Dort werden Bewegungen mit 3D-Motion-Capture, Kraftmessplatten und EMG erfasst – also nicht nur wie sich jemand bewegt, sondern auch welche Kräfte wirken und wie die Muskulatur arbeitet. Das macht Unterschiede messbar, die im klinischen Alltag sonst leicht übersehen werden.

Das Spannende: Die Daten landen nicht nur in Publikationen, sondern direkt in der Versorgung – Diagnostik, Therapieplanung, Verlaufskontrolle.

Ein starkes Beispiel dafür, wie Biomechanik und Klinik wirklich zusammenfinden.

https://www.bg-kliniken.de/unfallklinik-frankfurt/fachbereiche/detail/bewegungsanalyselabor/

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Am Gesundheitscampus der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) Göttingen wurde vor kurzem das neue Labor fertiggestellt. Die Teilnehmenden berichten:

„Ein high-end Laufband mit integrierten Druckmessplatten unter dem Band, Videoüberwachung in zwei Ebenen, Markerless-Tracking Option, Bluetooth-fähige 4 EMG Kanäle und jede Menge Software, Kabel, Stecker, Buchsen und Gedöns! All das will verstanden und in die Anwendung gebracht werden, um das Skills Lab am GCG kreativ in das duale Therapiewissenschaftsstudium in Lehre, Forschung und transdisziplinäre Projekte zu integrieren. Genau dafür war eine Kollegin der Firma Velamed zwei Tage am Gesundheitscampus.
Es waren zwei knifflige und gleichzeitig sehr lehrreiche sowie spannende Tage – die Lernkurve ging steil nach oben, und an Kaffee hat es auch nicht gemangelt.

Neben dem Laufband gibt es noch Kraftmessplatten, Biofeedback mittels EMG und einen Isokineten und dadurch jede Menge spannende geräte-gestützte Analysemöglichkeiten für den menschlichen Bewegungsapparat. Auch wenn erste Schritte in der Anwendung gemacht sind – so steht ein DeepDive in die Möglichkeiten und Optionen der verschiedenen Gerätschaften zukünftig noch an!

Im kommenden Wintersemester wird es eine erste Theorie – Skills Lab – Praxis Transfermöglichkeit für die Physiotherapiestudierenden des 7ten Semesters geben – die Spannung steigt!“

(Henze/Richter, HAWK)

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Bei der klassischen isokinetischen Krafttestung (Kniegelenk) besteht ein Bewegungszyklus aus einer Extension und einer Flexion. Die Winkelgeschwindigkeit und die Arbeitsweise (Konzentrisch/Exzentrisch) können dabei variiert werden. Die Auswertung im Anschluss der Messung betrachtet sowohl die Extension als auch die Flexion und ermöglicht es, phasenspezifisch sowohl Kraft- als auch EMG-Werte zu analysieren. Dieses Vorgehen funktioniert sehr gut, solange die Arbeitsweise der Muskulatur konzentrisch ist und die Probanden Erfahrungen mit isokinetischen Krafttestungen haben.

Abbildung 1: Noraxon MR3 Isokinetik Reportbeispiel

Gerade im Leistungssport und im Return to Sports ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass es sehr sinnvoll ist, auch exzentrische Testungen durchzuführen. Um diese exzentrischen Testungen im Isokineten korrekt testen zu können, kann es sinnvoll sein, eine Testbatterie zu wählen, die sich auf nur eine Bewegungsrichtung/ Bewegungsaufgabe beschränkt.

Abbildung 2: Individualisierter Report (exzentrisch) in der Noraxon MR3 Software

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Standphase

Initial contact/ Loading response: Der Tibialis ant. zeigt eine hohe Aktivität. Die prätibiale Muskulatur arbeitet exzentrisch, um dem Plantarflexionsdrehmoment entgegenzuwirken und damit den „Aufprall“ des Fußes zu mindern. Zusätzlich wird die Tibia nach vorne bewegt.

Mid stance/ Terminal stance: Mit dem Aufsetzen des Fußes verringert sich die Aktivität im Tibialis ant.

Pre-swing: Nachdem sich das Sprunggelenk durch das Anheben der Ferse in einer Plantarflexion befindet, steigt am Ende dieser Phase zur Vorbereitung auf die bevorstehende Dorsalflexion die Aktivität des Tibialis ant. wieder an.

Schwungphase

Initial swing: Der Tibialis ant. arbeitet konzentrisch, um eine Dorsalflexion zu bewirken und damit das Anheben des Fußes zu ermöglichen.

Mid swing: Es besteht weiterhin eine konzentrische Aktivität, die den Fuß in eine Neutral-Null Position zieht. Anschließend verringert sich die Aktivität und wird isometrisch, um diese Position zu halten.

Terminal Swing: Es folgt eine Erhöhung der Aktivität, zur Vorbereitung der Muskulatur auf die bevorstehende hohe Belastung beim erneuten Bodenkontakt.

Velamed Ganganalyse Seminar:
velamed.com/seminare/ganganalyse

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Anatomisches Vermessungssystem

Die meisten Empfehlungen für Elektrodenpositionierungen (z.B. SENIAM) basieren auf einem Vermessungssystem, das sich an anatomisch dominanten oder leicht palpierbaren Bezugspunkten orientiert.

Für dynamische Studien ist es besonders wichtig, die Elektroden möglichst zentral so zu positionieren, dass sie auch nach Muskelverkürzung noch auf der aktiven Muskelmasse verbleiben. In einigen Fällen kann der Muskelbauch extrem unter den Elektroden wegwandern und es besteht die Gefahr, dass eine Elektrode von der aktiven Muskelmasse wegmigriert ist. Hiervon sind z. B. der M. biceps brachii und der M.vastus medialis betroffen. Ein anderer Aspekt betrifft die Verkürzung und Verlängerung der Haut selber. Dieses Problem betrifft zum Beispiel den M. rectus abdominis, M. erector spinae und den M. Trapezius par desc. Wenn Einzelelektroden benutzt werden, sollte auf vermehrten Interelektrodenabstand (z. B. 1 bis 2 cm) geachtet werden, damit die Elektroden sich bei Muskelverkürzung nicht „aufhebeln”.

Das umgekehrte Problem besteht im Fall von Doppelelektroden mit fixiertem Abstand: Aufgrund der Haut prolongation (besonders: M. erector spinae / Rumpfflexion) kommt es leicht zur Ablösung der Elektroden bei der Bewegung.

Poster EMG Ableitpunkte

Unsere aktuellen EMG-Seminare finden Sie hier: www.velamed.com/seminare

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Die EMG Aktivierung ist die zwingende Bedingung für aktive Kraftentfaltung am Muskel. Folgerichtig kann man eine sehr enge Beziehung zwischen beiden erwarten. In der Tat sind EMG- und Kraftparameter hoch korreliert, doch kann diese Beziehung je nach Muskel und Kontraktionsaufgabe signifikant variieren. Der klassische Fall ist eine kurvilineare Beziehung, bei der mit ansteigendem Kraftniveau überproportional mehr EMG benötigt wird.

In bestimmten Bedingungen mit statischer Anspannung, bei denen sowohl EMG als auch Kraft auf ihr Maximum normalisiert sind, tendieren kleinere Muskeln zu einer linearen Beziehung. Die Analyse solcher EMG-Kraftbeziehungen ist wichtig, wenn EMG die Drehmomentkalkulationen in biomechanischen Modellen zu assistieren hat. Unter mehr praktischen Gesichtspunkten kann man mit Sicherheit schlussfolgern, dass mit steigendem EMG automatisch die wirkenden Kräfte in und um ein Gelenk analog steigen.  Die EMG-Kraft-Relation kann dazu genutzt werden, den neuromuskulären Funktions- oder Trainingsstatus des Muskels zu ermitteln (Abb.). In statischen Kontraktionen mit konstant ansteigender Kraft (Ramping) zeigen trainierte Muskeln einen Rechtstrend in der Beziehung, untrainierte oder atrophische Muskeln zeigen dagegen einen Linkstrend.

In Abhängigkeit von Muskelkondition und Trainingsstatus kann das Verhältnis variieren. Trainierte Muskeln benötigen weniger EMG zur Erreichung eines vorgegebenen Kraftausstoßes als atrophische oder ermüdete Muskeln.
Quelle: EMG-Fibel (Konrad)

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Analyse der Frequenz

• Die mittlere Feuerungsrate, also die Ansprech-Rate des Muskels kann abgebildet werden
• Es wird angezeigt, wie häufig der Muskel über den Messzeitraum angesteuert („frequenziert“) wird
• Hier können Rückschlüsse auf die Muskelfasertypen geschlossen werden, die zur Entstehung des Signals beitragen

Analyse der Rekrutierung

• Die Rekrutierung, das Hinzuschalten weiterer Muskelfasern, verläuft gegenläufig zur Frequenzierung
• Im Zeitverlauf müssen weitere Muskelfasern hinzugeschaltet werden, um den Wegfall „aufgebrauchter“ Muskelfasern aufzufangen
• Je mehr Fasern wegfallen, desto mehr frische Fasern müssen hinzugenommen werden
• Dies wird im Anstieg der Kurve deutlich

RMS geglättetes Signal

→ Analyse der Rekrutierung

Rohsignal

→ Analyse der Frequenzierung

Relevanz:

• Die Höhe eines EMG Signals ist nicht pauschal „gut“ oder „schlecht“
• Niedriger Ausschlag im EMG kann für effizientes Arbeiten stehen („gut“)
  • ODER!!: Die Muskulatur kann nicht richtig angesteuert werden („schlecht“)
• Das EMG muss immer in den Kontext gesetzt werden von:
  • Verletzung
  • Ermüdung
  • Schmerz
  • Trainingszustand

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Um eine Ganganalyse durchführen zu können, ist es wichtig, Bewegungsphasen zu bestimmen. Jede Bewegungsphase ist durch einen eindeutigen Anfang und ein eindeutiges Ende gekennzeichnet. Diese Einteilung ermöglicht es, den Gang sehr differenziert und spezifisch zu betrachten.

Wir unterscheiden in unserer Software:

• Stance
• Swing
• Loading response
• Single support
• Pre-swing

Durch den Einsatz von Drucksohlen, speziellen Laufbändern, Kraftmessplatten oder Druckmessplatten können wir die oben dargestellten Phasen automatisiert erkennen. Wenn das EMG zeitsynchronisiert ist, kann das EMG Signal jetzt einer gezielten Phase des Ganges zugeordnet werden.

EMG mit Stand- und Schwungphase

Ohne die Verwendung eines weiteren Messsystems, können die EMG Signale der unterschiedlichen Gangphasen nur sehr unspezifisch untersucht werden.

EMG ohne Stand- und Schwungphase

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Die Roh-EMG-Aufzeichnung beinhaltet bereits sehr wichtige Informationen und dient als erste objektive Information und Dokumentation der Muskelinnervation. Die „Einschalt-/Ausschalt-“ und die „Mehr-/Weniger“-Charakteristik können bei geübtem Auge direkt erkannt werden. Sofern eine quantitative Datenanalyse angestrebt ist, wird in der Regel eine EMG-spezifische Signalverarbeitung angewendet. Der Root Mean Square (RMS) gilt derzeit als der standardmäßig empfohlene Glättungsalgorithmus für EMG-Signale.

Neben der einfacheren Amplitudenerkennung ist der Haupteffekt, dass die Standardamplitudenparameter wie Mittelwert, Maximum und Minimum sowie Integral berechnet werden können (bipolare Roh-Kurven haben einen Mittelwert/Integral von Null).

Abbildung 1: Rohsignal vs. RMS (Glättungsfester von 100 ms)

https://youtu.be/ovjDxVC0ScA

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Die Qualität einer EMG-Messung hängt sehr stark von einer korrekt durchgeführten Hautvorbereitung und Elektrodenpositionierung ab. Die generelle Strategie der Hautvorbereitung ist, einen stabilen Elektrodenkontakt und einen geringen Hautleitwiderstand (Impedanz bis/unter 50 KOhm)  zu erreichen. Normalerweise ist es nötig, die Haut zu reinigen, um zufriedenstellende Impedanzwerte zu erreichen. Es gibt keine verpflichtenden Regeln, und mehrere Methoden existieren, um eine gute Hautleitbedingung für EMG-Messungen zu erreichen.

https://www.youtube.com/watch?v=fOgJRh5ZVGE

Hautvorbereitungsmethoden

1. Haare entfernen

Die Haarentfernung ist für den sicheren Halt der Elektroden auf der Haut von Bedeutung, besonders unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit, vermehrter Schweißbildung und/oder dynamischer Bewegungen.

2. Reinigung der Haut

1. 1. Methode A (empfohlen)
      Spezielle abrasive Reinigungspasten entfernen tote Hautepithelien (produzieren den höchsten Widerstand) und reinigen die Haut von Verschmutzung und Schweiß.
      
   2. Methode B
      Alternativ kann sehr feines Sandpapier genutzt werden. Mit weichem, kontrolliertem Druck wird gerieben und anschließend mit Alkohol gereinigt.
      
   3. Methode C
      Alkohol wird in ein Baumwolltuch geträufelt und anschließend die Haut kräftig gerieben. Diese Methode für den klinischen Einsatz nahezulegen.

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