Zur Problematik der Verwendung unterschiedlicher Symmetrieindices bei der Interpretation dynamometrischer Parameter der Ganganalyse

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Der Gang
2.2 Die dynamometrische Ganganalyse
2.2.1 Vertikale Bodenreaktionskraft
2.2.2 Anterior-posteriore Bodenreaktionskraft
2.2.3 Mediolaterale Bodenreaktionskraft
2.2.4 Änderung der Ganggeschwindigkeit
2.2.5 Der Doppelschritt (Gangzyklus)
2.3 Der pathologische Gang
2.4 Funktionelle Parameter
2.5 Symmetrie des Ganges
2.6 Statistik
2.7 Untersuchungsmethodik
2.7.1 Die Gangbahn
2.7.2 Das Laufband

3 Vergleichs der funktionellen Parameter
3.1 Probanden und Kontrollgruppe
3.2 Direkter Vergleich zwischen Anstieg und weight acceptance rate, bzw. Abfall und push off rate
3.3 Verlaufsentwicklung der funktionellen Parameter der Belastungsphase
3.4 Verlaufsentwicklung der funktionellen Parameter der Entlastungsphase
3.5 Diskussion
3.5.1 Methodenkritische Aspekte
3.5.2 Diskussion der Ergebnisse
3.5.2.1 Direkter Vergleich
3.5.2.2 Funktionelle Parameter der Belastungsphase
3.5.2.3 Funktionelle Parameter der Entlastungsphase
3.5.3 Schlussfolgerungen

4 Vergleich verschiedener Berechnungsmöglichkeiten eines Symmetrieindex
4.1 Patientengruppe des Laufbandes
4.2 Formeln zur Berechnung eines Symmetrieindex
4.3 Anwendung und direkter Vergleich der Formeln
4.3.1 Prüfung der Vorzeichengleichheit
4.3.2 Prüfung der Aussagegleichheit
4.4 Statistische Auswertung
4.5 Diskussion

5 Resümee

Literaturverzeichnis

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gliederung des Gangzyklus

Abbildung 2: Darstellung der Gangphasen und ihr zeitlicher Anteil

Abbildung 3: Druckmessplatten in einer Gangbahn mit Richtung der aufgezeichneten Kräfte

Abbildung 4: Bodenreaktionskräfte während eines Gangzyklus

Abbildung 5: Veränderung der vertikalen Bodenreaktionskräfte mit der Ganggeschwindigkeit

Abbildung 6: Zeitlicher Zusammenhang der Bodenreaktionskräfte mit dem Gangzyklus

Abbildung 7: Darstellung des Anstieges und Abfalls nach der Berechnungsvariante Fz1/tFz1 bzw. Fz3/(100-tFz3) in %Body Weight / %contact time

Abbildung 8: Darstellung der war und por auf der Berechnungsgrundlage von Gaitway

Abbildung 9: Vergleich von Anst. & war und Abf. & por des jeweils operieren Beins über alle 4 Messzeitpunkte

Abbildung 10: Vergleich von Anst. & war und Abf. & por des jeweils nicht operierten Beins über alle 4 Messzeitpunkte

Abbildung 11: Graphischer Vergleich von war und Anst. & por und Abf. eines Patienten mit Hüft-TEP

Abbildung 12: Mittelwertvergleich der funktionellen Parameter des Anstieges des jeweils nicht operierten Beines im Untersuchungsverlauf

Abbildung 13: Mittelwertvergleich der funktionellen Parameter des Anstieges des jeweils operierten Beines im Untersuchungsverlauf

Abbildung 14: Graphen der vertikalen Kraftkomponente des operierten Beins zu allen Messzeitpunkten

Abbildung 15: Graphen der vertikalen Kraftkomponente des nicht operierten Beins zu allen Messzeitpunkten

Abbildung 16: Mittelwertvergleich der funktionellen Parameter des Entlastungsphase des jeweils operierten Beines im Untersuchungsverlauf

Abbildung 17: Mittelwertvergleich der funktionellen Parameter des Entlastungsphase des jeweils operierten Beines im Untersuchungsverlauf

Abbildung 18: Abweichung der beiden Werte (R - rechts und L - links) von ihrem Mittelwert (MW(L,R)) bei unterschiedlich starken Seitigkeitsdifferenzen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Signifikanztest zwischen war und Anst. bzw. por und Abf. der operierten und gesunden Seite zu allen 4 Messzeitpunkten

Tabelle 2: Signifikanztest der funktionellen Parameter war und Anst. während der verschiedenen Messzeitpunkte

Tabelle 3: Signifikanztest der funktionellen Parameter por und Abf. während der verschiedenen Messzeitpunkte

Tabelle 4:Überprüfung der Vorzeichengleichheit des SI und des DI

Tabelle 5: Überprüfung der Vorzeichengleichheit des SI und des RI

Tabelle 6: Überprüfung der Aussagegleichheit des SI und des RI

Tabelle 7: Überprüfung der Aussagegleichheit des DI und des RI

Tabelle 8: Überprüfung der Aussagegleichheit des DI und des SI

1. Einleitung

Jedes Jahr werden eine stetig steigende Zahl an Hüfttotalendoprothesen (Hüft-TEP) operativ eingesetzt. In Deutschland waren es im Jahr 2000 ca. 100000 Stück (httb://orthopaed.klinikum.uni-muenster.de), in den USA gar 140000 (McCrory, 2001). Die steigende Anzahl, vor allem aber auch die steigende Lebenserwartung mit einem höheren Anspruch an die Lebensqualität durch Wiederaufnahme des Berufs, sportliche Aktivitäten und uneingeschränkte Mobilität stellen immer neue und höhere Anforderungen an den künstlichen Hüftgelenkersatz und die therapeutischen Ziele, Maßnahmen und Erfolge nach einer Operation.

„Man kann davon ausgehen, dass die Ganganalyse bereits in den nächsten Jahren zu einer Routinemethode in der Gliedmaßenprothetik wird. Anlässlich des Symposiums `Ganganalyse 1990’ im Februar 1990 in Berlin wurde in diesem Zusammenhang erstmals vom ‚EKG des Ganges’ gesprochen. Genau so wie heute das EKG eine Standartmethode zur Beurteilung der Herzfunktionen und ihrer pathologischen Veränderungen ist, wird die Gangbildanalyse in Zukunft ein Standartinstrumentarium in der Orthopädietechnik sein.“ (Boenik, 1990, 823)

Im Vergleich dazu, soll ein Zitat von Kaltenbach die rasante Entwicklung und den Leistungssprung in den darauf folgenden Jahren verdeutlichen. „Die heute erhältlichen Systeme zur Druckverteilungsmessung und Bewegungsanalyse und deren Methoden stellen eine sinnvolle Ergänzung bei der Optimierung und Kontrolle orthopädischer Hilfsmittel dar. Die heute erhältlichen Systeme erfüllen weitgehend die Anforderungen der Gesundheitshandwerke.“ (Kaltenbach, 1996, 788)

Der Vergleich dieser beiden Zitate macht deutlich, wie stark sich der wissenschaftliche Bereich der Ganganalyse bis hin zu einem praxisnahen Werkzeug entwickelt hat. „Aus klinischer Sicht bestehen klare Forderungen nach schneller, einfacher und sicherer Messung einerseits und klinisch unmittelbar nutzbaren Ergebnissen andererseits. Die instrumentierte Ganganalyse soll diejenigen funktionellen Mängel bzw. pathologischen Gangmechanismen objektiv und reproduzierbar dokumentieren, die für das Auge des Beobachters unerkannt bzw. unerkennbar bleiben.“ (Seichert, 1997, 2) Auch in den vergangenen Jahren schritt diese Entwicklung weiter fort, mit dem wesentliches Ziel, die Anwenderfreundlichkeit weiter zu verbessern. Einerseits hat diese sich durch die schnelle Entwicklung im Bereich Computertechnik und Softwareentwicklung, andererseits durch die Einführung funktioneller Parameter (fP) und anderer übersichtverbessernder Daten wie einem Symmetrieindex verbessert. Dies ist auch notwendig, da die enormen Fortschritte in der exo- und endoprothetischen Versorgung die Ganganalyse zu einem wichtigen Mittel von orthopädisch/therapeutisch motivierten Evaluationsstudien machen, sodass man z.B. in Fragen des Qualitätsmanagement zukünftig kaum ohne ganganalytische Verfahren auskommen wird (Götz-Neumann, 2003).

In dieser Arbeit sollen verschiedene funktionelle Parameter und Symmetrieindices beschrieben, verglichen und auf ihre wissenschaftliche Anwendbarkeit überprüft werden. Dies ist nötig, um verschiedene Studien und Untersuchungen sinnvoll miteinander vergleichen zu können.

Funktionelle Parameter und Symmetrieindices sollten bei einem Sachverhalt immer die selbe Aussage treffen, auch wenn sie auf anderem Wege entstanden sind. Die Aktualität der Arbeit wird deutlich, wenn man die Vielfalt dieser funktionellen Parameter betrachtet. Durch die fortschreitende Entwicklung der Computer- und Messtechniken ist man heute in der Lage, immer mehr Informationen gleichzeitig aufzuzeichnen. Um dieser steigenden Datenmenge entgegenzuwirken und sinnvolle Verknüpfungen zusammenhängender Variablen zu erzeugen, sind funktionelle Parameter eine gute Möglichkeit.

2 Theoretische Grundlagen

In diesem Kapitel sollen die theoretischen Grundlagen des Ganges und der Ganganalyse (kurz) dargelegt werden. Des Weiteren werden die funktionellen Parameter und die Symmetrieindices, sowie die allgemeinen Daten der Patienten- und Probandengruppen vorgestellt.

2.1 Der Gang

Im folgenden Abschnitt soll der Gang in seinen einzelnen Phasen und den funktionellen Aufgaben erläutert werden. Da dies in der Literatur bereits hinreichend behandelt wurde, soll es hier auch nur kurz angerissen werden. Nähere Ausführungen zum Gang und den einzelnen Phasen sind im Perry (2003), Hegewald (1999), Götz/Neumann (2003) und Beckers/Deckers (1997) zu finden.

Ein Gangzyklus beginnt immer mit dem Fersenaufsatz eines Beines und endet mit dem Fersenaufsatz des selben Beines. Der Zyklus besteht aus der Stand- und der Schwungphase eines Beines und wird als Doppelschritt bezeichnet. Die Zeit, in der beide Beine den Boden berühren, heißt Doppelstandphase. Da diese Einteilung sehr grob ist, wird der Gang nach funktionellen Aufgaben unterteilt. Der Gangzyklus beginnt mit dem Fersenaufsatz, dem Initialen Bodenkontakt, welcher in der Abbildung (Abb. 1) als Initial Contact (IC) bzw. als initiale Standhase bezeichnet wird, gefolgt von der Stoßdämpfungsphase (Laoding Response), der mittleren Standphase (Mid Stance), der terminalen Standphase (Terminal Stance), der Vorschwungphase (Pre Swing), der initialen Schwungphase (Initial Swing), der mittleren Schwungphase und schließlich der terminalen Schwungphase (Terminal Swing) (Beckers/Deckers, 1999). In der folgenden Abbildung (Abb.1) sind die einzelnen Phasen und ihre funktionelle Aufgabe dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Gliederung des Gangzyklus (Götz/Neumann 2003)

Der Gangzyklus hat ein bestimmtes zeitliches Muster. So beträgt die Standzeit des betrachteten Beins bei „normaler“ Gehgeschwindigkeit 60%, und die Schwungzeit 40% der Doppelschrittzeit. Auch die einzelnen Phasen während des Gangzyklus sind zeitlich bestimmbar. In der folgenden Darstellung (Abb. 2) sind die prozentualen Zeiten der einzelnen Phasen, im Bezug zur Dauer eines Doppelschrittes, angegeben, wie sie im Durchschnitt beim „normalen“, physiologischen Gang zu finden sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Darstellung der Gangphasen und ihr zeitlicher Anteil (Götz/Neumann 2003)

2.2 Die dynamometrische Ganganalyse

Die Dynamik ist ein Teilgebiet der Mechanik, dass sich mit den Kräften und ihren Wirkungen auf Körper befasst. Sie schließt die Kinematik ein und führt als zusätzliche Größe die Masse und damit notwendigerweise auch die Kraft ein. Dynamometrie ist demnach die Gesamtheit aller Verfahren zur Kraftmessung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung von Kräften. Zwei Beispiele sind Dehnmessstreifen und piezoelektrische Kristalle. In der vorliegenden Untersuchung sind Druckmessplatten mit piezoelektrische Kristalle verwendet worden. Beansprucht man piezoelektrische Kristalle an definierten Stellen auf Druck, dann tritt durch die bestehende Verformung an bestimmten Kristallflächen eine elektrische Ladung auf, deren Menge von der Verformung des Kristalls abhängt. Diese Erscheinung bezeichnet man als piezoelektrischen Effekt. Durch die schichtweise Anordnung der Kristalle können nicht nur vertikale, sondern auch horizontale Kräfte gemessen werden (Perry, 2003, 260).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Druckmessplatten in einer Gangbahn mit Richtung der aufgezeichneten Kräfte (Perry, 2003)

Dies ist für die Ganganalyse von großer Bedeutung, da, neben den vertikalen Kräften, die horizontalen Kräfte Aufschluss über Brems- und Beschleunigungsstöße sowie über seitliche Verlagerungen geben. Ein gesundes Gangbild, bezogen auf einen Doppelschritt, zeigt die nächste Abbildung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Bodenreaktionskräfte während eines Gangzyklus in %Body Weight / contact time

Die gebräuchlichste Variante bezeichnet die vertikale Kraftkomponente mit Fz, die medio-laterale Kraftkomponente mit Fx und die anterior-posteriore Kraftkomponente mit Fy. Alle drei Komponenten haben einen charakteristischen immer wiederkehrenden Verlauf. Diese sollen im Folgenden näher beschrieben werden, wobei nur die Standphase, also die Zeit in der das betrachtete Bein Bodenkontakt hat, berücksichtigt wird.

2.2.1 Vertikale Bodenreaktionskraft

Fz besitzt zwei Maxima und ein Minimum, wobei die beiden Maxima das ca. 1,1 -1,2-fache und das Minimum das ca. 0,8-fache des Körpergewichtes betragen. In der Abbildung 4 sind die Kraftkomponenten in Relation zum Körpergewicht dargestellt. „1,0“ bezeichnet dabei 100% der Gewichtskraft des Probanden. Das erste Kraftmaximum Fz1rel liegt im Bereich des Fersenaufsatzes, das lokale Kraftminimum Fz2rel zeigt die durch die Knieflexion in der Standphase bedingte Gewichtskraftreduktion und das zweite Kraftmaximum Fz3rel den Kraftanstieg während des Vorfußabdruckes (Leucht et al., 2005). Das absolute Maximum kann von Schritt zu Schritt zwischen dem ersten und zweiten Maximum pendeln. Auch der Initialpik vor dem ersten Maximum ist charakteristisch.

2.2.2 Anterior-posteriore Bodenreaktionskraft

Fy, die vorwärts oder rückwärts gerichtete Kraft hat ein Minimum Fy1rel und ein Maximum Fy2rel. Die größte Bremskraft (Fy1rel) wirkt in der Regel bei ca. 10 – 15% des Zyklus zum Zeitpunkt der Kraftübernahme. Die Bremskraft nimmt ab während sich der Körper weiter nach vorn über das Stützbein bewegt. Befindet sich der KSP direkt über dem Stütz, so sind die wirkenden Vor- und Rückkräfte Null. Dies ist in der Regel etwa bei 55%ct der Standzeit, es wird also dem späten Mittelstand zugeordnet. Ebenso wie die Bremskraft bei Annäherung des KSP an den senkrechten Stütz kleiner wird, steigt die Beschleunigungskraft je weiter sich die Wirkungslinie der Gewichtskraft nach dem senkrechten Stütz von der Stützfläche fortbewegt. Die größte vorwärts gerichtete Kraft (Fy2rel) ist also unmittelbar vor dem Doppelstütz zu verzeichnen (Perry, 2003). Bei gleich bleibender Ganggeschwindigkeit heben sich die beiden Impulse (Bremsstoß und Beschleunigungsstoß) gegenseitig weitestgehend auf. Beim Beschleunigen ist der Bremsstoß kleiner als der Beschleunigungsstoß, beim „Abbremsen“ ist er größer.

2.2.3 Mediolaterale Bodenreaktionskraft

Fx ist von den drei Kraftkomponenten die Unregelmäßigste. Ihr Kraftmaximum, was die jeweils medial gerichtete Kraft ist, kann zwischen 15% und 90% des Zyklus liegen. Das Minimum, die jeweils lateral gerichtete Kraft tritt schon bei ca. 5% des Zyklus auf. Diese Komponente der Bodenreaktionskraft beschreibt die alternierende Übernahme der Körpermasse von einem auf das andere Bein während des Gangzyklus (Leuchte et al., 2005).

2.2.4 Änderung der Ganggeschwindigkeit

Der beschriebene Verlauf (Abb. 4) der Graphen ist typisch für eine „normale“ Ganggeschwindigkeit. Verändert man aber die „Wohlfühlgeschwindigkeit“, läuft man also langsamer oder schneller, so verändert sich das dynamometrische Gangbild, wie in der nächsten Abbildung (Abb. 5) am Beispiel der vertikalen Kraftkomponente dargestellt ist. Bei abnehmender Geschwindigkeit verändert der Graph seine typische Form, so dass die Maxima und das Minimum sich in ihrer Ausprägung annähern und so die Gesamtkurve abflacht. Mit zunehmender Geschwindigkeit prägen sich die Maxima und das Minimum stärker aus. Leuchte et. al. (2005) verzeichnen auch zeitliche Verschiebungen dieser Parameter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Veränderung der vertikalen Bodenreaktionskräfte mit der Ganggeschwindigkeit (Leuchte et. al. (2005), 10)

2.2.5 Der Doppelschritt (Gangzyklus)

Betrachtet man den Doppelschritt, dann sieht man auch die Zweibeinstandphase sehr deutlich. Es sind also alle Phasen des Ganges, wie sie in Punkt 2.1 beschrieben wurden, zu erkennen. Diese sind in der nächsten Abbildung zur Verdeutlichung in Zusammenhang mit dem Gangzyklus dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Zeitlicher Zusammenhang der Bodenreaktionskräfte mit dem Gangzyklus

2.3 Der pathologische Gang

Um ein pathologisches Gangbild von einem physiologischen Gangbild unterscheiden zu können, benötigt man deutlich identifizierbare Kennzeichen und Parameter (Reichel, 1991, Whittle, 1991). Solche Normwerte sind jedoch wegen der hohen Variabilität des menschlichen Ganges nur sehr schwer festzulegen. Eine indikationsspezifische Einteilung der Gangbilder wird in der Literatur abgelehnt (Perry, 2003). Zum Einen kann die gleiche Gangabweichung unterschiedliche Ursachen wie Schmerz oder Bewegungseinschränkungen haben. Zum Anderen könne unterschiedliche Kompensationsmechanismen bei gleichen Defiziten auftreten. Der pathologische Gang existiert nicht, er äußert sich in unspezifischen Abweichungen (Luchs, 2006). Eine Einteilung erfolgt bei Perry (2003) in Muskelschwäche, Schmerz, Fehlbindung und Störung der motorischen Kontrolle.

Ziel des physiologischen Ganges ist der Erhalt der Symmetrie und das Aufrechterhalten der kontinuierlichen Fortbewegung unter dem Aspekt der Ökonomie. Der Energieverbrauch muss also möglichst gering gehalten werden. Der Beobachter der Ganganalyse muss wissen, warum der Patient einen pathologischen Gang hat und welche funktionellen Aufgaben für diesen schwierig sind. Einerseits wird dem Patienten ein abweichender Gang aufgrund der funktionellen Beeinträchtigung aufgezwungen, andererseits kann es sich um sogenannte Kompensationsmechanismen handeln. Der Patient gleicht Defizite mit dem Ziel aus, trotzdem noch möglichst energieeffizient zu sein. (Luchs, 2006, 23) Der Unterschied zwischen funktionellen Beeinträchtigungen und kompensatorischen Bewegungen wird in der Literatur hervorgehoben. (Beckers/Deckers, 1997, Perry, 2003)

2.4 Funktionelle Parameter

Im folgenden Abschnitt sollen verschiedene funktionelle Parameter (fP) vorgestellt und deren Notwendigkeit geklärt werden. FP sind Verknüpfungen von mehreren Daten, da es bei der Vielzahl von Daten sinnvoll ist, zusammenhängende miteinander zu verknüpfen. So lassen sich möglicherweise besser und schneller vergleichbare Werte erzielen. Es lässt sich zum Beispiel aus dem Maximum Fz1 und dem dazugehörigen Zeitwert tFz1 durch Fz1 / tFz1 ein Anstieg (Anst.) berechnen, der eine schnelle Aussage über die Quantität der Lastübernahme (loading response) zulässt. Adäquat dazu lässt sich durch Fz3 / 100-tFz3 ein Abfall (Abf.) berechnen. Diese lassen sich in %BW / %ct, oder in N/s darstellen. In der folgenden Abbildung sind Abf. und Anst. mit den dazugehörigen tFz abgebildet.

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