D1 Erweiterte kinematische Analyse

Thema

Die fortgeschrittene kinematische Analyse beschreibt die Bewegung von Körpersegmenten in Raum und Zeit, ohne die verursachenden Kräfte explizit zu benennen. Diese Beschreibung basiert auf der dreidimensionalen Rekonstruktion der Trajektorien anatomischer Marker oder Punkte aus Bildern, die gleichzeitig von mehreren synchronisierten Kameras aufgenommen werden. Die Rekonstruktion nutzt die projektive Geometrie: Jede Kamera definiert einen optischen Strahl, der von der Bildebene in den dreidimensionalen Raum verläuft, in dem die Bewegung stattfindet. Die dreidimensionale Position jedes Markers wird durch den Schnittpunkt von mindestens zwei dieser optischen Strahlen bestimmt, der demselben Marker aus der Sicht zweier verschiedener Kameras entspricht.

Die dreidimensionale Position jedes Markers wird, sobald sie kameraweise rekonstruiert ist, als kartesische Koordinatentrajektorie über die Zeit dargestellt. Diese Trajektorie wird anschließend gefiltert, um das durch den Messprozess selbst verursachte hochfrequente Rauschen zu eliminieren und gleichzeitig den Niederfrequenzbereich – bis zu etwa zwanzig Zyklen pro Sekunde – zu erhalten, in dem die relevanten biomechanischen Informationen der Bewegung konzentriert sind. Aus diesen gefilterten Positionen werden Geschwindigkeit und Beschleunigung jedes Markers durch sukzessive numerische Differenzierung über die Zeit ermittelt. Die Beschleunigung reagiert besonders empfindlich auf verbleibendes Rauschen im Signal. Daher ist die Vorfilterung der Position ein entscheidender Schritt vor der Ableitung der Werte.

Anhand der gefilterten Trajektorien von Markern an benachbarten Körpersegmenten beschreibt die Gelenkkinematik, wie sich die relative Orientierung eines Körpersegments im Laufe der Zeit in Bezug auf das benachbarte Segment, mit dem es das Gelenk bildet, verändert. Diese relative Orientierung kann auf zwei Arten dargestellt werden: durch eine Sequenz von drei aufeinanderfolgenden Rotationswinkeln oder durch eine alternative Darstellung, die ein diesen Winkeln inhärentes Problem vermeidet: Bestimmte Orientierungskombinationen führen dazu, dass zwei der drei Rotationsachsen ausgerichtet werden, wodurch das System vorübergehend die Fähigkeit verliert, die einzelnen Rotationen zu unterscheiden.

Aus denselben Markertrajektorien werden die raumzeitlichen Parameter des Gangs direkt abgeleitet: die Frequenz der Schrittwiederholungen, die Schrittlänge, die Gehgeschwindigkeit und die Schrittfrequenz. Um die Gehgeschwindigkeit von Tierarten mit sehr unterschiedlicher Körpergröße zu vergleichen, wird diese Geschwindigkeit mit der Größe des Tieres zu einer dimensionslosen Zahl kombiniert. Diese ermöglicht es, zu beurteilen, ob sich zwei Tiere unterschiedlicher Größe, relativ zu ihrer eigenen Körpergröße, gleichwertig bewegen.

Die fortgeschrittene kinematische Analyse, mit der diese Beschreibung begann, identifiziert ein charakteristisches Verhalten beim normalen Gang: Die potenzielle und kinetische Energie des Körpers werden während jedes Schrittes gleichmäßig ausgetauscht, und die zeitliche Variabilität von einem Schritt zum nächsten ist sehr gering, mit einem Variationskoeffizienten von unter drei Prozent. Bei Vorliegen einer Pathologie treten jedoch räumlich-zeitliche Asymmetrien zwischen den beiden Körperseiten auf, und diese zeitliche Variabilität nimmt deutlich zu. Beide Veränderungen – Asymmetrie und erhöhte Variabilität – sind in der fortgeschrittenen kinematischen Analyse die grundlegenden diagnostischen Merkmale einer Bewegungsstörung.

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