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

Prof. Dr.

Anteil einzelner Vorfußareale am Push-off Peak bei verschiedenen Geschwindigkeiten während des Gehens

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Der Push-off während der terminalen Standphase hat einen entscheidenden Anteil an der Vorwärtsbewegung während des Gehens. Dieser ist bei Personen mit einer Zehen-/Vorfußamputation eingeschränkt [1]. Die steigende Anzahl der Minoramputationen [2] und ein beschränktes Versorgungsangebot erfordern die Erforschung der Biomechanik des Vorfußes für die Entwicklung biomimetischer Hilfsmittel. Ziele: Mithilfe von Druckmesssohlen sollen die relativen Anteile einzelner Vorfußareale am Push-off Peak bei verschiedenen Geschwindigkeiten bestimmt werden. Materialien &amp; Methoden: Die vertikale Sohlenkraft wurde bei 15 gesunden Personen beim Gehen bei verschiedenen Geschwindigkeiten (0.8 m/s; 1.2 m/s; 1.6 m/s; max. Gehgeschwindigkeit) auf dem Laufband untersucht. Das Novel-Pedar-X System wurde in standardisierten Schuhen verwendet und Masken für Bereiche gängiger Amputationslevel (Hallux, 1. Zehenstrahl, Zehen I-V) basierend auf Palpation anatomischer Landmarken festgelegt (Abb. 1). Die summierte Kraft der einzelnen Sensoren einer Maske wurde am Push-off Peak der Gesamtkraft relativiert und mittels ANOVA zwischen den Bedingungen verglichen. Ergebnisse: Die relativen Anteile betragen beim normalen Gehen (1.2 m/s) 28.6 % (Hallux), 41.8 % (1. Zehenstrahl) und 68.7 % (Zehen I-V) (Tab. 1). Neben einer Erhöhung des Push-off Peaks erhöhen sich auch die rel. Anteile der Vorfußareale bei zunehmender Geschwindigkeit. Der rel. Anteil des Hallux steigert sich um 64.6% bei 1.6 m/s Gehgeschwindigkeit verglichen mit 0.8 m/s und damit mehr als der rel. Anteil der anderen Areale. Zusammenfassung: Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die besondere Bedeutung des Hallux in der Geschwindigkeitsgenerierung beim Gehen. Es sollte also bereits bei einer Hallux-Amputation eine adäquate Versorgung in Betracht gezogen werden, um die Defizite in der Push-off Phase auszugleichen. Literatur: [1] De Oliveira et al., 2023, Br J Sports Med [2] Spoden et al., 2019, BMC Health Serv Res.

Gang- und Bewegungsanalyse

Vortrag

Das Potenzial zum biartikulären Energietransfer durch den Gastrocnemius Muskel steigt bei zunehmender Gang- und Laufgeschwindigkeit

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Der zweigelenkige Gastrocnemius Muskel ermöglicht eine Verteilung und einen Transfer mechanischer Energie zwischen dem Knie- und Fußgelenk, was die mechanische Arbeit und Leistung am Fußgelenk während der Fortbewegung beeinflusst. Ziel Basierend auf der Kopplung der Fuß- und Kniegelenkkinematik, wird das Potenzial des biartikulären Energietransfers durch den zweigelenkigen Gastrocnemius Muskel bei langsamen bis zu maximalen Gang- und Laufgeschwindigkeiten untersucht. Materialien &amp; Methoden Während des Gehens (0,7, 1,4, 2,0, 2,4 m/s) und Laufens (3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 8,4 m/s) auf einem Laufband wurden die Fuß- und Kniegelenkwinkel des rechten Beins in sagittaler Ebene von 14 Teilnehmenden gemessen. Der Coupling angle der beiden Gelenke wurde verwendet, um das Potential des Energietransfers während der Standphase zu bewerten, d.h. 0-90° Transfer von Knie- zu Fußgelenk (gleichzeitige Kniextension und Plantarflexion) und 180-270° von Fuß- zu Kniegelenk (gleichzeitige Dorsalflexion und Knieflexion). Ergebnisse Das linear gemischte Model zeigte einen signifikanten Effekt der Geschwindigkeit auf die Frequenz der Coupling angle-Muster während des Gehens und Laufens (p&lt;0,05; Abb. 1). Bei den hohen und maximalen Gang- als auch Laufgeschwindigkeiten nahm die Frequenz der Coupling angle, die einen Energietransfer vom Knie- zum Fußgelenk anzeigen, jeweils am Beginn der Abdruckphase (Gehen) sowie über die gesamte Abdruckphase zu (Laufen, Abb. 1). Zusammenfassung Eine Modulation der intersegmentalen Koordination bei hohen Geschwindigkeiten erhöht das Potenzial des Energietransfers vom Knie- zum Fußgelenk und ermöglicht somit die Steigerung der mechanischen Arbeit und Leistung am Fußgelenk, die für das Erreichen hoher Fortbewegungsgeschwindigkeiten nötig ist. Abb. 1 Coupling angle in den untersuchten Gang- und Laufgeschwindigkeiten.

Altered muscle synergy patterns in individuals with medial gonarthrosis also present in unaffected side

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) INTRODUCTION Individuals with knee osteoarthrosis (KOA) often exhibit diminished locomotor capabilities and changes in muscle activity. The analysis of muscle synergies allows for insight into the neuromuscular organization of cyclic tasks like locomotion [1]. Plasticity of these synergies has been observed in patients with KOA and post-TKA [1,2]. Whether this plasticity is limited to the affected side remains unclear, but can be relevant for early intervention and the identification of compensatory mechanisms. METHODS 18 participants (KOA group: 7 with stage 3-4 KOA, 64.8±9.1 yrs; 170.5±9.7 cm; 75.8±12.1 kg; CTRL group: 11 healthy age-matched, 63.6±7.7 yrs; 170.5±9.6 cm; 72.2±11.5 kg) performed 10 trials of overground level walking at self-selected speed. 14-Channel sEMG was used to record 7 muscles per leg (Fig. 1). EMG signals were decomposed using non-negative matrix factorization, synergies were classified through k-means clustering [1]. Analysis was employed using SPM for activation patterns, and 1-way ANOVA for muscle weights. Post-hoc comparisons were conducted through pairwise t-tests with Benjamini-Hochberg adjusted p-values, Cohen's d was applied for effect sizes (ES). RESULTS In intragroup comparison, SPM revealed similar activation patterns in contralateral legs, no significant differences were observed in the respective muscle weights. In intergroup analysis, the KOA group's synergy 1 revealed increased ST and BF weights (ST: ES = .09, p &lt; .01; BF: ES = 1.55, p &lt; .01). DISCUSSION &amp; CONCLUSION The two synergies of knee extensors (Fig. 1, syn 1) and -flexors (Fig. 1, syn 2) in CTRL merged into a single synergy in the KOA group in both limbs (Fig. 2, syn 1). This leads to the conclusion, the plasticity of neuromuscular organization associated with KOA might be more ingrained and not limited to the symptomatic side. REFERENCES [1] Santuz, A. et al. Int. J. Neur. Syst, no 05, 2017: 1750007 [2] Ardestani, M. et al. J Electromyogr Kinesiol, 37 2017: 90-100

Das Gangbild von Hallux- und Vorfußamputierten – eine Fallserie

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Minoramputationen (MA) gewinnen durch den Anstieg der Amputationszahlen an Bedeutung [1]. Die Mobilität der betroffenen Personen ist häufig eingeschränkt und die Biomechanik des Gehens verändert [2]. Um die individuellen Einflussfaktoren zu adressieren, werden die biomechanischen Auswirkungen in Form einer Fallserie betrachtet. Ziele: Mithilfe der Ganganalyse sollen die individuellen Abweichungen vom physiologischen Gehen bei Personen mit einer MA und die Inter-Patient Variabilität aufgezeigt werden. Methoden: Eine instrumentierte 3D Ganganalyse wurde mit jeweils vier Patienten mit einer Vorfußamputation (VA) und Halluxamputation (HA) barfuß durchgeführt. Die Daten wurden mit der Software Vicon Nexus 1.8.5 prozessiert und die Kinematik und Kinetik der unteren Extremität der ipsilateralen Seite ausgewertet und mit einem Datensatz von zehn gesunden Probanden verglichen. Ergebnisse: Die Patienten zeigen eine große Variabilität bezüglich der Plantarflexion in der Vorschwungphase (Abb. 1). Während zwei Patienten ein physiologisches Plantarflexionsmoment aufweisen, ist der Peak teilweise deutlich (bis zu 66%) reduziert (Abb. 2). Kinematische Veränderungen umfassen eine reduzierte Hüftextension und Knieflexion. Verlängerte Knieflexionsmomente können in Individuen beobachtet werden. Gegenläufige Tendenzen zeigen sich bei den Abweichungen vom physiologischen Gehen bei den Hüftmomenten innerhalb der VA. Zusammenfassung: Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen die individuellen Auswirkungen einer MA auf das Gehen. Besonders die Biomechanik des Sprunggelenks ist eingeschränkt. Während größere Veränderungen bei den Patienten mit einer kürzeren Stumpflänge zu beobachten waren, gibt es eine große Variabilität bezüglich der kompensatorischen Mechanismen. Die Fallserie unterstreicht die Notwendigkeit der Betrachtung multifaktorieller Einflussparameter. Literatur: [1] Spoden et al., 2019, BMC Health Serv Res. [2] De Oliveira et al., 2023, Br J Sports Med

Prof.

Einfluss von visuell- und mechanisch-induzierten Gangstörungen auf die dynamische Stabilitätskontrolle beim Stolpern

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Eine sichere Fortbewegung im Alltag setzt voraus, dass das neuromotorische System in der Lage ist posturale Korrekturen schnell und effektiv auszuführen um somit Störungen beim Gehen auszugleichen und Stürze zu vermeiden1. Ziel dieser Studie war es zu untersuchen, ob mechanisch- und visuell-basierte Gangstörungen die Mechanismen der dynamischen Stabilitätskontrolle verbessern und auf das Stolpern übertragen werden können. Dazu wurden 110 Briefzusteller und Industriearbeiter in zwei Laufband-Trainingsgruppen unterteilt; Gruppe MECH: mechanisch induzierte Gangstörungen an verschiedenen Körpersegmenten mittels pneumatisch betriebener Brems- und Lösevorrichtung und Gruppe VR: visuell induzierte Gangstörungen durch Rotationen der virtuellen Umgebung mittels VR Brille; sowie eine Kontrollgruppe. Um mögliche Übertragungseffekte auf das Stolpern zu analysieren gingen alle Teilnehmer über einen Parcours mit elektronisch auslösbaren Stolperelementen. Zudem wurden die Sturzereignisse im Alltag jeweils in den zwei Wochen vor und nach dem Training erfasst. Sowohl die MECH als auch die VR Gruppe zeigten eine vergleichbare trainingsbedingte Erhöhung der Toleranz der Stabilität beim Stolpern im Parcours (VR pre vs. post: -40±12 vs. -35±10cm; MECH: -42±14 vs. -35±14cm; p&lt;0.05) ohne Veränderungen in der Kontrollgruppe (-38±12 vs. -37±10cm). Die Verbesserung der dynamischen Stabilität beim Stolpern in MECH und VR war auf eine Reduzierung der anterioren Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts während des Ausgleichsschritts zurückzuführen. Weiterhin zeigten beide Trainingsgruppen, nicht aber die Kontrollgruppe, eine Reduktion von Beinahestürzen im Alltag von etwa 25-30%. Die Studie zeigt, dass sowohl Störungen der Dynamik der Körpersegmente als auch Beeinflussungen des visuellen Feedbacks beim Gehen zu einer Adaptation der dynamischen Stabilität führt und diese auf das Stolpern übertragen werden können, wodurch das Sturzrisiko reduziert werden kann. 1Bruijn et al. 2013; J R Soc Interface

PD Dr.

Classification of rheumatoid arthritis from hand motion capture data using machine learning

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Intro Classifying movement restrictions in patients with rheumatoid arthritis (RA) is challenging. Machine learning (ML) can identify patterns in the data that cannot be captured with statistical tools. Aim To test the feasibility of classifying RA patients and controls from hand motion capture data using automatic feature extraction (AFE) and ML and to evaluate if a larger feature set improves the performance. Methods 24 RA patients (ACR/EULAR 2010 criteria) and 23 controls performed tipping and flexion of the hand [1], which was captured by an optoelectronic measurement system at 100 Hz with 29 reflective markers placed on the hand dorsum. We extracted the 3D trajectories, expressed relative to the central wrist marker and normalized to the hand length, of 24 markers on one hand (excluding thumb markers). After linearly interpolating missing values we filtered the data using a 4th-order Butterworth filter at a 6 Hz cut-off frequency and extracted a minimal and extensive feature set from the hand trajectories using the AFE package tsfresh [2]. We compared 4 classifiers in combination with scaling and dimensionality reduction (Fig 1). For every combination of algorithms, we trained a model using a stratified 10-fold nested cross-validation (CV). Hyperparameters were found from an inner five-fold CV on the respective train set using grid search. We report the accuracy of the best model averaged over the 10 folds. Results The best accuracy was 68.2% for flexion and 62.7% for tipping (Fig 2). Using the extensive instead of the minimal feature set led to no major change in accuracy. Summary The classification performance based on AFE was below the anticipated level of accuracy (&gt;70%), likely due to the small dataset with limited data quality. We currently evaluate the approach on a more consistent, larger dataset and include expert features in addition to AFE. References [1] Phutane et al., Sensors, 21(4), 1208, 2021 [2] Christ et al., Neurocomputing, 307, 72-77, 2018

Paraspinal muscle fatigue affects posture of patients with symptomatic lumbar spinal stenosis (sLSS) and healthy elderly adults: results of a pilot study

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction It was previously shown that muscle quality correlates negatively with function in patients with sLSS[1], and that their posture may significantly change over time during walking[2]. Aim The aim of this study was to determine whether the influence of paraspinal muscle fatigue on static standing posture differs between patients with sLSS, elderly healthy persons, and young healthy persons. Methods The observational pilot study included 10 patients with sLSS(5M/5F,71±10yr), 10 elderly healthy persons(5M/5F,65±5yr), and 10 young healthy persons(5M/5F,26±2yr). Sagittal whole body standing posture was assessed using the Vicon motion capture system and the CGM 2.3[3] full-body marker model. Flexion/extension angles of the neck, spine, knees, ankles, and pelvic tilt were extracted during static upright standing before and after a paraspinal muscle fatigue test. Kruskal-Wallis test and post-hoc Mann-Whitney-U tests(α=.05) were used to test for group differences in the absolute angle changes between conditions. Results Significant differences in absolute angle changes were found between young persons and patients and young and elderly persons(p&lt;.05), but not between patients and elderly persons. Although not significant, the variance and magnitude in absolute angle changes were greater in patients compared to the other groups(Fig.1). Conclusion We provide first evidence that fatigue-induced postural changes in standing posture are comparable in patients with sLSS and elderly healthy persons and, therefore, may be age-dependent. Compared to the other groups, patients with sLSS had non-significant but noticeably greater intra-individual differences and larger fatigue-induced changes. The lack of significant differences could be an effect of the small group size and underlying age-related change. Funding: Gottfried und Julia Bangerter-Rhyner-Stiftung 1 Xia et al. 2021 BMC Musculoskelet Disord 2 Goto et al. 2017 Gait Posture 3 Leboeuf et al. 2019 Gait Posture

Session 5
Bewegungsanalyse ll

Appointment

Chairs

Programme

Session 5Bewegungsanalyse ll

Appointment

Chairs

Programme

Session 5
Bewegungsanalyse ll