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In der heutigen Zeit sind viele Menschen von Rückenschmerzen betroffen. Besonders in der Industrie, beispielsweise im Bereich der Logistik oder der Produktion, kommt es durch die gesundheitlichen Beschwerden zu Arbeits- und Produktionsausfällen. Um den Beschwerden vorzubeugen, werden Exoskelette entwickelt, die das Muskel-Skelett-System unterstützen.
Exoskelette sind am Körper getragene Assistenzsysteme, die mechanisch auf den Körper einwirken. Insbesondere reduzieren sie den Kompressionsdruck im Bereich des unteren Rückens. In diesem Zusammenhang wird mit der vorliegenden Bachelorarbeit die Entlastung der Lendenwirbel durch den Einfluss von Exoskelett-typischen Kräften, die im Bereich des Brustkorbs und der Oberschenkel wirken, untersucht. Dabei beschränkt sich die Untersuchung auf eine Anhebung, wie beispielsweise die Anhebung einer Kiste.
Mithilfe eines markerbasierten und nicht-invasiven 3D-Aufnahmeverfahrens wird eine Hebebewegung ohne Exoskelett aufgenommen. Die experimentelle Aufnahme wird in der Software OpenSim mit einem computerbasierten Skelettmodell verknüpft. Durch das Hinzufügen von Exoskelett-typischen Kräften, die auf das Skelettmodell beim Anheben wirken, wird die Krafteinwirkung während des Tragens eines Exoskeletts simuliert. Dabei entstehen Drehmomente im unteren Rückenbereich, die in dieser Arbeit analysiert werden.
Die Auswertung des nicht-invasiven Verfahrens liefert die Erkenntnis, dass der Einsatz eines Exoskeletts beim Anheben im Bereich der Lendenwirbel zu einer Verringerung der Drehmomente und somit zu einer Verringerung der Belastung des unteren Rückens führt.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.
Vergleich eines iOS-basierten zu einem markerbasierten System zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse
(2023)
Die iOS-basierte Methode zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse wird mithilfe von OpenCap durchgeführt. OpenCap ist eine Open-Source-Software, die laut Hersteller eine gute Alternative zu herkömmlichen Methoden der Bewegungsanalyse sein soll. Durch eine verständliche Menüführung, geringe Anschaffungskosten und ohne Notwendigkeit von Fachpersonal, soll hiermit eine großflächigere Anwendung von dreidimensionalen Bewegungsanalyse gegeben werden. (Uhlrich et al., 2022) Um diese Hypothese zu belegen wurde im Rahmen dieser Bachelorthesis eine kleine Studie mit 12 Probanden durchgeführt. Diese waren hauptsächlich Freiwillige der Hochschule Offenburg und sowohl männlich (7/12 Probanden) als auch weiblich (5/12 Probanden). Das Alter lag bei 25,76 ±5,08 Jahre, die Größe betrug 1,73 ±0,08 Meter und das Gewicht 69,38 ±7,12 Kilogramm. Die Probanden wurden zum Vergleich mit zwei verschiedenen Methoden zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse (OpenCap und markerbasierter) und bei zwei verschiedenen Sprungformen, aufgenommen.
Anschließend wurden die Ergebnisse der Gelenkwinkel für Hüfte und Knie der rechten Körperhälfte der Probanden betrachtet. Dabei fiel auf, dass die gemessenen Werte von OpenCap, für Hüfte und Knie verschieden stark von den markerbasierten Werten abwichen. Die Differenz der Hüftflexionswinkel, zwischen den beiden Messmethoden, war um einiges größer als die ermittelte Differenz der Knieflexionswinkel. Diese lag beim Counter Movement Jump (CMJ) für die Hüfte bei 8,01° ±10,89° und für das Knie bei -0,9° ±3,22°. Beim Drop Jump (DJ) ergaben die Differenzen für die Hüfte 15,91° ±12,35° und für das Knie 3,03° ±2,59°. Außerdem wichen die Ergebnisse auch von der Studie der OpenCap Erfinder ab, die mit einem mittleren absoluten Fehler von 4,5°, die App anpriesen. (Uhlrich et al., 2022)
Der Vergleich zeigte somit das OpenCap eine gute Alternative zur Messung offensichtlicher Körpersegmente oder Bewegungen, wie beispielsweise dem Knie, sein kann. Für Messungen der Hüftpartie eignet es sich derzeitig, aufgrund seiner Ungenauigkeit, weniger.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Hintergrund der Studie ist die Annahme, dass das Tragen von Barfußschuhen einen positiven Effekt auf die Gleichgewichtsfähigkeit eines Menschen hat und somit präventiv das Sturzrisiko vermindern kann. Ziel der Studie ist daher, einen Zusammenhang zwischen der Zehenfreiheit und der Gangsicherheit festzustellen. Zu diesem Zweck werden anhand einer Ganganalyse mit dem GRAIL-System, der Firma Motek Medical, das Laufverhalten von 23 Probanden in drei verschiedenen Schuhkonditionen (schmale Barfußschuhe, breite Barfußschuhe und getapte Zehen in Barfußschuhen) untersucht. Pro Perturbationsdurchgang werden jeweils fünf Gangzyklen vor und nach der Perturbation aufgenommen. Betrachtet werden die Kokontraktionswerte ausgewählter antagonistischer Muskelpaare des Ober- und Unterschenkels. Diese werden während der fünf Gangzyklen vor den einzelnen Perturbationen mittels EMG (Elektromyographie )-Sensoren gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das einmalige Tragen von Barfußschuhen und somit die kurzfristige Veränderung der Zehenfreiheit keinen signifikanten Einfluss auf die Kokontraktionswerte und somit auf die Gleichgewichtsfähigkeit hat. Lediglich beim langfristigen Tragen von Barfußschuhen wiesen die Ergebnisse leichte Tendenzen in Richtung einer Erhöhung der Gleichgewichtsfähigkeit auf. Daraus lässt sich ein Trainingseffekt der Barfußschuhe auf den menschlichen Körper ableiten, der langfristig zu einer Verbesserung der Gangsicherheit führt. Da diese Ergebnisse jedoch nicht signifikant sind, muss diese Annahme erst durch weitere Studien geprüft werden. Einen tatsächlich signifikanten Einfluss hatte hingegen der Lerneffekt, der sich während des Versuchsablaufs bei den Testpersonen einstellte, auf die Kokontraktionswerte. Hierbei zeichnet sich eine annähernd exponentiell fallende Kurve im Verlauf der Messungen ab. Interessant ist dabei, dass dies auch für die Baseline zutraf, also auf die Referenzmessung ohne Perturbationen. Dies deutet darauf hin, dass die Probanden nicht primär wegen der Perturbationen in einer angespannten bzw. vorbereiteten Haltung waren, sondern aufgrund des ihnen unbekannten Untergrunds, dem perturbationsfähigen Laufband. Bei zukünftigen Studien sollte daher für aussagekräftige Ergebnisse eine stärkere Eliminierung des Lerneffekts geachtet werden.
Es werden die aktuellen Studien über Fußformen auf signifikante Unterschiede zwischen Männer und Frauen, Einflussfaktoren wie das Alter, die Körpergröße, das Gewicht und den BMI untersucht. Weiter werden die Unterschiede zwischen verschiedenen Ethnien, Belastungen und dem Aufwachsen mit oder ohne Schuhe analysiert. Die Studien werden über PubMed und ConnectedPapers gesucht und die Daten mit Excel ausgewertet und graphisch dargestellt. Folgendes hat sich ergeben: das Alter hat im Wachstum des Fußes einen Einfluss auf die Fußlänge und die Fußbreite. Außerhalb des Wachstums hat das Alter Einfluss auf die fibulare Bogenlänge und die Bogenhöhe. Die Körpergröße hat Einfluss auf die Fußlänge, die fibulare Bogenhöhe, die distale Knöchelhöhe und den Ballenumfang. Das Gewicht hat im Fußwachstum einen Einfluss auf die Fußlänge. Außerhalb des Wachstums hat das Gewicht einen Einfluss auf die fibulare Bogenhöhe, die Höhe des distalen Knöchels, die Zehenhöhe und den Ballenumfang. Der BMI hat einen Einfluss auf die fibulare Bogenlänge, die mediale und distale Knöchelhöhe und die Zehenhöhe. Für die Fersenbreite und die Risthöhe wurden keine Einflussfaktoren gefunden.
Die freie Achillessehne wird bis heute meist als homogene Struktur betrachtet. Jedoch gibt es viele anatomische Studien, die einen verdrehten Aufbau der Achillessehne aufzeigen. Des Weiteren gibt es Studien der Achillessehne in vivo (hier nur in der Sagittalebene), als auch in vitro, bei denen heterogene Verschiebungen nachgewiesen wurden. So stellt sich die Frage, ob die Achillessehne wirklich als homogene Struktur betrachtet werden kann oder ob der besondere Aufbau einen maßgeblichen Einfluss auf die Physiologie hat. In dieser Studie sollen nun mit Hilfe von Ultraschalluntersuchungen Bewegungen in der Transversalebene der Achillessehne aufgenommen werden. Eine solche Studie gab es bisher noch nicht und könnte deswegen weitere wichtige Informationen über die Achillessehne liefern. Durch lokale, isolierte Stimulationen des musculus gastrocnemius medialis (GM) und musculus gastrocnemius lateralis (GL), soll gezeigt werden, ob es zu heterogenen Bewegungsmustern in der Achillessehne kommt. Analysiert werden die Ultraschallaufnahmen mittels einem 2D Speckle Tracking Verfahren, das auch in anderen Studien in der Sagittalebene verwendet wurde, seinen Ursprung jedoch in der Kardiologie findet. In dieser Pilotstudie wurden fünf Proband:innen (29,2 ± 8,5 Jahre) untersucht. Als Ergebnis wurden bei fast allen Proband:innen lokal unterschiedliche Bewegungsmuster in der Achillessehne bei isolierter Stimulation des GM und GL erfasst. In den drei Stimulationen, die pro Muskel durchgeführt wurden, waren die Ergebnisse innerhalb eines Probanden jeweils sehr ähnlich. Um die Funktionsweise und deren Einfluss nun noch genauer zu analysieren, gilt es in der Zukunft weitere Parameter in das Grundkonzept dieser Studie hinzuzufügen und mehr Proband:innen zu testen.
Im Leistungssport können Verletzungen den weiteren Karriereverlauf einer Athletin stark beeinflussen. Eine umso größere Rolle spielt daher der Rehabilitationsprozess. Diese Arbeit befasst sich mit den Kraftfähigkeiten des M. triceps surae nach einer Achillessehnenrekonstruktion im Bereich des Leistungsturnens. Die Quantifizierung der Kraftfähigkeiten erfolgt mit Hilfe von isokinetischen Krafttests. Dazu werden auf beiden Seiten einmal wöchentlich 2 x 3 Wiederholungen bei einer Testgeschwindigkeit von 30 deg/s durchgeführt. Die Messungen überspannen einen Zeitraum von 10 Wochen und beginnen 6 Monate postoperativ. Die Datenauswertung erfolgt mit MATLAB. Auf der unverletzten Seite werden keine oder nur geringfügige Änderungen in den Kraftfähigkeiten erwartet. Auf der verletzten Seite hingegen wird ein deutlicher Anstieg in den Kraftfähigkeiten erwartet. Die Kraftfähigkeiten werden über das maximale Drehmoment, den Drehmomentkraftstoß und die Kraftanstiegsrate (rate of force development = RFD) festgestellt. Werden die Messwerte aus der ersten und der letzten Messung verglichen, zeigen die Ergebnisse ein anderes Bild auf. Die Messwerte für die unbetroffenen Seite steigen um 17,1 % für das Drehmoment, um 17,2 % für den Drehmomentkraftstoß und um 20,4 % für die RFD. Auf der betroffenen Seite steigen die Werte respektive um 19,1 %, 15,2 % und 59,3 %. Es liegt also lediglich für die RFD ein deutlicher Anstieg im Vergleich zur unbetroffenen Seite vor. Ein anderes Ergebnis zeigt sich, wenn die Messwerte der ersten und der vorletzten Messung verglichen werden. Die Werte der unverletzten Seite steigen um 19,2 %, 19,6 % und 35,4 %. Auf der verletzten Seite hingegen, ist eine Steigerung von 32,6 %, 31,7 % und 102,2 % zu sehen. Somit liegt ein deutlicher Anstieg in dem Kraftfähigkeiten der verletzten Seite, auch in Bezug unverletzte Seite, vor. Ob es sich bei der letzten Messung um einen Ausreißer auf der betroffenen Seite handelt, lässt sich durch fehlende Folgemessungen nicht bestimmen.
Für eine fundiertere Aussage sollte ein längerer Zeitraum betrachtet werden. Aufgrund der zeitlichen Begrenzung für die Erstellung dieser Arbeit ist das leider nicht möglich.
Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.