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Vergleich der mechanischen Parameter von Unterschenkelorthesen gemessen am Menschen und auf dem Prüfstand mittels dreidimensionalem markerbasiertem Kameramesssystem

  • Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die Auswirkungen auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten haben, leiden oft an Gangstörungen in der Schwung- und Standphase. Um diesen Gangstörungen entgegenzuwirken und einzelne Muskeln zu unterstützen oder zu ersetzen, stellt die Versorgung mit Unterschenkelorthesen eine Behandlungsoption dar. Den Ärzten steht dabei eine Vielzahl anPatienten mit neurologischen Erkrankungen, die Auswirkungen auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten haben, leiden oft an Gangstörungen in der Schwung- und Standphase. Um diesen Gangstörungen entgegenzuwirken und einzelne Muskeln zu unterstützen oder zu ersetzen, stellt die Versorgung mit Unterschenkelorthesen eine Behandlungsoption dar. Den Ärzten steht dabei eine Vielzahl an Orthesentypen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften zur Verfügung. Zur Beurteilung der Wirksamkeit einer Orthesenversorgung werden dreidimensionale Ganganalysen mit und ohne Orthese durchgeführt. Die Entscheidungsfindung wird durch eine Simulation des Bewegungsapparates, dem muskuloskelettalen Modelling, unterstützt. Aus den Messdaten der Ganganalyse mit Orthese wird mittels der inversen Dynamik auf die bewegungserzeugenden Muskelkräfte im Körper zurückgerechnet. Der-zeit wird das Gesamtmoment um das Sprunggelenk in die Berechnung mit einbezogen, welches sich aus dem internen Moment, erzeugt von Muskeln, Sehnen und Bändern der unteren Extremitäten des Patienten und dem externen Orthesenmoment zusammensetzt. Durch eine isolierte Ermittlung des Unterstützungsmoments einer Unterschenkelorthese kann durch das muskuloskelettale Modelling eine genauere Aussage über die Auswirkungen einer Unterschenkelorthese auf die Muskelaktivität der unteren Extremitäten und die Funktionalität des Bewegungsapparates des Patienten getroffen werden. Zur Bestimmung des Orthesenmoments wird die Rotationssteifigkeit, die wichtigste mechanische Eigenschaft einer Unterschenkelorthese mithilfe einer Testvorrichtung gemessen. Denn diese beschreibt das Widerstandsmoment der Orthese, das sie bei der Deformation in Plantar- oder Dorsalflexion er-zeugt, um eine gewisse Biegung um die Sprunggelenksachse freizugeben. Die Literaturrecherche ergibt, dass die Rotationssteifigkeit einer Unterschenkelorthese auf einem Prüfstand mit einem physischen Ersatzbeinmodell zur Fixierung der Orthese gemessen wird. In der bestehenden Testvorrichtung am Kinderspital Basel werden die Orthesen allerdings ohne Ersatzbeinmodell untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Ermittlung der Eignung der bestehenden Vorrichtung ohne Ersatzbeinmodell zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit. Dazu werden eine steife und drei Karbonfederorthesen auf der Testvorrichtung und am Bein eines gesunden Probanden in vergleichbaren Auslenkungen gemessen. Die Bewegung der Orthese wird mittels dreidimensionalem markerbasiertem Kameramesssystem aufgenommen und die kinetischen Daten über dreidimensionale Kraftmessplatten erfasst. Für den Vergleich der beiden Testkonditionen werden drei Parameter definiert. Der Erste ist das Deformationsmaß der Orthese. Dieses beschreibt die Deformationslinie des Orthesenschafts in Sagittalebene. Der Vergleich zeigt, dass dieses bei allen getesteten Orthesentypen in starkem Maß zwischen beiden Testkonditionen variiert und damit nicht vergleichbar ist. Der zweite Parameter ist die Betrachtung eines vereinfachten Modells für das Verhalten des Rotationspunkts in der Sagittalebene, um den der Orthesenschaft bei der Verformung rotiert. Hierzu werden Geraden durch die Marker des Schafts und des Fußes gelegt und deren Schnittpunktverhalten bei der Deformation analysiert. Die Bewegung des Schnittpunkts variiert je nach Testkondition, jedoch wird das Maß der Bewegung im Vergleich zu anderen Einflussfaktoren als vernachlässigbar eingestuft. Hier gleichen sich somit die beiden Testkonditionen. Der dritte Parameter ist die Rotationssteifigkeit der Orthese. Hierzu werden mit den Kraftmessplatten die Kräfte gemessen und mit den Positionsdaten der Marker ein Hebelarm und der Deformationswinkel definiert. Die ermittelten Daten weichen zwischen den Testkonditionen in großem Maß voneinander ab. Eine direkte Aussage über die Eignung der Testvorrichtung kann nicht getroffen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung am Bein des Probanden keine realistischen und da-mit verwertbaren Messdaten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit liefert. Schlussfolgernd sind die Messdaten beider Testkonditionen mit den angewandten Mess- und Berechnungsmethoden nicht vergleichbar. Die Eignung der Testvorrichtung lässt sich somit nur bedingt beurteilen. Einerseits liefert der Aufbau der Vorrichtung und die Messdurchführung Messda-ten zur Bestimmung der Rotationssteifigkeit, andererseits kann noch keine Aussage darüber getroffen werden, ob die Messdaten zu einer qualitativen Ermittlung der Rotationssteifigkeit der Orthese führen können. In zukünftigen Studien muss die Messung am Bein des Proban-den optimiert werden, um Referenzwerte für die Messung auf der Testvorrichtung bereitstellen zu können.show moreshow less
  • Patients with neurological diseases that affect muscle activity in the lower extremities often suffer from gait disorders in the swing and stance phase. To compensate these and to sup-port or replace individual muscles, the supply of lower leg orthoses is a treatment option. Clinicians have a variety of orthosis types with different mechanical properties to choose from. To evaluate thePatients with neurological diseases that affect muscle activity in the lower extremities often suffer from gait disorders in the swing and stance phase. To compensate these and to sup-port or replace individual muscles, the supply of lower leg orthoses is a treatment option. Clinicians have a variety of orthosis types with different mechanical properties to choose from. To evaluate the effectiveness of an orthotic fitting, three-dimensional gait analysis are performed with and without the orthosis. The decision-making process is supported by a modeling simulation of the musculoskeletal system. The measured gait data with orthosis provides information to calculate the movement generating muscles forces using inverse dynamics. Currently, the total moment around the ankle is used for the calculation. It is the sum of internal moment, generated by muscles, tendons and ligaments of the patient's lower extremities and the external orthotic moment. By determining the isolated support moment of a lower leg orthosis, musculoskeletal modeling can provide more accurate information about the effects of a lower leg orthosis on lower extremity muscle activities and the functionality of the patient's musculoskeletal system. For this purpose, the rotational stiff-ness, the most important mechanical properties of a lower leg orthosis, can be measured on a test bench. The rotational stiffness describes the moment of resistance the orthosis generates, when deforming in plantar or dorsiflexion to release a certain amount of flexion around the ankle joint axis. The literature research shows that the rotational stiffness of a lower leg orthosis is measured on a test bench using a physical surrogate leg to hold the or-thosis in place. The existing test setup at the Basel Children's Hospital is designed to test orthoses without a surrogate leg. The aim of this work is the determination of suitability of the existing test setup for the measurement of rotational stiffness. To qualify the test setup, one stiff and three carbon spring orthoses are measured on the test setup and on the leg of a healthy proband in comparable deflections. The movement of the orthosis is recorded using a three-dimensional motion capture system. The kinetic data is collected by three-dimensional force plates. Three parameters are defined to compare the two test conditions. The first one is the deformation degree of the orthosis. This describes the deformation line of the orthotic shank in sagittal plane. The comparison shows that this parameter varies significant between the two test conditions for all tested orthosis types which makes the test conditions not comparable. The second parameter is the analysis of a simplified model for the behavior of the rotation point in sagittal plane, the orthotic shank rotates around during deformation. For this purpose, straight lines are placed through the markers of the shank and foot to analyze their intersection point behavior during deformation. The movement of the intersection var-ies depending on the test condition, but the amount of movement is considered negligible compared to other influencing factors. At this point, the two test conditions deliver similar results. The third parameter is the rotational stiffness of the orthosis. To evaluate the rotational stiffness, the applied force is measured by the force plates and the lever arm and the angle of the shank are defined by the position of the markers. The calculated data varies massive between both test conditions. A statement of the suitability of the test bench is not possible at this point. The results show that the measurement of the orthosis on the leg of a test person does not provide realistic data for determining the rotational stiffness. In conclusion, the measure-ment data of both test conditions are not comparable with the applied measurement and calculation methods. The suitability of the test setup can only be assessed to a limited degree. It is possible to provide measurement data with the current design. But it is difficult to make a statement about the quality and correct dimension of the calculated rotational stiff-ness. In future studies, the measurement on the leg of the test person must be optimized to provide comparable values for the measurement on the test bench.show moreshow less

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Statistics

frontdoor_oas
Metadaten
Author:Elena Becker
Place of publication:Offenburg
Year of Publication:2022
Page Number:IX, 161
Language:German
GND Keyword:Bewegung; Capture
Tag:Rotationssteifigkeit; Unterschenkelorthese; markerbasiert
DDC classes:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Advisor:Steffen Willwacher, Beat Göpfert
Publishing Institution:Hochschule Offenburg
Granting Institution:Hochschule Offenburg
Date of final exam:2022/03/22
Document Type:Bachelor Thesis
Institutes:Abschlussarbeiten / Bachelor-Studiengänge / BM
Open Access:Nein
Release Date:2022/04/21
Licence (German):License LogoUrheberrechtlich geschützt