Entwicklung eines roboterbasierten, isokinetischen 3D-Trackingsystems zur objektiven Bewertung von Bewegungseinschränkungen der oberen Extremität
Final Report Abstract
Die Möglichkeit, sich selbständig zu bewegen, ist Grundlage der Handlungsfähigkeit des Menschen. Bewegungsstörungen und funktioneile Bewegungseinschränkungen erzeugen Schmerzen, behindern und erschweren häufig die Ausführung selbst alltäglicher Tätigkeiten. Bewegungsunsicherheit wirkt sich auf das Selbstvertrauen aus, Bewegungsbehinderungen schränken die Mobilität ein. Es ist daher dringend geboten, durch gezielte Maßnahmen die Bewegungsfahigkeit zu erhalten. Neben einer objektiven Diagnostik der Ursachen und des Grades funktioneller Bewegungseinschränkungen kommt daher einer quantitativen Bewertung der motorischen Fähigkeiten und Defizite eine wachsende Bedeutung zu. Beides ist Voraussetzung für eine dem Problem angepasste Therapie, die neben der Wiederherstellung der Bewegungsfahigkeit auch die Prävention von Folgeschädigungen zum Ziel hat. Während für die unteren Extremitäten standardisierte Verfahren zur objektiven Bewertung der Bewegungseinschränkung klinisch etabliert sind, stand bislang für die Beurteilung des Bewegungsvermögens der oberen Extremitäten keine äquivalente Methodik zur Verfügung. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung einer Methodik zur objektiven dreidimensionalen Funktionsanalyse der oberen Extremität. Voraussetzung für eine aussagekräftige Funktionsanalyse der oberen Extremität ist eine in ihrer Kinematik und Kinetik reproduzierbare Bewegung. Hierfür wurde das Isokinetische 3DTracking als standardisierte Vorgehensweise etabliert. Bei dem Isokinetischen 3D-Tracking werden dem Probanden / Patienten die auszuführende Bewegung durch einen Roboter und die von ihm zusätzlich aufzubringenden externen Kräfte durch ein Feedbacksystem vorgegeben. Ein integrierter Kraft-Momenten-Sensor erfasst die vom Probanden / Patienten während der Messung tatsächlich aufgebrachten Kräfte, währen die Bewegung der oberen Extremität durch ein 3D Bewegungsanalyse-System erfasst wird. Zur funktioneilen Beschreibung der Bewegung wurde ein kinetisches biomechanische Modell der oberen Extremität entwickelt, das neben der Berechnung der Gelenkwinkel in ihren anatomischen Achsen die Berechnung aller in den einzelnen Gelenkachsen wirkenden Kräfte und Momente erlaubt. Neben den Gravitations- und Trägheitskräften, die aus den anthropometrischen Daten des einzelnen Probanden / Patienten berechnet werden, berücksichtigt das Modell auch zusätzliche aktiv vom Probanden / Patienten aufgebrachte externe Kräfte. Weiterhin wurde, durch Integration des Oberflächen-EMG, die muskuläre Koordination in die Methodik einbezogen. Hierdurch wurde eine objektive Bewertung der funktionellen Leistungsfähigkeit der oberen Extremität bezüglich Bewegungsqualität und Kraftausübung erreicht. Die objektive dreidimensionale Funktionsanalyse der oberen Extremität wurde zunächst anhand einiger ausgewählter exemplarischer Bewegungen von bewegungsgesunden Erwachsenen und Kindern unterschiedlichen Alters auf Kausalität geprüft. Darüber hinaus konnte durch erste exemplarische Untersuchungen von Patienten mit Bewegungseinschränkungen der oberen Extremität mittels dieser Methodik gezeigt werden, das die pathologischen Bewegungsmuster zu unphysiologischen Kraftverhältnissen und damit zu zusätzlichen Belastungen in den einzelnen Gelenken führen. Die hier entwickelte Methodik zur objektiven dreidimensionalen Funktionsanalyse der oberen Extremität bildet die dringend erforderliche Plattform für die Diagnostik, aber erstmals auch für eine gezielte und effektive Therapie von Patienten mit Bewegungsstörungen der oberen Extremitäten. Das Forschungsvorhaben fuhrt damit nicht nur zu einer Erweiterung der wissenschaftlichen Kenntnisse über die Biomechanik der oberen Extremitäten, sondern liefert einen zusätzlichen Beitrag zur Verbesserung der Therapie von Patienten mit Bewegungsstörungen der oberen Extremitäten.
Publications
- N. Popovic, G. Rau, T. Schmitz-Rode, C. Disselhorst-Klug (2006): Robot based method for the analysis of an arbitrary, but repeatable upper extremity movement. Journal of Biomechanics, Vol. 39, Suppl. 1, p. s76.
- N. Popovic, G. Rau, T. Schmitz-Rode, C. Disselhorst-Klug (2007): Funktionelle Untersuchung der Bewegung der oberen Extremität basierend auf einem Kraft-Feedback System. Proceedings der 41. Jahrestagung der DGBMT, Aachen
- N. Popovic, S. Williams, G. Rau, T. Schmitz-Rode, C. Disselhorst-Klug (2005): 3D Tracking: Robot based method for analysis of arbitrary upper extremity movement, Biomedizinische Technik, Volume 50, Supplementary vol.1, Part 1, p. 800-801.
- N. Popovic, T. Schmitz-Rode, G. Rau, C. Disselhorst-Klug (2006): Robot based method for functional testing of upper extremity movement performance. In: From Research to Practice: Proceedings XVI Congress of the International Society of Electrophysiology and Kinesiology, Torino, Italy, p. 38.
- Williams S, Schmidt R, Disselhorst-Klug C, Rau G. (2006): An upper body model for the kinematical analysis of the joint chain of the human arm. Journal of Biomechanics.; 39(13):2419-29.
