Solu­ti­on Manager
Bio­nic Analytics
Otto­bock SE & Co. KGaA
Max-Näder-Stra­ße 15
37115 Duder­stadt
michael.joch@ottobock.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Mar­tin J, Ull­rich C, Joch M. Mess­tech­nik im ortho­pä­die­tech­ni­schen All­tag am Bei­spiel eines iner­tia­len Mess­sys­tems. Ortho­pä­die Tech­nik, 2021; 72 (12): 40–45
  1. Miche­li­ni A et al. Two-dimen­sio­nal video gait ana­ly­sis: A sys­te­ma­tic review of relia­bi­li­ty, vali­di­ty, and best prac­ti­ce con­side­ra­ti­ons. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2020; 44 (4): 189–191
  2. Miche­li­ni A et al. Two-dimen­sio­nal video gait ana­ly­sis: A sys­te­ma­tic review of relia­bi­li­ty, vali­di­ty, and best prac­ti­ce con­side­ra­ti­ons. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2020; 44 (4): 189–191
  3. Miche­li­ni A et al. Two-dimen­sio­nal video gait ana­ly­sis: A sys­te­ma­tic review of relia­bi­li­ty, vali­di­ty, and best prac­ti­ce con­side­ra­ti­ons. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2020; 44 (4): 189–191
  4. Miche­li­ni A et al. Two-dimen­sio­nal video gait ana­ly­sis: A sys­te­ma­tic review of relia­bi­li­ty, vali­di­ty, and best prac­ti­ce con­side­ra­ti­ons. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2020; 44 (4): 189–191
  5. Grunt S et al. Repro­du­ci­bi­li­ty and vali­di­ty of video screen mea­su­re­ments of gait in child­ren with spas­tic cere­bral pal­sy. Gait & Pos­tu­re, 2010; 31 (4): 489–494
  6. Grunt S et al. Repro­du­ci­bi­li­ty and vali­di­ty of video screen mea­su­re­ments of gait in child­ren with spas­tic cere­bral pal­sy. Gait & Pos­tu­re, 2010; 31 (4): 489–494
  7. van der Kruk E, Rei­j­ne MM. Accu­ra­cy of human moti­on cap­tu­re sys­tems for sport appli­ca­ti­ons; sta­te-of-the-art review. Euro­pean Jour­nal of Sport Sci­ence, 2018; 18 (6): 806–819
  8. van der Kruk E, Rei­j­ne MM. Accu­ra­cy of human moti­on cap­tu­re sys­tems for sport appli­ca­ti­ons; sta­te-of-the-art review. Euro­pean Jour­nal of Sport Sci­ence, 2018; 18 (6): 806–819
  9. Ancil­lao Aet al. Indi­rect Mea­su­re­ment of Ground Reac­tion Forces and Moments by Means of Weara­ble Iner­ti­al Sen­sors: A Sys­te­ma­tic Review. Sen­sors (Basel), 2018; 18 (8): 2564
  10. Dorsch­ky E et al. Esti­ma­ti­on of gait kine­ma­tics and kine­tics from iner­ti­al sen­sor data using opti­mal con­trol of mus­cu­los­ke­le­tal models. Jour­nal of Bio­me­cha­nics, 2019; 95: 109278
  11. Kan­ko RM. Vali­da­ti­on of a Mark­erless Moti­on Cap­tu­re Sys­tem for Human Move­ment Ana­ly­sis. Dis­ser­ta­ti­on, Queen’s Uni­ver­si­ty, King­s­ton (Onta­rio, Cana­da), 2020. http://hdl.handle.net/1974/28019 (Zugriff am 28.10.2021)
  12. Kan­ko RM, Laen­de EK, Davis EM, Sel­bie WS, Delu­zio KJ. Con­cur­rent assess­ment of gait kine­ma­tics using mar­ker-based and mark­erless moti­on cap­tu­re. J Bio­mech, 2021; 127: 110665. doi:10.1016/j.jbiomech.2021.110665
  13. Nor­ha­fizan A et al. Reviews on Various Iner­ti­al Mea­su­re­ment Unit (IMU) Sen­sor Appli­ca­ti­ons. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Signal Pro­ces­sing Sys­tems, 2013; 1 (2): 256–262
  14. Filip­pe­schi A et al. Sur­vey of moti­on track­ing methods based on iner­ti­al sen­sors: A focus on upper limb human moti­on. Sen­sors, 2017; 17 (6): 1257
  15. Hann­ink J et al. Mobi­le Stri­de Length Esti­ma­ti­on With Deep Con­vo­lu­tio­nal Neu­ral Net­works. IEEE Jour­nal of Bio­me­di­cal and Health Infor­ma­tics, 2018; 22 (2): 354–362
  16. Holl­mann JH et al. Nor­ma­ti­ve spa­tio­tem­po­ral gait para­me­ters in older adults. Gait & Pos­tu­re, 2011; 34 (1): 111–118
  17. Cal­das R et al. A sys­te­ma­tic review of gait ana­ly­sis methods based on iner­ti­al sen­sors and adap­ti­ve algo­rith­ms. Gait & Pos­tu­re, 2017; 57: 204–210
  18. Marin F et al. Iner­ti­al mea­su­re­ment unit in bio­me­cha­nics and sports bio­me­cha­nics: Past, pre­sent, future. Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on Bio­me­cha­nics of Sports, ISBS-Con­fe­rence Pro­cee­dings Archi­ve, 2015. https://ojs.ub.uni-konstanz.de/cpa/article/view/6698/6053 (Zugriff am 28.10.2021)
  19. Cut­ti AG et al. „Out­walk“: a pro­to­col for cli­ni­cal gait ana­ly­sis based on iner­ti­al and magne­tic sen­sors. Med Biol Eng Com­put, 2010; 48 (1): 17–25
  20. van den Noort J et al. Gait ana­ly­sis in child­ren with cere­bral pal­sy via iner­ti­al and magne­tic sen­sors. Med Biol Eng Com­put, 2012; 51 (4): 377–386
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