Laufanalyse. Möglichkeiten und Grenzen der Übertragbarkeit kinetischer und kinematischer Kriterien der beobachtenden Ganganalyse

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Darstellung der aktuellen Situation
1.2 Zielsetzung und Bedeutsamkeit

2. Ganganalyse
2.1 Geschichte der Ganganalyse
2.2 Konzepte und Standards in der Ganganalyse
2.3 Beobachtende Ganganalyse
2.4 Instrumentelle Ganganalyse
2.4.1 Kinematische Messsysteme
2.4.2 Kinetische Messsysteme
2.4.3 Messung von Muskelaktivität
2.4.4 Messung des Energieverbrauchs

3. Der Gang
3.1 Der Gang in der hypothetischen Norm
3.1.1 Normwerte im Gang
3.2 Verschiedene Nomenklaturen der Gangphasen
3.3. Die Gangphasen nach Perry
3.3.1 Initial contact, initiale Standphase
3.3.2 Loading response, Stoßdämpfungsphase
3.3.3 Mid stance, mittlere Standphase
3.3.4 Terminal stance, terminale Standphase
3.3.5 Pre-swing, Vorschwungphase
3.3.6 Initial swing, initiale Schwungphase
3.3.7 Mid swing, mittlere Schwungphase
3.3.8 Terminal swing, terminale Schwungphase
3.4 Kipphebelfunktionen
3.4.1 Die Heel rocker-Funktion
3.4.2 Die Ankle rocker-Funktion
3.4.3 Die Forefoot rocker-Funktion

4. Gangabweichungen - der pathologische Gang
4.1 Oberes Sprunggelenk
4.1.1 Übermäßige Plantarflexion des oberen Sprunggelenks
4.1.2 Übermäßige Dorsalextension des oberen Sprunggelenks
4.2 Funktionsstörungen des Fußes
4.2.1 Vorzeitiges Ablösen der Ferse
4.2.2 Verlängerter Fersenkontakt
4.2.3 Übermäßige Inversion
4.2.4. Übermäßige Eversion
4.3 Kniegelenk
4.3.1 Unzureichende Flexion
4.3.2 Übermäßige Flexion
4.3.3 Unzureichende Knieextension
4.3.4 Übermäßige Extension, Hyperextension, Extensorenschub
4.3.5 Schlottern
4.3.6 Varus- und Valgusabweichung
4.4 Das Hüftgelenk
4.4.1 Unzureichende Extension
4.4.2. Übermäßige Flexion
4.4.3 Übermäßige Adduktion
4.4.4 Übermäßige Abduktion
4.4.5 Rotation in der Transversalebene

5. Der Lauf
5.1 Phasen im Lauf und Nomenklaturen
5.1.1 vordere Stützphase
5.1.2 hintere Stützphase
5.1.3 hintere Schwungphase
5.1.4 vordere Schwungphase
5.2 Unterschiede des Laufschritts zum Gang

6. Diskussion
6.1 Ziele und Möglichkeiten der Laufanalyse
6.2 Möglichkeiten der Normierung des Laufs
6.3 Beobachtungskriterien in der Laufanalyse

7. Zusammenfassung und Konsequenzen

8. Ausblick auf weiterführende Forschung

9. Literaturverzeichnis

10. Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Vorwort

An dieser Stelle möchte ich denjenigen Personen meinen besonderen Dank aussprechen, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit maßgeblich unterstützt haben.

Herrn Prof. Dr. Hermann Schwameder möchte ich ganz herzlich für die wissenschaftliche Betreuung dieser Arbeit danken.

Mein weiterer Dank gilt meinen Eltern sowie Susanne Sotzek, die mir bei der Fertigstellung der Arbeit moralisch und beratend zur Seite standen.

Übersicht

Laufanalysen werden zu vielfältigen Zwecken und von unterschiedlichen Anbietern offeriert. Unklar ist, ob ein Beobachtungsschema, vergleichbar wie in der beobachtenden Ganganalyse nach Perry, das einen Abgleich mit einer hypothetischen Norm zulässt, Anwendung finden kann. Gegenstand dieser Literaturrecherche ist, gültige Beobachtungskriterien in der Laufanalyse zu sichten und zu diskutieren. Hierzu wird der Fragestellung nachgegangen, ob detaillierte Beschreibungen des Laufs existieren, die eine Bestimmung des normalen Laufs zulassen. Es wird untersucht, ob dem Laufen, ebenfalls wie dem Gang, verschiedene standardisierte Phasen zugeordnet werden können, Normwerte für Gelenkwinkel definiert sowie Bewegungsabläufe, Muskelaktivierungen und Drehmomentanforderungen beschrieben sind. Es zeigt sich, dass auch der Lauf, ebenso wie der Gang, als gut untersucht gelten kann, wenn auch Autoren unterschiedliche Terminologien in der Beschreibung des Laufschritts verwenden. Es fiel auf, dass der Lauf eine höhere Variabilität aufweist als der Gang, was die Bestimmung einer allgemeingültigen Norm für Gelenkwinkel in den jeweiligen Laufphasen schwierig erscheinen lässt. Speziell in der Sagitalebene variieren die Gelenkwinkel der unteren Extremität, je nach Geschwindigkeit, Laufstil und Trainingszustand des Läufers deutlich. Da durchschnittliche Normwerte für Gelenkwinkel nur geschwindigkeitsabhängig und unter Berücksichtigung der Varianten des initialen Bodenkontakts erhoben werden könnten, erscheint es in einer Laufanalyse sinnvoller, die funktionellen Ereignisse des Laufschritts zu beobachten. Übermäßige Bewegungen in der Frontal- und der Transversalebene im Sinne von Varisierung, Valgisierung und Rotation, gelten für Gang und Lauf gleichermaßen als Abweichungen. Es bedarf der weiteren Abklärung, ob deutliche Abweichungen im Lauf immer durch krankhafte Geschehen verursacht sind. So erscheint es zur Bestimmung von Pathologien vorerst empfehlenswert, begleitend zur Laufanalyse gleichfalls eine Ganganalyse durchzuführen.

Abstract

Analysis of running gait are carried out for several purposes and are offered by different suppliers. It´s not clear, if a scheme of observation in running exists, wich is compareable with the scheme of gaitobservation based on Perry, that allows a comparison with a hypothetical norm. Object of this review was to observe and discuss valid criteria of observation in running gait. In addition to this it was to consider the question if detailed discriptions of running cycle exist, that permit a definition of normal running gait. It will be inquired if in running, as well as in walking, different standardized phases can be attached, if standards of joint angles are defined and if motions, muscleactivities and torques are described. It could be shown that running and gait cycle are both well investigated, also when authors use different terminologys in describing the running gait. It was striking that running shows higher variability as walking, what seems to make a definition of a general norm of joint angles in the phases of running gait cycle more difficult. Especially in sagital plane the joint angles of lower extremity vary clearly in dependence of velocity, individual style of running and level of fitness. As average values of joint angles could only be determined in dependence of velocity and by consideration of variants of initial contact, it seems to be more efficient to investigate the functionell events in running cycle. Excessive movements in frontal- and transversal plane in sense of varization, valgization and rotation applys to running like to gait cycle as deviation. Future research should emphasize, if distinct deviations in running gait cycle are always caused through pathological events. For the time being it seems to be advisable to carry through a gait analysis in addition to an analysis of running to determine pathologys.

1. Einleitung

1.1 Darstellung der aktuellen Situation

Mit der in den letzten Jahren zunehmenden Begeisterung im Laufsport ist auch die Nachfrage an leistungsdiagnostischen, leistungssteigernden, präventiven und rehabilitativen Angeboten und Maßnahmen gewachsen. Eine neue sich schnell verbreitende Dienstleistung ist die Laufanalyse. In der Durchführung und der Zielsetzung unterscheiden sich die Vorgehensweisen je nach Anbieter erheblich. Folgende Zielsetzungen werden hierbei zur Begründung der Durchführung angegeben: Verbesserung der Laufökonomie, Entscheidung über die Notwendigkeit von Einlagenversorgung, Verkauf und Anpassung von Laufschuhen, Aufdeckung von Haltungsfehlern, Aufdeckung von Muskelschwächen, Aufdeckung biomechanischer Fehlbelastungen zur Erklärung von Gelenkschmerzen, Korrektur falscher Laufstile, Verbesserung der Laufökonomie (Pramann, 2002; elektronische Medien(EM)¹ bis EM⁶ ). Ganglabore an Universitäten, die mittlerweile zahlreich sind, sowie sehr viele andere Anbieter wie Laufschuhgeschäfte, Sportkaufhäuser, Ärzte, Physiotherapeuten, Sportwissenschaftler, Sportlehrer, Personal Trainer, Orthopädiegeschäfte sowie auf Laufanalysen spezialisierte Firmen sind am Markt zu finden. Die Untersucher haben somit einen kaufmännischen, sportwissenschaftlichen, therapeutischen oder medizinischen Ausbildungshintergrund oder sind ungelernt (EM⁵ ).

Die Analysen variieren methodisch je nach Zweck und Untersucher und unterscheiden sich in Zeitaufwand und Kosten. In einigen Laufgeschäften gehört eine Sichtung anhand einer Laufbandvideoanalyse zu einem Schuhverkauf dazu (EM [2; EM [3]). Separate Bewegungs-, Laufband- oder Feldanalysen mit Dauer von ca. 30 Minuten bis ca. 90 Minuten werden bei Kosten von ca. 35 bis 299,00 Euro angeboten (Pramann, 2002; EM⁶ ). Während einige Anbieter, wie Laufschuhgeschäfte und Sportkaufhäuser Empfehlungen aus der subjektiven Einschätzung und der persönlichen Lauferfahrung des Verkäufers heraus geben, arbeiten andere Anbieter mit wissenschaftlichen Beobachtungskriterien und nutzen auch instrumentelle Analysemethoden.

Instrumentalisierte Analysen unterscheiden sich in Art und Anzahl der Analysehilfsmittel. Weitere Unterschiede gibt es in der Wahl der Perspektiven auf den zu Untersuchenden sowie in der Auswahl der betrachteten Körperabschnitte. Zur Auswertung wird häufig Analysesoftware verwendet, mit der man Achsen und Linien in das Bildmaterial projizieren kann. Unklar ist oft, nach welchen Kriterien die Analysen letztendlich erfolgen und ob die Kriterien wissenschaftlichen Standards genügen (Höschen-Lümmen & Kaltenbach, 1997).

Den Anspruch valide Analysen zu erstellen, erheben Ganglabore an Universitäten. Sie sind zur kinetischen, kinematischen und elektromyographischen Datenerhebung hoch technisiert. Außerhalb wissenschaftlicher Einrichtungen bieten instrumentelle Methoden ebenfalls die Möglichkeit der objektiven Datenerhebung und scheinen attraktiv, da man von der Software erstellte Ausdrucke mit optisch ansprechendem Layout dem Kunden oder Patienten schnell aushändigen kann. Sie bergen jedoch bei blinder Anwendung und bei nicht ausreichendem Gesamtverständnis des Anwenders die Gefahr der Anwendung vorgefertigter Ergebnisse, sodass eine aussagekräftige Analyse und Auswertung allein durch das Vorhandensein von Hard- und Software nicht gewährleistet ist (Pramann, 2002).

1.2 Zielsetzung und Bedeutsamkeit

Gegenstand dieser Literaturrecherche ist, gültige Beobachtungskriterien in der Laufanalyse zu sichten und zu diskutieren. Hierzu wird der Fragestellung nachgegangen, ob detaillierte Beschreibungen des Laufs existieren, die eine Bestimmung des normalen Laufs zulassen. Es wird untersucht, ob dem Laufen, ebenfalls wie dem Gang, verschiedene standardisierte Phasen zugeordnet werden können, Normwerte für Gelenkwinkel definiert sowie Bewegungsabläufe, Muskelaktivierungen und Drehmomentanforderungen beschrieben sind. Ein solches Schema würde weitergehend erlauben, auch ohne Verwendung hochinstrumentalisierter Methodik, pathologische Abweichungen beim Laufen zu erkennen, diesen möglichen Ursachen zuzuordnen und adäquat therapeutisch zu intervenieren. Eine Standardisierung in der beobachtenden Laufanalyse wäre möglich, um Untersuchern in der täglichen Arbeit mit Läufern ein Untersuchungsschema zu empfehlen.

Der menschliche Gang gilt bereits als gut untersucht. Zahlreiche Studien haben sich bis heute mit dem physiologischen und pathologischen Gangmuster beschäftigt (Götz-Neumann, 2003), sodass die Menge an Informationen über das Gehen recht groß ist. Selbst bei Google liefert der Suchbegriff „Ganganalyse“ ca. 45.700 Einträge, während „Laufanalyse“ ca. 10.000 Einträge weniger liefert. In der medizinischen Datenbank PubMed erscheinen zum Recherchezeitpunkt (August 2008) unter den Schlagwörtern „normal gait pattern“ 592 gelistete Publikationen sowie 205 Publikationen unter der Suche nach „normal running pattern“. In der gleichen Datenbank sind unter „biomechanics of walking“ 2961 Einträge gelistet während sich zu „biomechanics of running“ 1552 Einträge finden. Die Vermutung, dass in der beobachtenden Laufanalyse Terminologien und Untersuchungsmethoden aus der Ganganalyse herangezogen und auf das Laufen übertragen werden, liegt daher nahe. Da es beim Lauf im Vergleich zum Gehen veränderte Parameter gibt, die sich zum Beispiel aus der größeren Geschwindigkeit und der Flugphase ergeben, ist die unreflektierte Anwendung von Gangkriterien zu hinterfragen. In dieser Arbeit erfolgt eine Einschätzung über die Zulässigkeit der Übertragbarkeit ganganalytischer Beobachtungskriterien auf den Lauf.

Im nachfolgenden Kapitel wird zunächst eine Übersicht über die Entwicklung sowie über Konzepte und Standards in der Ganganalyse gegeben. Hiervon ausgehend soll untersucht werden, in wie weit der Lauf in Kinematik und Kinetik Parallelen zum Gang aufweist. Dazu werden Beschreibungen des Laufschritts gesichtet und dieser in seinen funktionellen Komponenten dargestellt. Da das Gehen und Laufen ein koordiniertes Zusammenspiel des gesamtem Körpers darstellt, wäre eine Gesamtbetrachtung aller beteiligten Körperanschnitte sehr umfangreich. In dieser Arbeit liegt der Focus auf den Vorgängen der unteren Extremität, ihres reziproken Zusammenspiels und der einzelnen Gelenke, was die Gelenke Hüftgelenk, Kniegelenk, Oberes Sprunggelenk, unteres Sprunggelenk und Metatarsophalangealgelenke einschließt.

2. Ganganalyse

2.1 Geschichte der Ganganalyse

Über das Gehen als die natürliche Fortbewegungsform des Menschen schrieben bereits schon Aristoteles (384 v. Chr. Bis 322 v. Chr.) und Galenus (129 n. Chr. bis 199 n. Chr.) (Hegewald, 2000).

Hegewald (2000) nennt Gassendi (1592 - 1655), der erstmals die horizontale und vertikale wellenförmige Bewegung des Rumpfes erwähnte, das Gehen als eine aus mehreren Kreisbögen zusammengesetzte Bewegung beschrieb und 10 Sätze über die Bewegung des Gehens aufstellte.

Borelli (1682) definierte als Erster den Körperschwerpunkt und unterschied zwei Gangphasen, eine doppelt unterstütze Phase sowie eine Phase, in der nur ein Bein den Boden berührt. Um zu ermitteln, ob der Rumpf des gehenden Menschen nach links und nach rechts schwankt, führte Borelli ein einfaches Experiment durch. Er richtete zwei Stangen in großer Entfernung voneinander senkrecht auf und versuchte so zu gehen, dass die hintere Stange immer von der vorderen bedeckt blieb. Dabei fand er, dass die hintere Stange mal links und mal rechts neben der vorderen Stange erschien und bewies damit, vergleichbar wie Gassendi, die seitlichen Schwankungen beim Gehen (Hegewald, 2000).

Der Beginn der wissenschaftlichen Ausarbeitung von Gangmechanismen kann Weber und Weber (1836) zugeschrieben werden. Sie führten Messungen über die Neigung, vertikale Schwankungen des Rumpfes, Beinlängen, Schwingungsdauer des Spielbeins, Schrittdauer, Schrittlänge sowie weiterer Größen durch (Hegewald, 2000; Novacheck, 1997; Bumann, 2008).

Räumliche und zeitliche Verhältnisse beim Gehen versuchte Vierod (1881) zu registrieren. Mit Hilfe einer besonderen Vorrichtung am Schuh wurde ein Abdruck des Fußes beim Auftreten erzeugt. Aus dem Abdruck konnten mit großer Genauigkeit die Länge des einzelnen Schrittes, die mittlere und größte Schrittlänge für jedes Bein, die Schrittbreite und der Winkel, welcher die Richtung der Fußlängsachse mit der Gangrichtung beim Aufsetzen bildet, bestimmt werden. Auch versuchte Vierod, die Bewegung der Beine und Arme graphisch darzustellen. An verschiedenen Stellen des Körpers brachte er hierzu Ausflussröhrchen an, aus denen während des Gehens Farbflüssigkeit auslief und am Boden sowie seitlich auf Papierbögen Kurvenaufzeichnungen entstanden. Trotz sicherlich großer Fehlerquellen des Versuchsaufbaus stellen Vierods Experimente die ersten Versuche dar, die Bewegung von Extremitäten während eines Gangzyklus aufzuzeichnen (Hegewald, 2000).

Die Methode, durch Fotographie Bewegungsphasen aufzuzeichnen nutze als Erster der Fotograph Muybridge (1887), indem er mehrere nebeneinanderstehende Fotoapparate verwendete, um die Bewegungen eines Pferdes zu dokumentieren. Die Beschreibung dieser Serienaufnahme wurde 1882 von William veröffentlicht. Die Weiterentwicklung der Fotographie erlaubt im Weiteren schärfere Bilder, weitere Veröffentlichungen von Muybridge folgten (Hegewald, 2000; Bumann, 2008).

Maray entwickelte die Fotographie zur wissenschaftlichen Nutzung weiter. Er konnte Serienaufnahmen mit einer einzigen Kamera realisieren und erreichte eine Wiederholungsfrequenz von 12 Bildern pro Sekunde. Als Methode führte Maray bereits am Ende des 19. Jahrhunderts die Beobachtung mit Hilfe passiver Marker ein, was noch heute in der modernen Ganganalyse genutzt wird. Maray ließ weiterhin schwarz gekleidete Probanden vor schwarzem Hintergrund gehen. Zu beobachtende Körperabschnitte wurden mit weißen Streifen versehen und angeleuchtet (Hegewald, 2000; Novacheck, 1997).

Mit der bis dahin verwendeten Technik konnte keine dreidimensionale Aufzeichnung erstellt werden, da nur eine Ebene beobachtet wurde. Mit der Entwicklung der zweiseitigen Chronophotographie durch Braune und Fischer (1891) wurde erstmals die Messung dreidimensionaler Bewegungen im Raum möglich. Ihre Untersuchungen führten auch zu ersten mathematischen Annäherungen zu Fragen einwirkender Kräfte am Bewegungsapparat beim Gehen (Bumann, 2008; Hegewald, 2000).

Hegewald (2000) beschreibt, dass in den Jahrzehnten nach den Arbeiten von Braune und Fischer (1891) der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn zur Bewegung des Menschen stagnierte und erst mit der Entwicklung des Forschungszweiges der Ganganalyse der Wissensstand erweitert wurde.

Scherb (1952) führte Ganganalysen auf einem selbst konstruierten Laufband durch und ermittelte durch Palpation Muskelaktivitäten (Myokinesiographie). Diese Messungen des Muskelspiels brachte er in Verbindung mit seinen Beobachtungen über zeitlichen Ablauf des Aufsetzens von Ferse, Kleinzehenballen und Großzehenballen (Hegewald, 2000).

Die Ganganalyse wurde weiter instrumentalisiert und erfuhr im Bereich der kinetischen Messung in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts mit der Entwicklung und Vervollkommnung funktionsfähiger Druck und Kraftmessplatten unter anderem durch Amar 1923, Fenn 1930 und Elftman 1934 einen Fortschritt. Die Platten arbeiteten zunächst mit mechanischer Registrierung, später mit Dehnmessstreifen, druckabhängigen Widerständen bzw. Kondensatoren oder piezoelektrischen Sensoren (Hegewald, 2000).

Eberhardt, Inman, Saunders und McCown (1947) fassten umfangreiche Ergebnisse zusammen, die in den 40er Jahren in Kalifornien in zahlreichen großangelegten Studien zum normalen Gang sowie zum Gehen mit Prothesen gefunden wurden. Die zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung stehenden Hilfsmittel der instrumentellen Ganganalyse wurden in den weiteren Untersuchungen verstärkt eingesetzt und weitere grundlegende Publikationen zum normalen Gang von Saunders et al, 1953; Inman, 1966 und Inman, Ralston & Todd, 1981, folgten (vgl. Hegewald, 2000).

Götz-Neumann (2003) sieht den Beginn der systematischen Ganganalyse in den sechziger Jahren am Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center (RLAMC), einer großen Rehabilitationsklinik in Los Angeles mit den dort seit 1955 von Perry und Mitarbeitern begonnenen Untersuchungen zum Gang. Zwar lagen zum damaligen Zeitpunkt zahlreiche Untersuchungen zum Gang vor, eine Katalogisierung der unterschiedlichen Dysfunktionen bei verschiedenen Pathologien existierte jedoch nicht. Somit konnten sich die bisherigen klinischen Untersuchungsmethoden zur Befundung von Dysfunktionen beim Gang nur unzureichend eignen. Perry gründete am RLAMC 1968 ein Ganglabor und entwickelte dort in den siebziger Jahren ein umfangreiches Konzept zur Beobachtenden Ganganalyse. Mit der Schaffung dieses Systems einschließlich einer allgemeinen Terminologie machte Perry eine Beschreibung des normalen Gangs, wie auch des pathologischen Gangs möglich (The professional staff association of Rancho Los Amigos Medical Center, 1989; Götz-Neumann, 2003; Perry, 2003).

Bewusst ohne technische Hilfsmittel, aber auf die Arbeiten von Braune und Fischer zurückgreifend, entwickelte in den Achtziger Jahren des 20.Jahrhunderts Klein-Vogelbach ihr Konzept der Gangschulung zur Funktionellen Bewegungslehre. Diese Arbeit veröffentlichte sie 1995 (Klein-Vogelbach, 1995). Die Untersuchungen von Kadaba, Ramakrishnan und Wootten (1990) führten zur Entwicklung von aktiven Markern, wie sie in Ganglabors oder auch in der Filmindustrie Einsatz finden.

Unter zunehmender Anwendung von Instrumentalisierung konnten Beobachtungskriterien geschaffen und ausgebaut werden, die im klinischen Alltag ohne Einsatz kostspieliger Apparaturen Anwendung finden. So ist heute die beobachtende Ganganalyse Basis in der Befundung des Gehens und kann, je nach Fragestellung und Anforderung, durch die instrumentelle Ganganalyse ergänzt werden (Götz-Neumann, 2003).

2.2 Konzepte und Standards in der Ganganalyse

Die Mechanik des Gangs gilt heute als gut untersucht (Vogt & Banzer, 2005). Einige Fachgesellschaften, wie die Gait and Clinical Movement Association (GCMAS), die International Society for Posture and Gait Reasearch (ISPGR) sowie die Observational Gait Instructor Group (OGIG, 1998) sind hierzu entstanden (Götz-Neumann, 2003).

Heutige Ganganalyseverfahren gehen im wesentlichen auf Arbeiten von Perry (1992), Whittle (2002) und Winter (2005) zurück. Das von Perry und Mitarbeitern am Rancho Los Amigos Rehabilitation Center entwickelte systematische Konzept zur Untersuchung des Gangs gilt als etabliert (Götz-Neumann, 2003). Daher dienen dessen Erkenntnisse in dieser Arbeit als Referenz. In der Praxis geht der Untersucher dabei nach einem bestimmten Schema vor, wobei er die Bewegung jedes Gelenks von distal nach proximal sichtet, registriert und beurteilt. Die Fachkenntnis über die hypothetische Norm des Gehens und die relevanten Beobachtungskriterien ist nicht nur in der beobachtenden Analyse essentiell, sondern kann auch bei hochinstrumentalisierten Vorgehenseisen eine nützliche Referenz darstellen (Götz-Neumann, 2003).

Ein anderes Schema verfolgt Klein-Vogelbach, die den menschlichen Gang nach Kriterien der Funktionellen Bewegungslehre (FBL) untersuchte. Die Referenz ist hier ebenfalls ein hypothetisch normaler Gang, Klein-Vogelbach betont jedoch, dass diese Norm keine durch wissenschaftliche Untersuchungen erhobene Mittelwerte darstellt. Es handelt sich um eine hypothetische Norm gesunder Erwachsener, die in ihrem Gehverhalten, nach Kriterien der FBL, das Optimum einer ökonomischen Bewegung zeigen. Hier gibt es acht funktionelle Bewegungskriterien. Wird eine Abweichung erkannt, existieren zu jedem Kriterium therapeutische Übungen mit dem Ziel der Wiederannäherung an die Norm (Klein- Vogelbach, 1995).

Ein vor allem therapeutisches, aber auch analytisches Konzept, ist das PNFKonzept (Propriozeptive Neuromuskuläre Fazilitation) zur Gangschulung. Zur Verbesserung des Gangbilds werden Grundprinzipien der PNF-Methode eingesetzt. Der Therapeut setzt hierbei vor allem manuellen Kontakt für Druckund Zugreize (Approximation und Stretch) sowie verbale und visuelle Stimuli ein (Hedin-Andén, 1994). Das Becken wir als zentraler Kontrollpunkt des Ganges gesehen. Entsprechend zielen Maßnahmen der PNF-Gangschulung auf die Einordnung des Beckens ab. Durch Üben übertriebener Bewegungen sollen physiologische Bewegungen des Gehens gebahnt werden.

Weder die FBL-Methode, noch das PNF-Konzept zur Gangschulung sind gegenüber den wissenschaftlichen Erkenntnissen von Perry, Winter und Whittle zum Gangbild als konträr zu sehen. Sie finden therapeutisch bei der Behandlung von pathologischen Gangabweichungen Einsatz.

2.3 Beobachtenden Ganganalyse

Grundsätzlich kann man zwischen beobachtender und instrumenteller Ganganalyse unterscheiden. Als Grundlage für jede Ganganalyse erscheint die Kenntnis über die normale Mechanik des Gehens und ihre möglichen pathologischen Veränderungen als essentiell. Die beobachtende Ganganalyse arbeitet ohne Erfassung objektiver Daten. Sie ist allein von den Fähigkeiten des Beobachters abhängig, Bewegungsabläufe erfassen zu können und einen Abgleich mit einer hypothetischen Norm durchzuführen. Die Analyse muss selbst bei guter fachlicher Kenntnis des Untersuchers daher als eine subjektive Vorgehensweise angesehen werden. Zur Abstützung der subjektiven Einschätzung hat sich der Einsatz von Videokameras bewährt, da einzelne Kriterien des Gangzyklus wiederholt betrachtet werden und Sequenzen dadurch auch in langsamer Geschwindigkeit und im Standbild gesichtet werden können. Weiterhin ist eine Re-Evaluation durch weitere Betrachter möglich (Götz- Neumann, 2003; Perry, 2003).

Eine Gangbeobachtung entsteht schon bei Betrachtung eines Patienten, wenn dieser einen Untersuchungsraum betritt, da die spontane, für den Patienten unbewusste Beobachtung, schon Aufschluss auf Gangpathologien geben kann. Die Untersuchung ist unzureichend, wenn die Beobachtung lediglich eindimensional geschieht. Eindimensionale, nicht standardisierte Untersuchungen bergen immer die Gefahr, die Hauptpathologie zu übersehen. Eine standardisierte Untersuchung sollte in mindestens zwei Ebenen ablaufen, der Frontal- und der Sagitalebene.

Auch wenn die beobachtende Ganganalyse im Hinblick auf die Gültigkeit der Untersuchung als subjektiv gilt, kann sie in der täglichen Praxis als klinisches Beurteilungswerkzeug dienen (Götz-Neumann, 2003). Zum Stellenwert der beobachtenden Ganganalyse merkt Götz-Neumann (2003) weiter an: „Es handelt sich um eine auf wissenschaftliche Erkenntnisse beruhende Problem lösende Vorgehensweise und nicht um eine auf Überzeugung begründete Philosophie“. Gelenkwinkelveränderungen können auf etwa fünf Grad genau vom Untersucher erkannt werden. Kleinere Gangabweichungen sind nur mit Hilfe von instrumentalisierten Methoden zu erkennen (Götz-Neumann, 2003; Perry, 2003).

2.4 Instrumentelle Ganganalyse

Die Grundkenntnisse über die physiologischen Abläufe des Gangs scheinen für jede Untersuchung eine Voraussetzung zur fundierten Interpretation und Überprüfung der gewonnenen Daten einer Laufanalyse. Die Instrumentalisierung ersetzt daher nicht grundsätzlich die Beobachtung, sie ist aber wertvoll um Beobachtungen zu überprüfen und schwierige Fälle zu analysieren (Götz- Neumann, 2003). Zudem muss für wissenschaftliche Fragestellungen die Untersuchung strukturiert und standardisiert werden. Beobachtungsergebnisse und Messergebnisse müssen skaliert werden können, was nur durch instrumentalisiertes Vorgehen objektiv möglich ist. Auch der Erkenntnisgewinn, der ein Beobachtungsschema ohne Instrumentalisierung im klinischen Alltag ermöglicht, baut auf Datenerhebungen aus dem Labor auf (Perry, 2003).

In der instrumentalisierten Ganganalyse können Datenerhebungen in vier Messbereichen vorgenommen werden (Vogt & Banzer, 2005; Perry, 1992). Es werden Bewegungen des menschlichen Körpers im Raum, auch in Bezug auf die Zeitdauer gemessen (Kinematik), sowie die Kräfte, die diese Bewegungen verursachen und auf Gewebe wirken (Kinetik). Weiterhin werden Muskelaktivierungen durch EMG-Ableitungen sichtbar gemacht sowie der Energieverbrauch analysiert.

Für alle Messbereiche existieren biomechanische Messmethoden, die jedoch nicht gänzlich standardisiert sind. Dies bedeutet, dass für jede Methode mehrere Systeme bestehen, die sich im Komfort, dem Umfang der Datenakquisition und im Preis unterscheiden. Höschen-Lümmen und Kaltenbach (1995) stellten in einer Untersuchung zu Kamerasystemen fest, dass sich die Systeme stark in der Kameraanzahl, der Aufnahmefrequenz, der maximalen Markeranzahl, der Möglichkeit weitere Systeme zuzuschalten und anderen Merkmalen unterscheiden. Die Preise der 13, durch eine Umfrage bei Herstellern erfassten Systemen, variierten 1995 zwischen 9600 DM und 200.000 DM.

In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Methoden der Datenerhebung beschrieben.

2.4.1 Kinematische Messsysteme

Bewegungen, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Zeitbestimmungen, Weg- und Längenbestimmungen sowie Punkt- und Positionsbestimmungen werden durch kinematische Messmethoden erfasst. Die einfachste und kostengünstigste Aufzeichnung von Gangbewegungen erfolgt durch Videokameras. Diese Aufzeichnungsmethode generiert noch keine Daten und muss daher als indirekte kinematische Methode bezeichnet werden. Obwohl man den Einsatz einer Videokamera als instrumentalisiertes Vorgehen bezeichnen könnte, ist diese Methode zunächst ein Mittel der beobachtenden Ganganalyse. Bei Verwendung von Bearbeitungssoftware können Linien in die Aufnahmen projiziert und Winkel gemessen werden.

Genauer und aufwendiger in der Datenerhebung arbeiten aktive und passive Kamerasysteme, die mit Ultraschall oder Infrarottechnik ausgestattet sind. Besonderheit der aktiven Systeme sind die aktiven Marker, die selbst Signale aussenden.

Beispiele für weitere Möglichkeiten zur kinematischen Messung sind Goniometer, Laser, Lichtschranken und Berechnung von Daten elektronischer Weggeber (Bumann, 2008; Vogt & Banzer, 2005; Schwameder, 2007; Götz-Neumann, 2003).

2.4.2 Kinetische Messsysteme

Auftretende Kräfte, Drehmomente, Druckverteilungen mit dazugehöriger zeitlicher Abfolge sind in der Ganganalyse relevante Größen, da sie zur Entstehung und Kontrolle von Bewegung beitragen. Durch im Boden eingelassene Kraftmessplatten werden Bodenreaktionskräfte gemessen, woraus sich in Verbindung mit kinematischen und anthropometrischen Daten Gelenkmomente berechnen lassen.

Bei Erfassung von Kräften auf einer umschrieben Oberfläche kann Druckverteilung gemessen werden. So liefert die Pedobarographie Messwerte zur Druckverteilung im Schuh. Mit dieser Technik ist es möglich mehrere Schritte hintereinander zu erfassen, ohne dass im Boden eingelassene Platten vom Probanden getroffen werden müssen (Bumann, 2008). Am Fuß werden während des Gehens oder des Laufs Areale mit Spitzendruckwerten sowie Lastverteilungen gemessen (Vogt & Banzer 2005).

2.4.3 Messung von Muskelaktivität

Die Elektromyographie (EMG) ist eine Untersuchungsmethode zur Messung myoelektrischer Signale, die durch Zustandsänderungen an den Muskelfasermembranen erzeugt werden. Amplituden und Frequenzen der Muskelaktionspotentiale werden mit Hilfe von Oberflächen- oder Nadelelektroden abgeleitet. Die EMG zeigt die Stärke der Muskelaktivierung und liefert Aussagen über die zeitliche Abfolge von Muskelaktivitäten.

Bumann (2008) gibt zu bedenken, dass für einen Muskel im Seitenvergleich nie gleiche Ableitungsbedingungen zu finden sind und somit keine quantitative Beurteilung zwischen beiden möglich ist. Weiterhin kann die Ableitung in der Ganganalyse folgenden Störgrößen unterliegen: Signale durch Nachbarmuskeln (Cross-Talk), Artefakte durch Kabelbewegungen, Grundrauschen des EMG, Sensibilität gegenüber Spannungsquellen (Vogt & Banzer, 2005; Schwameder, 2007; Bumann, 2008).

2.4.4 Messung des Energieverbrauchs

Durch die Spirometrie, als ein Instrument zur Ermittlung des respiratorischen Quotienten, kann indirekt der Kalorienverbrauch durch Berechnung ermittelt werden (Kalorimetrie) (Meyer, 2003; Vogt & Banzer, 2005). Ein anderes Verfahren zur Bestimmung des Energieverbrauchs, was für die Analyse im freien Gang zweckmäßiger scheint, ist die Berechnung aus kinetischen Daten (Chambers & Sutherland, 2002).

3. Der Gang

3.1 Der Gang in der hypothetischen Norm

Für einen normalen, fließenden Gangablauf spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle. Perry (2003) nennt biomechanische, biochemische, körperstrukturelle und psychische Faktoren, die Einfluss auf den Gang haben. Es werden genannt: Alter, Geschlecht, Körpergröße, Körperbau, Gewicht, Massenverhältnisse, Schuhwerk, Lebensumstände, Lebensgewohnheiten, Umgebung, Art der Kleidung, psychische Verfassung und Stimmung, Gruppen- und Klassenzugehörigkeit.

Götz-Neumann (2003) führt Arend u. Higgins (1976) sowie Hedin-Anden (1994) an, die körperlich-psychische Vorraussetzungen und notwendige Fähigkeiten nennen, durch die physiologisches und ökonomisches Gehen ermöglicht wird: Gesunde Energieversorgung, gesunde biochemische Abläufe im Gehirn, gesunde Gelenke, zentrale motorische Programme, optisches System, gesundes neuromuskuläres System, Motivation, posturale Kontrolle, dynamisches Equilibrium, prüfende Bewegungen, unabhängiger Gebrauch der Arme, symmetrischer sowie asymmetrischer Einsatz von Körper und Gliedmaßen, selektive Entspannung, Ausnutzen von Schwung, generieren und absorbieren von Kraft.

Perry und Mitarbeiter (1992) untersuchten an 420 gesunden Probanden im Alter von 6 - 87Jahren die Funktionsweise des Gehens. Ziel war es, Faktoren des Gehens beschreiben zu können, die als typisch für den menschlichen Gang definiert werden können (Götz-Neumann, 2003). Die Datenerhebung erstreckte sich auf die Gangcharakteristika Geschwindigkeit, Länge des Gangzyklus, Kadenz, Gelenkwinkel, Drehmomentanforderungen, Muskelaktivitäten und Timing der Muskelaktivitäten. Daraus resultierten nach vier Altersgruppen aufgeteilte Normbereiche, die später zu einer allgemeinen Norm zusammengefasst wurden.

Perry (2003) betont trotz aller Festlegung des Gangs, dass es keine wirkliche Norm für das Gehen gibt und dass sich aus den zuvor genannten Einflussfaktoren eine große Variabilität des normalen Gehens ergibt. Götz-Neumann (2003) erwähnt Mulder (2001), der darauf hinweist, dass Menschen sich an ihre Umgebung anpassen und aufgrund dessen unterschiedlich gehen. Beispielsweise zeigt ein Steppenbewohner eine erhöhte Knieflexion, da sich seine Lokomotion an die Bodenverhältnisse anpasst.

So sind Angaben über Charakteristika des normalen Gangs wie Gelenkwinkel, Drehmomentanforderungen und Geschwindigkeiten als Durchschnittswerte zu verstehen. Diese Werte als Norm festzulegen, dient dennoch als Ausgangsbasis für die Analyse von Pathologien. In der Ganganalyse ist eine Abweichung von der Norm grundsätzlich pathologisch zu bewerten (siehe Kapitel 4).

3.1.1 Normwerte im Gang

Wie in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben, sind Normwerte Durchschnittswerte aus Messungen von Gangparametern. Nach Angaben von Perry (2003), Götz-Neumann (2003), Whittle (2001) und Subotnick (1989) sind Normwerte des Gehens in Tabelle 1 dargestellt.

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Tabelle 1: Normwerte im Gang bei 5 km/h (nach Whittle, 2001;Subotnick 1989; Perry 2003, S.271 und Götz-Neumann, 2003, S.20)

Nach Perry (2003) ist die Geschwindigkeit ein grundlegender Faktor des Gehens. Sie zitiert Waters (1988): „Gesunde Menschen, die Ihre Ganggeschwindigkeit nach Bedarf regulieren können, haben ein spontanes Gangtempo, das als freie Ganggeschwindigkeit oder Grundgeschwindigkeit bezeichnet wird, bei welcher die physischen Fähigkeiten eines Individuums funktionell optimal ausbalanciert sind“. Die durchschnittliche freie Gehgeschwindigkeit auf fester ebener Oberfläche beträgt nach Perry (2003) bei Erwachsenen ca. 82 m/min, Kinder und ältere Personen gehen etwas langsamer. Männer erreichen durchschnittlich 86m/min (5 Prozent über dem Mittelwert) und Frauen 77 m/min (6 Prozent unter dem Mittelwert). Diese Angaben wurden im Ganglabor ermittelt. Perry weist darauf hin, dass sich die Angaben mit den Messungen auf freier Gehstrecke von Murray (1964 und 1970), sowie mit Messungen von Drillis (1958) und Finley (1970), bei denen Fußgänger verdeckt beobachtet wurden, decken. Tabelle 2 gibt Durchschnittswerte für verschiedene Geschwindigkeiten an. Kirtley (1985) geht bei einer freien Gehgeschwindigkeit unter 60m/min vom Vorliegen einer beträchtlichen Behinderung aus (Götz-Neumann, 2003).

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Tabelle 2: Geschwindigkeiten im Gehen und Laufen, nach Götz-Neumann (2003, S.19)

3.2 Verschiedene Nomenklaturen der Gangphasen

In der Beschreibung des Gangs existieren verschiedene Nomenklaturen (Tab. 3). Da diese sich in ihrer funktionellen Beschreibung unterscheiden, sind sie nur teilweise synonym gegenüberstellbar. Die Anzahl der Gangphasen variiert in verschiedenen Nomenklaturen. Während in älteren Schemata, wie etwa bei McGlamary (1987), sechs Gangphasen genannt sind, führen neuere Einteilungen acht Phasen auf (Subotnick, 1989). Schultz nennt eine Einteilung nach Hoppenfeld (1982), die durch funktionelle Bezeichnungen geprägt ist (Schultz, 1988). Auffällig ist die Bezeichnung „Abstoß“ für den Zeitpunkt kurz vor Ablösung des Fußes, da diese aus heutiger Sicht unkorrekt ist. Götz-Neumann gibt eine Übersicht über eine bisher häufig verwendete englische Nomenklatur (Subotnick, 1989), welche sie als „traditionelles System“ bezeichnet und stellt diesem die Nomenklatur des Rancho Los Amigos Systems gegenüber (Götz-Neumann, 2003). Das „traditionelle System“, welches nach Bär (2001) auf Einteilungen von Marrey und Muybridge zurückgeht, wurde in den 40er-Jahren des 20. Jahrhunderts durch prozentuale Einteilungen des Ganges ergänzt. In leicht veränderter Nomenklatur verwendet auch Subotnick (1989) diese Einteilung. Im Unterschied zu anderen Systemen verwendet das RLAMC-System neutrale Begriffe, wie z.B. initiale, mittlere, terminale Phase. Der Vorteil liegt in der zusätzlichen Möglichkeit der Beschreibung von Pathologien. So kann auch eine Bodenberührung mit dem Vorfuß als initialer Bodenkontakt erfasst werden, während die Bezeichnung „Fersenaufprall“ dies nicht erlaubt.

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Tabelle 3: Nomenklaturen im Gang

3.3 Die Gangphasen nach Perry

Perry (2003) und Götz-Neumann (2003) beschreiben den Gang im Detail. Beide nehmen eine Einteilung des Gangzyklus in Phasen (Perioden), in funktionelle Aufgaben und in Unterphasen vor. Die Phasen werden weiter in Stand- und Schwungphase, sowie die funktionellen Aufgaben in Gewichtsübernahme (Aufnahme der Körperlast), Einbeinstand (Monopedales Stützen) und Schwungbein-Vorwärtsbewegung (Vorschwingen des Beines) eingeteilt (Abb. 1). Götz-Neumann verwendet im Weiteren den Begriff „Phasen“ auch synonym für den Begriff „Unterphasen“.

Während Götz-Neumann (2003) den Gangzyklus in sieben Gangphasen und einen Gangmoment aufteilt, beschreibt Perry (2003) den Doppelschritt durch acht Unterphasen. Dieser Unterschied kommt durch unterschiedliche Angabe der Zeitspanne des Initialen Bodenkontakts zustande. Da sich Götz-Neumann (2003) auf die Arbeiten von Perry (1992) stützt, wird im Nachfolgenden die Einteilung von Perry verwendet. Für jede Unterphase definiert Perry Kriterien für deren Anfang und Ende und beschreibt Kinematik und Kinetik. Die Angabe der Zeitspanne einer Phase wird in Prozent des Gangzyklus angegeben. Dabei beruft sich Perry auf eigene Messungen sowie Untersuchungsergebnisse anderer Autoren.

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