Analyse translatorischer Bewegungsanteile in der Knieflexion -Eine Pilotstudie

Einleitung

Die Rotation des Tibiaplateaus um das distale Ende des Oberschenkelkochens (medialen und lateralen Condyli) wird in der Regel als reine Rotationsbewegung beschrieben. Dazu wird in der Bewegungsanalyse über kinematische Modelle aus der relativen Bewegung der Tibia zum Femur eine funktionale Rotationsachse berechnet. In der Bewegungsbeschreibung wird dann zum Beispiel eine 90° Knieflexion in der Sagittalebene bei einer Kniebeuge beschrieben.

Genauer betrachtet entsteht durch die Anatomie der Condyli allerdings keine reine Rotation sondern eine annährend rotatorische Bewegung mit translatorischen Bewegungskomponenten. Diese translatorische Anteile in der Kinematik des Kniegelenk können durch verschiedene Formen von Pathologien, wie zum Bsp. überdehnten (elongierte) Kreuzbändern wachsen und zu instabilen Kniegelenken führen. Eine funktionale Identifizierung einer solchen Instabilität könnte dabei helfen, die Notwendigkeit einer Behandlung oder später auch den Behandlungserfolg zu quantifizieren.

Ziele der Pilotstudie

  1. Konventionelle Modellierung der Knieflexion aus in-vivo Bewegungsdaten eines gesunden Ganges auf dem Laufband.
  2. Darstellung der Trajektorie des virtuellen Zentrums des Tibiaplateaus zur Analyse translatorischer Bewegungsanteile.

Methode

Eine gesunde Testperson. Ganggeschwindigkeit auf dem Laufband: 5km/h. Es wurden 3 Wiederholungen einer 15 sekündigen Gangsequenz aufgenommen.

Simultane Erfassung der Bewegungsdaten mit einem optischen Bewegungsanalysesystem (OptiTrak, 100Hz)und einem Inertialmesssystem (Noraxon, 100Hz). Infrarotlicht reflektierenden Marker und IMUs wurden entsprechend der Abbildung (links) angebracht. Synchronisierung der Daten anhand der Bewegungsdaten eines markierten IMU Sensors durchgeführt.

Virtuelles Zentrum des Tibiaplateaus wurde als Zentrum der medialen und lateralen Marker berechnet. Analysiert wurde die Knieflexion und die Trajektorie des virtuellen Markers in der Sagittalebene.

Ergebnisse

Visualisierung der Gangdaten durch reflektierenden Marker

Die Ergebnisse zeigen im ersten Teil einen stark korrelierenden Verlauf der Kniegelenksbewegung. Die detektierte Überstreckung des Knies durch das Inertialmesssystems und der ca. 10° Offset ist auf einen Fehler in der Kalibrierung zurückzuführen. Die Abbildungen verdeutlichen, dass im Rahmen dieser Analyse die Flexionsbewegung nicht rotarischen und translatorische Komponenten zerlegt werden kann.

Mittlere Knieflexion (Standardabweichung schattiert) für Gang 1 aus n=10 Bewegungszyklen.
Mittlere Knieflexion (Standardabweichung schattiert) für Gang 2 aus n=9 Bewegungszyklen.
Mittlere Knieflexion (Standardabweichung schattiert) für Gang 3 aus n=11 Bewegungszyklen.

Die Darstellung der Trajektorie des virtuellen Zentrums des Tibiaplateaus (siehe unten, Achtung, Abbildungen nicht maßstabsgerecht) zeigen unterschiedliche Ausprägungen der rotatorischen und translatorischen Bewegungskomponenten.

Schlussfolgerung

Die 3D Bewegungsanalyse mittels des optischen Bewegungsanalysesystems erlaubt grundsätzlich die gewünschte Analyse der Tibiabewegung. Im folgenden sollen im 3-Schritt zunächst die Gütekriterien der Analyse am Modell quantifiziert und anschließend die Kinematik gesunder Knie erfasst werden, welche abschließend pathologischen Kniebewegungen gegenübergestellt werden.

Projektteam

Kratzenstein, S. (CAU Motion Lab, Inst.f. Sportwissenschaft), Wegner, M. jr. (UKSH), Kuwert, S. (UKSH), Habenicht, J. (CAU Motion Lab, ISW), Wegner, M. sen. (ISW), Moradi, B. (UKSH)