13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof.

Klinischer Outcome nach Fersenbeinfraktur: Clusteranalyse der Ganglinie zeigt Unterschiede im Langzeitverlauf

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Fersenbeinfrakturen zählen zu den häufigsten Fußverletzungen und sind mit einer Beeinträchtigung der Bewegungsfunktion verbunden. Pedobarographische Messungen zur Bestimmung der Ganglinie (Center of Pressure – CoP) können dabei Hinweise zur Gangfunktion liefern.1 Ziel der Studie ist es, das klinische Langzeitoutcome nach Fersenbeinfraktur anhand von CoP-Daten mittels Clusteranalyse zu bewerten. Methoden: 66 Patienten mit Fersenbeinfraktur (51±9J, BMI:26±3kg/m², ♀13, ♂53) wurden über 24 Monate postoperativ nachuntersucht. Dabei wurde der medio-laterale Verlauf (mlCoP) und die Geschwindigkeit (vCoP) der Ganglinie bestimmt und mittels unsupervised machine learning (funktionelle Hauptkomponentenanalyse und K-Means Clustering) analysiert und gruppiert. Anschließend wurde der klinische Outcome (AOFAS-score) im Follow-up zwischen den identifizierten Gruppen (G) mittels t-test (p&lt;.05) verglichen. Ergebnisse: Für den vCoP bzw. den mlCoP wurden jeweils zwei Gruppen mit reduzierter (Gv1,N=40) und höherer (Gv2,N=26) Geschwindigkeit bzw. reduzierter (Gml1,N=45) und höherer (Gml2,N=21) Lateralisierung der Ganglinie identifiziert. Im Langzeitoutcome (AOFAS, 24 Monate) zeigte sich ein signifikanter Unterschied für den vCoP (Gv1: 87±11, Gv1: 80±14, p=0.03) sowie ein tendenzieller Unterschied für den mlCoP (Gml1: 87±11, Gml2: 80±15, p=0.06). Diskussion: Durch die Clusteranalyse konnte eine klinisch-biomechanische Einteilung der Gangliniendaten nach Fersenbeinfraktur erreicht werden. Es deutete sich an, dass eine Verlagerung der Ganglinie mit dem Langzeitoutcome in Verbindung steht. Eine initial reduzierte Geschwindigkeit der Ganglinie kann zudem als kontrollierteres Abrollverhalten gewertet werden was langfristig zu einem besseren Outcome führt. Weitere Analysen zusätzlicher Bewertungskriterien (z.B. Röntgenbild) sowie Ansätze zum Deep-Learning sind notwendig um den Einsatz von CoP-Daten zur klinischen Beurteilung zu stützen. 1Sanders et al. 2020, Clin.Biomech

Gang- und Bewegungsanalyse

Vortrag

Prof

Auswirkungen einer selektiven dorsalen Rhizotomie auf den Gang und die Mobilität bei Kindern mit bilateraler spastischer Cerebralparese

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung Dehungsgeschwindigkeits-abhängiger erhöhter Muskeltonus ist ein Hauptmerkmal der Spastizität bei CP. Die selektive dorsale Rhizotomie (SDR) ist eine neurochirurgische OP, die nicht an der Muskel-Sehnen-Einheit [MTU] eingreift, sondern sensorische Nervenwurzeln des Rückenmarks durchtrennt, um Spastizität zu verringern. Wir untersuchten die Effekte der SDR bei bilateraler spastischer CP (BSCP) auf Spastizität, Gang und Mobilität, sowie Prädiktoren für ein besseres Ergebnis. Methoden 43 Kinder mit BSCP (5,7±2,3 J.) wurden vor und 7,4±1,8 Mo. nach SDR untersucht, erhielten eine 3DGA und MQ47Mobilitätsfragebogen (Eltern). N=19 hatten zuvor eine Myofasziotomie [MYO]. Spastizität wurde klinisch getestet (mod. Ashworth-Skala) und zudem via max. MTU-Dehnungsgeschwindigkeit von Gastrocnemius, Hamstrings und Rectus-femoris beim Gehen operationalisiert. Weg-Zeit Parameter, Gait Profile Scores (GPS) und Statistical parametric mapping (SPM) für Gelenkwinkel wurden fokussiert, GMFCS I-II vs. III-IV stratifiziert und Prädiktoren für eine Verbesserung analysiert. Results Ashworth-Scores verringerten sich sign. und die MTU-Dehnunggeschwindigkeiten der 3DGA waren schneller (+36,1-47,9%, P&lt;0.001). Die Mobilität nahm zu, der GPS ab (Abb. 1 und 2). Bei GMFCS I-II zeigte sich mehr Knieflexion während der Schwungphase. Kinder in GMFCS III-IV gingen 6,8% schneller (P&lt;0,001) mit mehr Hüft- und Knieextension, sowie weniger Hüftadduktion und Fußinnenrotation. Jüngere Kinder (r=0,23, P=0,05), ohne MYO (P=0,017), mit größerem prä-OP GPS (R=-0,51, P&lt;0,01) zeigten ein besseres GPS-Ergebnis. Schlussfolgerung Die SDR induzierte eine Linderung der Spastiziät und verbesserte die motorische Funktion im Gang und die Alltagsmobilität. Jüngere Kinder mit hoher Gangpathologie zeigen mehr Verbesserung. Eine vorherige MYO verzögert die Erholung ggf., wobei weitere Funktionsgewinne 12-24 Mo. erwartbar sind [2]. [1] Roorda 2010. ArchPhysMedRehabil,1194-209. [2] Funk. 2015. RDD, 127–134.

Difference in gait kinematics and kinetics between patients 1 year after total hip or knee arthroplasty and healthy controls

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Patients undergoing unilateral total knee arthroplasty (TKA) or total hip arthroplasty (THA) often develop osteoarthritis of the contralateral knee or hip joint1. However, gait research in patients after TKA or THA has mainly focused on the affected but not on the adjacent joints or the contralateral side. Purpose: To evaluate whether there are differences in gait kinematics and kinetics of the contralateral and ipsilateral side of TKA and THA patients compared to asymptomatic controls. Methods: 103 participants (45 patients 1 year after THA; 30 patients 1 year after TKA; 28 controls) performed a three-dimensional instrumented gait analysis on an overground walkway with two embedded force plates using the PlugInGait model. Differences in lower extremity kinematic and kinetic waveform data between each patient group and controls were analyzed using statistical parametric mapping with independent samples t-tests (p&lt;0.05). Results: Compared to controls, patients after TKA had greater hip flexion (p=0.012) and ankle dorsiflexion (p=0.024) angles and greater knee adduction (p&lt;0.001) and lower ankle dorsiflexion (p=0.001) moments on the contralateral side (Fig.1). On the ipsilateral side, TKA had greater sagittal ankle (p=0.018) and hip (p=0.024) angles and lower ankle moments (p&lt;0.01) than controls. THA patients had only smaller hip adduction (p=0.039) and greater knee flexion (p=0.027) angles on the ipsilateral side compared to controls (Fig.2). Discussion: Differences in kinematic and kinetic patterns in TKA compared to controls were observed not only on the operated joint, but also in adjacent and contralateral joints. In contrast, THA differed from controls only in ipsilateral joint kinematics. The results suggest that 1 year after surgery, THA patients may have had faster rehabilitation in contralateral joints than patients who underwent TKA. 1Alnahdi et al. 2011 J Orthop Res

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Prof. Dr.

Pelvic tilt, body mass index and kinesiophobia explain paraspinal muscle endurance in patients with symptomatic lumbar spinal stenosis

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Spinopelvic alignment has been associated with paraspinal muscle quality1 and paraspinal muscle endurance (PME) in trunk extension2 in patients with symptomatic lumbar spinal stenosis (sLSS). Aim To examine the associations between spinopelvic balance, PME as assessed in a modified Biering-Sørensen (BS) test (Roman chair; 45° incline) and self-reported kinesiophobia in patients with sLSS scheduled for decompression surgery. Methods Thirty-seven patients with sLSS (25M/12F; age, 69±9 years; BMI, 25.6±4.4 kg/m2) were assessed by biplanar whole-body radiography, performed a modified BS test and completed the Tampa questionnaire3. Pelvic tilt (PT), pelvic incidence (PI) and sacral slope (SS) were extracted from the radiographs. PME was assessed as the duration of the BS test. Pearson correlation was used to investigate the associations between parameters. Forward stepwise linear regression analysis was performed with PME as dependent and PT, PI, SS, BMI, and Tampa score as independent parameters. Results PME was significantly associated with PT (R=-0.508, P&lt;0.001) and BMI (R=-0.499, P=0.002). There were no correlations between PME, PI and SS. Stepwise linear regression revealed that BMI explained 33% of the variance of paraspinal muscle endurance (R=0.573, P&lt;0.001). Inclusion of PT and Tampa score increased the explained variance to 60% (R=0.777, P&lt;0.001) and 69% (R=0.830, P=0.011), respectively. Conclusion Our results confirm pervious reports2 regarding associations between spinopelvic alignment and PME in patients with sLSS. BMI, PT, and the Tampa Score are important factors for muscle endurance in the BS test. The reasons for the importance of PT in PME are unclear and may include stenosis, shortened muscles, rigidity, and/or pain. Understanding these factors is important for developing improved treatment regimen. Funding: SNF 204461 1 Zhang et al. 2021 N Am Spine Soc J 2 Han et al. 2022 J Orthop Translat 3 Miller et al. 1991 Clin J Pain

Pilotstudie: Schultergelenkszentrumsbestimmung mittels 3D Ultraschall – Reproduzierbarkeit und Validität

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Die Bestimmung des Schultergelenkzentrums (GJC) für die Bewegungsanalyse beschreibt eine Lokalisierung mithilfe von Algorithmen oder bildgebenden Verfahren. Aufgrund der komplexen Struktur kann eine genaue Bestimmung herausfordernd sein, ist jedoch essenziell, um Schulterbewegungen mittels eines optoelektronischen 3D Messsystems (3DM) zu analysieren. Ziele Die Evaluierung der Validität und Reproduzierbarkeit verschiedener Methoden: prädiktive - PJC, funktionelle – FJC und Bestimmung über 3D Ultraschalltechnik (US). Materialien &amp; Methoden Das GJC wurde prädiktiv [1], funktionell [2] mit einem 3DM und mit US (sitzend-USs und liegend-USr) bestimmt (5 uneingeschränkten Personen (ND), 4 mit subakromialen Impingement Syndrom (PG)). Das PJC wurde statisch mit anatomischen Markern bestimmt, das FJC mit dynamischen Schulterkreisbewegungen. Die Reproduzierbarkeit (E) wurde über den mittleren quadratischen Fehler von 3 Versuchen berechnet. Für den US wurde ein Ultraschallkopf mit Markern über den Humeruskopf bewegt, dessen 3D Koordinaten in das 3DM transferiert und das GJC mittels Sphere-Fitting bestimmt. Um die Validität über die euklidische Distanz (ED) zu bewerten, wurde für PG zusätzlich MRT verwendet. Für den Inter-Rater Vergleich wurden der Standardfehler (SEM) und der kleinste relevante Unterschied (MDC) zu einem zweiten Untersucher berechnet. Ergebnis US-Methoden zeigten eine bessere Reproduzierbarkeit als FJC in ND (Tab. 1). In PG war US in liegender Position am besten (Tab. 2). Das FJC zeigte die größte Abweichung im Vergleich zur Bestimmung mit MRT. Die kleinste Distanz zwischen MRT und US wurde in USr gefunden. Im Inter-Rater Vergleich zeigten sich nur minimale Unterschiede. Der SEM beträgt 2,67 mm, der MDC 7,67 mm. Zusammenfassung Trotz der limitierten Anzahl an Personen, zeigen die ersten Ergebnisse, dass die Bestimmung des GJC durch US genauer, reproduzierbarer und verlässlicher ist. Literatur [1] Meskers et al.,1998. [2] Gamage &amp; Lansby,2002.

MATLAB-to-Python translation and performance evaluation of a gait sequence detection algorithm using lower-back IMU sensor data of different clinical cohorts

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction The increasing prevalence of mobility-limiting diseases, such as Parkinson's disease (PD), poses a serious burden on healthcare systems. Wearable inertial measurement units (IMUs) allow for long-term monitoring of disease progression and could, therefore, be used to track changes in gait. To assess gait, raw IMU data needs to be processed to obtain clinically relevant parameters. While many studies have focused on a single IMU worn on the lower-back, they often used unavailable software to extract data. However, open-source code implementations for extracting clinically relevant parameters are inevitable to allow data extraction at large scale and, in every clinical setting. Aim The current study aimed to translate an already validated MATLAB-based algorithm for detecting gait sequences [1] into Python [2], and to test its performance in healthy adults and five mobility-affected cohorts. Materials &amp; Methods We analyzed the data from 100 participants each having 2.5 hours of recordings from a lower-back IMU sensor [3]. The outcomes of the algorithm were compared with reference gaits obtained through insole pressure sensors. Then, we calculated various indices, including sensitivity (True positive gaits divided by the sum of True and Negative gaits), using sliding 0.1s windows, as comprehensively discussed in [1]. Results We presented sensitivities between Python and MATLAB versus reference gaits for various groups in Fig. 1. The mean sensitivity for different clinical cohorts in the Python-based algorithm is [0.85 0.93], while for the MATLAB-based, is [0.85 0.94]. Summary The performance of the GSD in Python is comparable to the MATLAB one, across all different clinical cohorts. In our view, this marks an important initial step towards the development of an open-source toolbox for the analysis of human motion data. References 1. Micó, et al. JNER. 20(1), (2023). 2. https://neurogeriatricskiel.github.io/NGMT 3. Mazzà, et al. BMJ O. 11(12), (2021).

Effekte eines aktiven rückenunterstützenden Exoskeletts auf die körperliche Beanspruchung bei arbeitsbezogenen Tätigkeiten

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Häufige Kraftanstrengungen und repetitive Tätigkeiten stehen im kausalen Zusammenhang mit der Entwicklung von Muskel- und Skeletterkrankungen [1]. Von rückenunterstützenden Exoskeletten wird behauptet, dass sie körperliche Beanspruchungen bei der Arbeit reduzieren [2], ohne dass dies bisher umfänglich wissenschaftlich nachgewiesen wurde. In dieser Studie werden die Effekte eines aktiven Exoskeletts auf die Muskelaktivität, kardiovaskuläre und subjektive Beanspruchung bei arbeitsbezogenen Tätigkeiten untersucht. 10 Probanden (41 ± 12 Jahre, 180 ± 6 cm, 81 ± 11 kg) führten mit und ohne aktives rückenunterstützendes Exoskelett (Cray X 5th Gen, German Bionic Systems, DE) mehrere arbeitsbezogene Aufgaben in einer standardisierten Arbeitsumgebung durch. Für die Beanspruchungsbeurteilung bei steigender Belastung (5-35 kg) wurden die Bewegungsabläufe analysiert und die Muskelaktivität (Myon m320, Myon AG, CH) der Mm. Erector spinae, M. gluteus maximus, M. rectus femoris und M. biceps femoris gemessen. Mit Exoskelett wurde eine signifikant reduzierte Muskelaktivität (7-35 %) der Rücken- und Glutealmuskulatur bei Hebetätigkeiten ermittelt (p &lt; 0.05). Dem gegenüber steht die zum Teil signifikant erhöhte Aktivität der Oberschenkelmuskulatur. Die Herzfrequenz und die subjektive Beanspruchung waren bei hohen Gewichten mit Exoskelett um rund 7 % geringer. Die Ausführungsdauer der Gleichgewichtsaufgaben und die subjektive Beanspruchung waren mit Exoskelett nicht signifikant erhöht. Bei den meisten Aufgaben nahm die Aktivität der Rücken- und Glutealmuskulatur ab. Es ist anzunehmen, dass die Entlastung der Rückenstrecker den Nebeneffekt Belastungsumverteilung und die damit verbundene höhere Oberschenkelaktivität aufwiegt. Es wird angeregt, Exoskelette an realen Arbeitsplätzen über den gesamten Arbeitstag zu testen und zu untersuchen, ob mit Exoskeletten eine verzögerte Ermüdung auftritt. 1 Steinhilber et al., 2020. AWMF Leitlinie. 2 von Glinski et al. 2019. J Clin Neurosci.

Validierung eines IMU basierten 2-Segmenten Fußmodells gegen ein optisches markerbasiertes Multi-Segmenten Modell

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Der derzeitige Goldstandard für eine instrumentierte, klinische Ganganalyse ist ein optisches Bewegungserfassungssystem (OMC) unter der Verwendung eines Multi-Segmenten Fußmodell. Eine zeit- und kosteneffiziente Alternative könnte ein System basierend auf Inertialen Messeinheit (IMUs) sein. Diese sind jedoch auf ein einziges Segment für Fuß und Sprunggelenk beschränkt. Daher wurde ein 2-Segmenten Fußmodell entwickelt, das eine separate Auflösung von Rück- und Mittelfuß, analog zu den Multi-Segment Modellen, ermöglicht. Ziele: Ziel der Studie war es, die Validität das neu entwickelte 2-Segmenten Fußmodell gegen ein optisches, markerbasiertes System zu untersuchen. Materialien &amp; Methoden: 12 gesunden Proband*innen (Alter: 26 (± 5) Jahren; BMI: 21,8) wurden rekrutiert. Für das IMU-basierte, 2-Segmente Fußmodell wurden 9 IMUs (Ultium, Noraxon U.S.A., Inc., Scottsdale, AZ, USA) an Pelvis, Oberschenkel, Unterschenkel, Ferse und dorsalem Fußrücken angebracht. Verglichen wurde die Kinematik des IMU-Systems mit dem Oxford Foot Model (OFM) unter Verwendung eines OMC Systems (Optitrack prime 17W, NaturalPoint, Inc., Corvallis, USA). Alle Proband*innen absolvierte 5 Touren auf einem 10-Meter Laufsteg. Die Daten wurden über alle 5 Durchläufe auf 100% Gangzyklus gemittelt. Ergebnisse: Die Kinematikkurven über 100% Gangzyklus zeigten für die Sagittalebene für Tibia-Rückfuß, Tibia-Vorfuß und Rückfuß-Vorfuß gute Übereinstimmungen zwischen dem IMU basierten 2-Segmenten Fußmodell und dem OFM. In der Frontal- und Transversalebene konnte für Tibia-Rückfuß kein Unterschied zwischen den beiden Messsystemen festgestellt werden. Zusammenfassung Zusammengefasst zeigte sich für die Sagittalebene eine hohe Validität des IMU-basierte 2-Segmenten Fußmodells im Vergleich zu dem aktuellen Goldstandard. Daher sehen die Autor:innen die Anwendbarkeit des neuen 2-Segmenten Fußmodells für die klinische Ganganalyse gegeben.

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