Die Bewegungsanalyse wird in Klinik, Forschung und Sport häufig eingesetzt, um die Gelenkfunktion zu beurteilen, Bewegungseinschränkungen zu erkennen und Rehabilitation und Training zu optimieren.
Die 2D-Videoanalyse ist ein beliebtes, zeiteffizientes und leicht zugängliches Werkzeug. Bei all diesen Vorteilen sollte man allerdings die Limitationen und Unterschiede, insbesondere im Vergleich zu 3D-Systemen wie der IMU-basierten Bewegungsanalyse, kennen.

Der grundlegende Unterschied zwischen 2D- und 3D-Systemen

2D-Videoanalyse:

In einem 2D-System wird die Bewegung aus einer festen Kameraperspektive erfasst – in der Regel in der Sagittal- oder Frontalebene. Die MR-Software verfolgt hierbei automatisch die Gelenkpositionen und -winkel. Da bei diesem Ansatz eine dreidimensionale Bewegung auf eine einzige Ebene reduziert wird, fehlen ihm naturgemäß Tiefeninformationen und Rotationsdaten.

3D-IMU-basierte Bewegungsanalyse:

Im Gegensatz dazu messen 3D-Inertialsensoren (IMUs) Bewegungen in allen drei Ebenen, indem sie die Winkelgeschwindigkeit und lineare Beschleunigung über mehrere Körpersegmente hinweg verfolgen. IMUs berechnen Gelenkwinkel anhand der Ausrichtung eines Segments relativ zu einem anderen (z. B. der Unterschenkel relativ zum Oberschenkel). Diese Berechnungen basieren auf anatomischen Koordinatensystemen – nicht auf Kameraperspektiven – und liefern eine anatomisch valide Darstellung der Gelenkkinematik.

Häufige Fehlinterpretationen bei der 2D-Analyse

Die visuelle Einfachheit der 2D-Analyse ist gleichzeitig ihre größte Limitation. Da sie sich auf eine einzige Kameraansicht stützt, gehen Tiefe und Rotation verloren, und Gelenkwinkel können stark verzerrt dargestellt werden – wir nennen dies ‚Perspektivfehler‘.

In der Praxis bedeutet dies:

Die Innen- oder Außenrotation der Hüfte ist in einem Video in der Frontalebene möglicherweise nicht sichtbar.

Ein Schulterblatt kann von der Seite betrachtet geflügelt erscheinen, von oben betrachtet jedoch völlig neutral sein.

Was wie ein Knievalgus aussieht, kann eine Kombination aus Hüft- und Knöchelbewegung sein, die von vorne betrachtet nur wie ein Knieproblem aussieht.

Ohne dreidimensionale Segmentdaten sind visuelle Beurteilungen anfällig für Fehlinterpretationen. Dabei gilt: Je stärker die tatsächliche Kameraposition von der optimalen Kameraposition abweicht, desto stärker ist der Perspektivfehler.

Da die Kameras beim 2D-Tracking Bewegungen aus einem einzigen festen Winkel aufnehmen, können seitliche oder rotatorische Bewegungen, die sich in die Ebene hinein oder aus ihr heraus bewegen, übertrieben oder minimiert erscheinen. So lassen sich beispielsweise Hüft-, Knie- und Sprunggelenksbewegungen gut in der Sagittalebene betrachten und analysieren, während z.B. Rotationsbewegungen des Knies besser über ein 3D-System abgebildet werden können.

Ideale Kamerapositionierung für 2D-Analyse:

• Rechtwinklig zur Bewegungsebene mit Proband in Bildmitte
• So nah wie möglich bei gleichzeitiger Sichtbarkeit des kompletten Körpers
  • Handlauf reduzieren wenn möglich
  • Proband von Kopf bis Fuß sichtbar
• Hüfthöhe
• Ausrichtung in Waage (nicht gekippt)

Im folgenden Bild werden die Auswirkungen einer nur leicht suboptimalen Kamerapositionierung deutlich:

Darstellung suboptimale Kamerapositionierung (links) im Vergleich zur optimalen Positionierung (rechts)

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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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Der 10-Meter-Walk Test (10MWT) ist ein einfaches, leicht anzuwendendes Verfahren zur Beurteilung der funktionellen Mobilität, des Gangbilds und der vestibulären Funktion. Dabei wird die Gehgeschwindigkeit einer Patientin bzw. eines Patienten über eine kurze Distanz gemessen.

Vorbereitung

Erforderliche Noraxon-Hardware

• 3 IMU-Sensoren (platziert am linken Fuß, rechten Fuß und an der oberen Wirbelsäule)
• Kamera (optional)

Erforderliche Zusatzmaterialien

• Maßband
• Klebeband oder andere Markierungsgegenstände zur Abgrenzung einer 10-Meter-Gehstrecke

Testaufbau

• Wählen Sie eine freie Gehstrecke von mindestens 10 Metern Länge (32,8 Fuß) in einem geeigneten Bereich mit festem Bodenbelag aus.
• Messen und markieren Sie die Start- und Endpunkte der 10-Meter-Strecke.
• Bringen Sie zusätzliche Markierungen bei 2 Metern und 8 Metern an, um den zentralen Abschnitt von 6 Metern für die Testauswertung zu kennzeichnen.

Noraxon Setup

Schritt 1: Platzieren Sie drei Ultium Motion-Sensoren an den folgenden Körpersegmenten:

• obere Wirbelsäule
• linker Fuß
• rechter Fuß

Weitere Informationen zur Einrichtung der Sensoren finden Sie im 🔗 Ultium Motion Getting Started Guide im Abschnitt Hardware Setup, bevor Sie mit dem Test fortfahren.

Schritt 2: Falls erforderlich, aktivieren Sie die Kalibrationsmodi für fortgeschrittene Nutzer im Software Setup.

Erweiterte Kalibrierungsmodi aktivieren

Schritt 3: Erstellen Sie eine „neue Person” (New Subject) oder wählen Sie eine „bestehende Person” aus der Liste aus.

Schritt 4: Wählen Sie die Mobility Applikation sowie das 10-Meter Walk Test Protocol aus.

Hinweis: Falls gewünscht, klicken Sie auf Konfiguration, wenn das 10-Meter Walk Test Protocol ausgewählt ist, um zu überprüfen, ob die Konfiguration die Sensoren an der oberen Wirbelsäule, am linken Fuß und am rechten Fuß enthält.

Klicken Sie auf MESSEN im HOME-Bildschirm oder im Konfigurations-Bildschirm, um das Protokoll zu starten.

Kalibration

Schritt 1: Wählen Sie den Multipose Kalibration Modus aus und klicken Sie anschließend auf AKTIVIEREN.

Schritt 2: Folgen Sie dem Kalibrierungsassistenten, um die Multipose-Kalibrierung durchzuführen. Der Patient sollte die Kalibrierung am 0-m-Markierungspunkt (Startlinie) durchführen.

• Standpose: Stehen Sie mit nach vorne gerichteten Füßen und gerader Wirbelsäule. (Der Patient muss etwa 5–7 Sekunden vollkommen stillstehen.)
• Verbeugungspose: Beugen Sie sich etwa 30 Grad nach vorne aus der Hüfte (Oberer Rücken neigt sich um ca. 30°).
• Linkes Bein Pose: Setzen Sie die linke Ferse auf den Boden und führen Sie eine Plantarflexion des linken Fußes um etwa 30 Grad aus.
• Rechtes Bein Pose: Setzen Sie die rechte Ferse auf den Boden und führen Sie eine Plantarflexion des rechten Fußes um etwa 30 Grad aus.
• Standpose: Stehen Sie erneut mit nach vorne gerichteten Füßen und gerader Wirbelsäule.

Schritt 3: Nach Abschluss der Kalibrierung wählen Sie Speichern & Messung wiederholen und klicken anschließend auf AKTIVIEREN, um die Kalibrierung anzuwenden und mit der Aufnahme fortzufahren.

Aufzeichnung des 10-Meter-Walk Test (Timed Walk Test)

• Wenn der Patient bereit ist, klicken Sie auf AUFZEICHNEN.
• Erfassen Sie eine Return to Ref Pose in MR, während der Patient am 0-m-Markierungspunkt (Startlinie) stillsteht.
• Geben Sie dem Patienten die Anweisung, den 10MWT entsprechend den mündlichen Instruktionen durchzuführen wie nachfolgend beschrieben.
• Erfassen Sie nach Abschluss des Gehens eine Return to Ref Pose in MR, während der Patient am 10-m-Markierungspunkt stillsteht.

Instruktionen für den Timed Walk

• Der Patient startet an der 0-m-Markierung (Startlinie), an der die Kalibrierung durchgeführt wurde.
• Bei Gehgeschwindigkeit nach eigenem Komfort:
  „Gehen Sie in Ihrem eigenen, angenehmen Tempo und halten Sie am gegenüberliegenden Markierungspunkt an.“
• Bei schneller Gehgeschwindigkeit:
  „Gehen Sie so schnell wie möglich, jedoch sicher, und halten Sie am gegenüberliegenden Markierungspunkt an.“

Hinweis:
Wenn der Patient Unterstützung benötigt, sollte nur die minimal erforderliche Hilfe gegeben werden, um die Aufgabe zu bewältigen. Der dokumentierte Unterstützungsgrad sollte den höchsten während des Tests benötigten Unterstützungsgrad widerspiegeln.

• Beispiel: Wenn der Patient die meiste Zeit minimale Unterstützung benötigt, aber einmal mittlere Unterstützung für die Stabilität braucht, wird der Patient mit mittlerer Unterstützung bewertet.
• Unterstützung darf nur zur Verhinderung eines Sturzes oder Zusammenbruchs gegeben werden, nicht für den Schwung der Gliedmaßen oder um den Patienten nach vorne zu bewegen.

Erstellung des 10-Meter-Walk Test Reports (10MWT Report)

• Klicken Sie auf REPORT, um einen 10MWT-Report zu erstellen.
• Informationen zum Hinzufügen, Entfernen oder Anpassen der im Report enthaltenen Parameter finden Sie im untenstehenden Video.

Verfügbare Parameter im 10-Meter-Walk Test Report (Timed Walk Report):

Übersicht

• Gehgeschwindigkeit (Walk Speed, m/s)
• Gehzeit (Walk Time, s)
• Kadenz (Cadence, Schritte/min)

Zeitliche Parameter

• Schrittdauer (Stride, s)
• Standphase (Stance, s)
• Schwungphase (Swing, s)
• Einbeinstand (Single Support, s)
• Belastungsreaktion (Loading Response, s)

Koordination

• Standphase (% des Gangzyklus)
• Schwungphase (% des Gangzyklus)
• Einbeinstand (% des Gangzyklus)
• Belastungsreaktion (% des Gangzyklus)

Asymmetrie-Index

• Standphasenasymmetrie (% Stance Asymmetry Index)
• Schwungphasenasymmetrie (% Swing Asymmetry Index)
• Einbeinstand-Asymmetrie (% Single Support Asymmetry Index)
• Belastungsreaktionsasymmetrie (% Loading Response Asymmetry Index)
• Fuß-Pitch bei Bodenkontakt Asymmetrie (% Foot Pitch at Contact Asymmetry Index)
• Fuß-Pitch beim Abstoßen Asymmetrie (% Foot Pitch at Toe Off Asymmetry Index)

Fußsegmentwinkel

• Fuß-Pitch bei Bodenkontakt (° Foot Pitch at Contact)
• Fuß-Pitch beim Abstoßen (° Foot Pitch at Toe Off)
• Maximale Fuß-Pitch-Geschwindigkeit (°/s Foot Pitch Speed Max)

Zusätzliche Funktionen

Vergleichen Sie Reporte, um den Fortschritt eines Patienten über die Zeit zu beurteilen.

Variationen & Häufige Fragen

F: Ich möchte dieselben Parameter wie im 10MWT-Bericht während einer Gehprobe messen, möchte aber nicht unbedingt das standardisierte 10MWT-Protokoll in MR durchführen. Kann ich dasselbe Protokoll verwenden, um so lange zu gehen, wie ich möchte, und trotzdem die enthaltenen Reporte und Parameter nutzen?

A: Ja! Der 10MWT-Bericht steht als Option zur Durchführung eines Timed Walk Tests mit 3 IMU-Sensoren in der MR-Software zur Verfügung, ist jedoch nicht das einzige durchführbare Protokoll. MR erkennt beliebig viele Gehabschnitte und Richtungswechsel, sodass das Protokoll für jede Gehstrecke genutzt werden kann, einschließlich individueller Geh- oder Gangtests. Stellen Sie sicher, dass der Report entsprechend den gewünschten Parametern des gewählten Testtyps angepasst wird.

F: Was, wenn ich keine 10 Meter freie Strecke für die Durchführung habe?

A: Es gibt Variationen des 10MWT, darunter den 5MWT, 🔗6MWT und 🔗T25FW. Klinische Empfehlungen beinhalten beim 5MWT einen „rollenden Start und Ziel“, um Beschleunigung und Abbremsen zu ermöglichen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der 5MWT nicht so umfassend validiert wurde wie der 10MWT und auch nicht für so viele gesundheitliche Bedingungen.

F: Kann der Patient während des Tests ein Hilfsmittel verwenden?

A: Ja. Es wird empfohlen, das Hilfsmittel zu dokumentieren und während verglichener Testdurchläufe konsistent zu verwenden.

Referenzen

Für weitere Informationen siehe die 10MWT-Anleitungen und FAQs im standardmäßigen klinischen 🔗 10MWT-Protokoll des Shirley Ryan Ability Lab.

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Die Bodenreaktionskraft ist die Summe aller Kräfte, die vom Boden auf den Körper übertragen werden. Sie wird aus allen Richtungen beeinflusst: vertikal, anterior-posterior und medio-lateral. Die Bodenreaktionskraft gibt Aufschluss über die Gesamtbelastung des menschlichen Körpers.

Während des Gangzyklus können die auftretenden Bodenreaktionskräfte mittels Druckmessplatte dargestellt werden. Das physiologische Muster der vertikalen Kräfte während der Standphase zeigt zwei Gipfel, welche von einem „Tal“ getrennt sind.

Zu Beginn der Standphase kommt es durch die Gewichtsübernahme beim Fersenaufsatz auf den Boden zu einem passiven ersten Peak. Der Körperschwerpunkt bewegt sich Richtung Boden und führt zu einer Beschleunigung des Körpergewichts. Danach erfolgt in der Midstance ein Anheben des Körperschwerpunktes, wenn der Körper über das Standbein nach vorne gebracht wird. Ein Krafttal entsteht, welches durch das Kraftmoment des kontralateralen, schwingenden Beines verstärkt wird, da das Standbein und somit die Druckmessplatte entlastet wird.

Der zweite Peak entsteht im Terminal Stance. Durch das Abrollen über den Vorfuß und das Abdrücken vom Boden kommt es zu einer bodenwärts gerichteten Beschleunigung und einem Absinken des Körperschwerpunktes.

Bei einer normalen Ganggeschwindigkeit liegt die Vertikalbelastung der Gipfel bei etwa 110% des Körpergewichts und im Tal bei etwa 80% des Körpergewichts.

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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.

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Während der Standphase des Gangzyklus gewährleisten die aktivierten Muskeln Stabilität und Stoßdämpfung. Die Hauptaufgabe der Muskulatur besteht darin, dass Drehmoment „abzufangen“. Um dies zu gewährleisten, müssen die unterschiedlichen Extensoren in einer ganz bestimmten Reihenfolge aktiviert werden.

Sobald der Fuß Bodenkontakt hat, erreicht die Kontraktion der eingelenkigen Extensoren (Mm. adductor magnus, gluteus maximus, pars inf.) des Hüftgelenks ein Maximum. Aufgrund ihrer Insertion am Femur wirken beide Muskeln am Hüft- wie Kniegelenk als Extensoren. Die Abduktoren des Hüftgelenks (Mm. Gluteus maximus, gluteus medius) reagieren auf das Absinken der kontralateralen Seite und werden aktiv.

Literatur: Ganganalyse; Norm und Pathologie des Gehens (Jacqueline Perry)

Velamed Ganganalyse Seminar:
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Velamed Gangposter:
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Mit Hilfe von Intertialsensoren oder Kamerasystemen ist es möglich, 3-D Winkel während des Gehens oder Laufens zu messen. Jedes Gelenk bewegt sich dabei von der jeweils definierten Neutralstellung (Null) in jeder seiner Bewegungsebenen in zwei Richtungen (+/-). Es wurde festgelegt, dass an der Hüfte die Flexion, Abduktion und die Innenrotation Positivbewegungen sind. Die Extension, Adduktion und Außenrotation sind Negativbewegungen. Beim Kniegelenk ist die Flexion ebenfalls die Positivbewegung (Perry 2003).

Sagittalwinkel Verlauf Hüfte-, Knie-, Sprunggelenk

Die Abbildung 1 zeigt die klassischen Kurvenverläufe des Hüft-, Knie- und Sprunggelenkes in der Sagittalebene während des Gehens. Zudem wird in allen drei Gelenken die rechte Seite mit der linken Seite verglichen (orange vs. blau). Aus mehreren Messungen können wir Softwareintern Normdaten erstellen und mit Einzelmessungen vergleichen.

Um die Interpretation der Kinematik Daten zu vereinfachen, arbeiten wir an einem speziellen Gangposter, auf dem wir „Orientierungskurven“ und spezifische Phasencharakteristika von EMG- und Kinematik Signalen darstellen.

Mehr zum Thema Ganganalyse in bewegten Bildern hier:

Der Beitrag Kinematik in der Ganganalyse erschien zuerst auf Velamed Medizintechnik.

Beim Gehen lässt sich Muskelarbeit reduzieren und folglich Energie sparen, indem der Körperschwerpunkt möglichst wenig aus der vorgesehenen Progressionsrichtung verlagert wird. Am energiesparendsten befördert man eine Last, indem man sie stets auf gleicher Höhe bewegt. Ein Energiesparender und ökonomischer Gang ist also durch möglichst geringe Lageveränderungen des Körperschwerpunktes gekennzeichnet. Den tiefsten Punkt nimmt der Körperschwerpunkt ein, wenn die Beine in den beiden bipedalen Standphasen schrittbreit aufgesetzt sind. In der mittleren Standphase wird der Körperschwerpunkt in seine höchste Position angehoben.

Verlauf des KSP in MR-Report (Range in mm)

Die Schwankungen des Körperschwerpunktes im Gang beträgt ca. 2 cm nach oben und unten. In unserem Bespiel schwankt der Körperschwerpunkt 3.5 cm nach oben und unten (vgl. Abbildung 1 Z).

Literatur: Ganganalyse; Norm und Pathologie des Gehens (Jacqueline Perry)

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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

Der Beitrag EMG Messungen in der Ganganalyse erschien zuerst auf Velamed Medizintechnik.