D2 Dynamische Kraftanalyse

Thema

Die dynamische Kraftanalyse quantifiziert die mechanischen Belastungen, die während einer Bewegung auf den Bewegungsapparat wirken. Sie geht über die Kinematik hinaus und ermittelt die mechanischen Ursachen der Bewegung, anstatt sie nur zu beschreiben. Zentrales Instrument dieser Analyse ist die multiaxiale Kraftmessplatte. Dieses Gerät misst mithilfe von piezoelektrischen oder Dehnungssensoren die drei Komponenten der Bodenreaktionskraft, die der Körper beim Tragen seines Gewichts erfährt, sowie die drei zugehörigen Momente.

Ausgehend von der von der Plattform gemessenen Bodenreaktionskraft und der Bewegungskinematik wird die inverse Dynamik angewendet: Jedes Körpersegment wird als starrer Körper betrachtet. Die Bewegungsgleichungen dieses Körpers ermöglichen die Berechnung des resultierenden Moments, das an jedem Gelenk gewirkt haben muss, um die beobachtete Bewegung zu erzeugen. Diese Berechnung erfolgt sequenziell, beginnend am distalen Ende – dem Fuß, wo die Bodenreaktionskraft angreift – und segmentweise fortschreitend zum proximalen Ende – der Hüfte. So werden die in jedem Segment berechneten Kräfte und Momente auf das nächste Segment übertragen.

Das an jedem Gelenk berechnete Nettodrehmoment, multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit des Gelenks in diesem Moment, ergibt die Gelenkleistung. Das Vorzeichen dieser Leistung gibt Aufschluss über die mechanische Funktion des Gelenks: Bei positiver Leistung liefert das Gelenk mechanische Energie an den Körper, indem es diese dem Stoffwechsel entnimmt, und fungiert als Motor; bei negativer Leistung absorbiert das Gelenk mechanische Energie aus der Bewegung anstatt sie abzugeben, und wirkt als Bremse oder Stoßdämpfer.

Die Verteilung der Bodenreaktionskraft unter der Fußsohle wird mithilfe hochauflösender Druckmessplattformen ermittelt. Diese Plattformen ermöglichen die Berechnung des Druckmittelpunkts unter dem Fuß in jedem Moment und die Verfolgung seiner Bahn während der gesamten Standphase. Diese Bahn zeigt, wie sich der Punkt, an dem die Bodenreaktionskraft tatsächlich angreift, schrittweise verlagert. Dieselbe Druckverteilung ermöglicht auch die Berechnung eines Reibungsnutzungskoeffizienten, der quantifiziert, welcher Anteil der verfügbaren Gleitgrenze in jedem Moment von der Bewegung genutzt wird.

Das erwartete Gangverhalten bei gesundem Tier, gemessen mit dieser dynamischen Kraftanalyse, zeigt beim Gehen maximale vertikale Bodenreaktionskräfte von etwa dem Körpergewicht des Tieres, bis zu 20 Prozent darüber, und beim Laufen das Zweieinhalb- bis Dreifache des Körpergewichts. Im pathologischen Zustand hingegen dienen Asymmetrien von mehr als 10 Prozent zwischen den Körperseiten oder eine abnorme Umverteilung der Gelenkmomente als diagnostische Indikatoren dafür, dass die mit dieser dynamischen Kraftanalyse quantifizierten mechanischen Belastungen pathologisch reguliert werden.

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