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Belastungsanalysen an Orthesengelenken
methodische Entwicklung und Anwendung eines 3D-Belastungsmesssystems an Orthesengelenken
Opitz, Lucien
Mit der bisher üblichen instrumentellen Ganganalyse lassen sich mittels inverser Dynamik die Gelenkmomente an Knie- und Sprunggelenk in drei Ebenen ermitteln. Jedoch wird hier nur die Summe aller externen Gelenkmomente anhand eines biomechanischen Modells berechnet. Dieses Modell lässt weder Rückschlüsse auf die auftretenden Momente in dem Parallelsystem Orthese zu noch eignet es sich um zwischen der Lastverteilung von muskulären Anteilen und Orthesenbelastungen zu differenzieren. In dieser Arbeit werden Methoden entwickelt, um Systemgelenke für die In-situ-Messung zu modifizieren und zu instrumentieren, um damit die auf die Orthesenkomponenten wirkenden Momente in den ursprünglichen Orthesen der Patienten zu erfassen. Dies hat den Vorteil, dass die auftretenden Orthesenbelastungen anders als in Modellen oder auf Prüfständen unter realen Bedingungen ermittelt werden können. Die resultierenden Messergebnisse geben Aufschluss über die individuelle Belastungssituation der Orthese und können für Festigkeitsbetrachtungen von Orthesenkomponenten genutzt werden. Gleichermaßen lassen sie Rückschlüsse auf den Orthesenträger wie beispielsweise seinen muskulären Status, Deformitäten, o. ä. Eigenschaften zu und können in klinischen Studien zur Wirksamkeit oder Verbesserung von Orthesen genutzt werden. Nach einer ausführlichen Literaturexploration beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit der Sensorkonzipierung, -herstellung, -kalibrierung und -validierung. Es wird eine systematische Vorgehensweise vorgestellt, die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) eine anforderungsgerechte Sensordimensionierung und -evaluation ermöglicht. Die fertigen Sensoren werden abschließend für die Validierung, der sich aus der Anwendung der FEM resultierenden Modelle, eingesetzt. Die Datenerfassung der Othesenmessgelenke erfolgt lichtschrankengesteuert sowohl synchron zur instrumentellen Ganganalyse wie auch als eigenständiges Messsystem. Der zweite Teil belegt anhand von exemplarischen Anwendungen am Patienten die Funktionalität des Gesamtmesssystems und zeigt dessen Potenziale auf. Anhand dieser Messungen werden wesentliche Unterschiede zwischen der direkten Messung von Orthesengelenkmomenten und der über inverse Dynamik berechneten externen Gelenkmomente aufgezeigt. Es werden die Gelenkmomente, die Raum-Zeit-Parameter und der Winkel der unteren Extremität bezüglich der vertikalen Achse im Raum vom mobilen Orthesenmesssystem erfasst, bewertet und der stationären instrumentellen Ganganalyse gegenübergestellt. Hierfür werden geeignete Methoden der Datenanalyse präsentiert.
It is state of the art to use instrumented gait analysis to determine the joint moments at the knee and ankle joint by inverse dynamics in all three planes. However, only the sums of all external joint moments are calculated using a biomechanical model. This model does not allow conclusions to be drawn about the occurring moments in the parallel system orthosis, nor can it differentiate between the load distribution of the muscular parts and the orthosis loads. In this dissertation, methods are developed to modify and instrument system joints for in situ measurement to detect the moments on the orthotic components in the patient’s original orthosis. The advantage of this method is that the occurring orthoses loads can be determined under real conditions in contrast to models or test stands. The measurement results provide information about the individual stress situation of the orthosis and can be used for strength assessment of orthotic components. Likewise, they allow conclusions to be drawn about the patient such as the muscular status, deformities, or similar characteristics, and can be used in clinical studies for the efficacy or improvement of orthoses. After a detailed literature exploration, the first part of the dissertation deals with the conception, production, calibration and validation of the sensor system. A systematic approach is presented, which allows the user to use the finite element method to design and evaluate custom sensor elements. The developed sensor is finally used to validate the finite element models. The data acquisition of the orthotic measuring joints is controlled by a photoelectric trigger to synchronize the instrumented gait analysis with the independent measuring system.
The second part demonstrates the functionality of the overall measurement system using exemplary applications and shows its potential. Based on these patient measurements, significant differences between the direct measurement of the orthotic joint moments and the external joint moments calculated by means of inverse dynamics are shown. The joint moments, the temporal-spatial parameters and the angle of the lower extremity to the vertical axis are measured with the mobile orthotic measuring system, evaluated and are compared to the stationary instrumented gait analysis. Appropriate methods for data analysis are presented for this purpose.
