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Betrachtung der Bewegungstrajektorie beim Gehen - Analyse eines neuartigen Auswerteverfahrens

Kollegger, Gerrit :
Betrachtung der Bewegungstrajektorie beim Gehen - Analyse eines neuartigen Auswerteverfahrens.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4548]
TU Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2014)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4548

Kurzbeschreibung (Abstract)

Einleitung Bewegung ist ein elementarer Bestandteil des Lebens. Durch die Fähigkeit zum aufrechten Gang hebt sich der Mensch von allen anderen Lebewesen ab. Täglich absolvieren wir eine große Anzahl von Schritten ohne über die Steuerung der Bewegung nachdenken zu müssen. Der Gang ist eine Selbstverständlichkeit der menschlichen Existenz. In der Bewegung selbst müssen eine Vielzahl von Freiheitsgraden des menschlichen Körpers kontrolliert und gesteuert werden. Ein Ausdruck der Komplexität dieses Systems ist die Variabilität der Bewegung. In den letzten Jahren wurde eine große Zahl von Publikationen und Anwendungen zur Ganganalyse hervorgebracht, wobei aber nur wenige Parameter des Gangs erfasst (z. B. Schrittzyklusdauer, Schrittlänge und Schrittanzahl) wurden. Die Ganganalyse ist bisher stark an stationäre Messsysteme (z. B. Kraftmessplatte und 3D-Bewegungserfassung) gebunden und ermöglicht somit ausschließlich die Betrachtung in einem sehr kleinen räumlichen Ausschnitt. Primäres Ziel der Arbeit ist die Erstellung eines automatisierten Auswertungssystems zur Prüfung folgender Fragestellung (Mickel, 2014): 1) Kann die Variabilität in der Bewegungsbahn mit dreidimensionalen Beschleunigungssensoren erfasst werden? 2) Können die Probanden der Untersuchung als Normalpersonen aufgefasst werden? 3) Welche Struktur haben die Fluktuationen in den einzelnen Phasen des Schrittzyklus?

Vergleichsexperiment Ziel des Experiments ist es einen Vergleich der Daten von 3D-Beschleunigungssensoren (Mickel, 2014) mit den kinematischen Daten des menschlichen Gangs zu ermöglichen (Perry & Burnfield, 1993). Dazu wurde unterhalb des Malleolus lateralis ein dreidimensionaler Beschleunigungsaufnehmer (ADXL 326, Analog Devices, 16g) am Schuh des Probanden befestigt. Zusätzlich zu den Daten des Beschleunigungssensors wurden die vertikalen Bodenreaktionskräfte über eine Kraftmessplatte (Kistler, 9287) aufgezeichnet. Die Mess-­ daten wurden in einem Pocket-­PC (Viliv, S5), der in einer Gürteltasche am Probanden befestigt wurde aufgezeichnet. Die Abtastrate betrug 1000Hz. Ausgestattet mit diesem Messsystem lief der Proband aus einem Abstand von 5m mit einer selbst gewählten Geschwindigkeit über die Kraftmessplatte. Die aufgezeichneten Daten des Experiments ermöglichten einen Vergleich der Messwerte der dreiaxialen Beschleunigungssensoren mit den in der Literatur beschriebenen vertikalen Bodenreaktionskräften (Perry & Burnfield, 1993). Der initiale Bodenkontakt (Heel strike) sowie das Abheben des Fußes (Toe-­off) konnten in den Verläufen der Beschleunigungsdaten eindeutig definiert werden.

Auswerteverfahren Im Rahmen einer Promotion (Mickel, 2014) wurden die Beschleunigungsdaten von 48 Probanden jeweils über einen Zeitraum von 20 bis 25 Minuten erfasst. Auf Grundlage der im Vergleichsexperiment gewonnen Erkenntnisse wurden die Daten in einzelne Schrittzyklen unterteilt sowie deren Dauer, die Dauer der Stand-­ und Schwungphase und die double-­support-­time bestimmt. Sämtliche Zeitreihen wurden einer trendbereinigten Fluktuations-­Analyse (Bunde, et al., 2000) unterzogen um Aussagen auf deren Langzeitkorrelation schließen zu können. Eine Vielzahl an Untersuchungen der letzten beiden Dekaden hat gezeigt, dass die Schrittzyklusdauer bei jungen, gesunden Versuchspersonen diese Struktur aufweist, während die Langzeitkorrelationen im Alter und bei diversen Pathologien (z. B. ALS, Parkinson, Huntington) "verloren" gehen (Hausdorff, 2007 & Scafetta, et al, 2009). Um eine Interindividuelle Vergleichbarkeit der Schrittzyklusdaten zu ermöglichen wurden die einzelnen Zyklen zeitlich normiert und die einzelnen Phasen des Schrittzyklus erneut bestimmt. Auf Grund der unterschiedlichen Sensorausrichtungen, bedingt durch die Art der Befestigung, bei jedem Probanden wurde die Gesamtvariabilität der Sensoren für jeden einzelnen Zeitpunkt der normierten Messreihen durch Multiplikation der drei Sensorwerte als Variabilitätsvolumen berechnet. Die Auswertung der gewonnen Daten war Bestandteil der Promotion von Mickel (2014). Durch die Entwicklung eines neuartigen Auswerteverfahrens ist es gelungen die Bewegungstrajektorie im Gang an Hand von Beschleunigungszeitverläufen zu analysieren. Dieses Verfahren ermöglicht zukünftig eine verbesserte Anwendung von ortsunabhängigen Messsystemen und konnte zur Beantwortung der Forschungsfragen (Mickel, 2014) herangezogen werden.

Diskussion und Ausblick Die im Rahmen des Vergleichsexperiments gewonnen Daten ermöglichen einen direkten Vergleich der bekannten vertikalen Bodenreaktionskräfte mit den aufgezeichneten Daten der dreidimensionalen Beschleunigungssensoren. In weiteren Untersuchungen ist zu klären welchen Einfluss die Position des Sensors am Fuß auf die Qualität der Daten hat. Durch diese neu gewonnen Erkenntnisse war es möglich die sehr große Zahl an Messdaten, 179.712.000 einzelne Datenpunkte, die von Mickel (2014) aufgezeichnet wurden automatisiert auszuwerten. Dabei ist gelungen 13.552 einzelne Schrittzyklen zu identifizieren. Dies stellt die bisher größte Zahl in einer Untersuchung dieser Art dar.Es konnte gezeigt werden, dass eine Betrachtung der Bewegungstrajektorie im Gang durch die Verwendung von dreidimensionalen Beschleunigungsaufnehmern möglich ist. Der Vorteil dieser Methode liegt in der geringen Größe und der Ortsunabhängigkeit des Messsystems. Eine zukünftige Weiterentwicklung des Systems, weitere Miniaturisierung und Funkübertragung, kann den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ermöglichen. Die Trainingswissenschaft kann den Einfluss der Ermüdung bei lang andauernden Bewegungen auf die Bewegungsvariabilität untersuchen. Im klinischen Einsatz kann ein gut nutzbares, kostengünstiges Diagnosesystem zur Frühdiagnose von orthopädischen und neurologischen Erkrankungen entwickelt werden. Eine Anwendung des Systems in der Pharmaindustrie (Auswirkung von Medikamenten) oder zur Steuerung von Industrierobotern ist ebenfalls denkbar. Die neu gewonnen Erkenntnisse und eröffnen eine große Bandbreite an Forschungsfeldern und Anwendun gen, die in sehr engem Bezug zum Menschen stehen und sich von der hier untersuchten Bewegung, dem Gang, lösen.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2014
Autor(en): Kollegger, Gerrit
Titel: Betrachtung der Bewegungstrajektorie beim Gehen - Analyse eines neuartigen Auswerteverfahrens
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Einleitung Bewegung ist ein elementarer Bestandteil des Lebens. Durch die Fähigkeit zum aufrechten Gang hebt sich der Mensch von allen anderen Lebewesen ab. Täglich absolvieren wir eine große Anzahl von Schritten ohne über die Steuerung der Bewegung nachdenken zu müssen. Der Gang ist eine Selbstverständlichkeit der menschlichen Existenz. In der Bewegung selbst müssen eine Vielzahl von Freiheitsgraden des menschlichen Körpers kontrolliert und gesteuert werden. Ein Ausdruck der Komplexität dieses Systems ist die Variabilität der Bewegung. In den letzten Jahren wurde eine große Zahl von Publikationen und Anwendungen zur Ganganalyse hervorgebracht, wobei aber nur wenige Parameter des Gangs erfasst (z. B. Schrittzyklusdauer, Schrittlänge und Schrittanzahl) wurden. Die Ganganalyse ist bisher stark an stationäre Messsysteme (z. B. Kraftmessplatte und 3D-Bewegungserfassung) gebunden und ermöglicht somit ausschließlich die Betrachtung in einem sehr kleinen räumlichen Ausschnitt. Primäres Ziel der Arbeit ist die Erstellung eines automatisierten Auswertungssystems zur Prüfung folgender Fragestellung (Mickel, 2014): 1) Kann die Variabilität in der Bewegungsbahn mit dreidimensionalen Beschleunigungssensoren erfasst werden? 2) Können die Probanden der Untersuchung als Normalpersonen aufgefasst werden? 3) Welche Struktur haben die Fluktuationen in den einzelnen Phasen des Schrittzyklus?

Vergleichsexperiment Ziel des Experiments ist es einen Vergleich der Daten von 3D-Beschleunigungssensoren (Mickel, 2014) mit den kinematischen Daten des menschlichen Gangs zu ermöglichen (Perry & Burnfield, 1993). Dazu wurde unterhalb des Malleolus lateralis ein dreidimensionaler Beschleunigungsaufnehmer (ADXL 326, Analog Devices, 16g) am Schuh des Probanden befestigt. Zusätzlich zu den Daten des Beschleunigungssensors wurden die vertikalen Bodenreaktionskräfte über eine Kraftmessplatte (Kistler, 9287) aufgezeichnet. Die Mess-­ daten wurden in einem Pocket-­PC (Viliv, S5), der in einer Gürteltasche am Probanden befestigt wurde aufgezeichnet. Die Abtastrate betrug 1000Hz. Ausgestattet mit diesem Messsystem lief der Proband aus einem Abstand von 5m mit einer selbst gewählten Geschwindigkeit über die Kraftmessplatte. Die aufgezeichneten Daten des Experiments ermöglichten einen Vergleich der Messwerte der dreiaxialen Beschleunigungssensoren mit den in der Literatur beschriebenen vertikalen Bodenreaktionskräften (Perry & Burnfield, 1993). Der initiale Bodenkontakt (Heel strike) sowie das Abheben des Fußes (Toe-­off) konnten in den Verläufen der Beschleunigungsdaten eindeutig definiert werden.

Auswerteverfahren Im Rahmen einer Promotion (Mickel, 2014) wurden die Beschleunigungsdaten von 48 Probanden jeweils über einen Zeitraum von 20 bis 25 Minuten erfasst. Auf Grundlage der im Vergleichsexperiment gewonnen Erkenntnisse wurden die Daten in einzelne Schrittzyklen unterteilt sowie deren Dauer, die Dauer der Stand-­ und Schwungphase und die double-­support-­time bestimmt. Sämtliche Zeitreihen wurden einer trendbereinigten Fluktuations-­Analyse (Bunde, et al., 2000) unterzogen um Aussagen auf deren Langzeitkorrelation schließen zu können. Eine Vielzahl an Untersuchungen der letzten beiden Dekaden hat gezeigt, dass die Schrittzyklusdauer bei jungen, gesunden Versuchspersonen diese Struktur aufweist, während die Langzeitkorrelationen im Alter und bei diversen Pathologien (z. B. ALS, Parkinson, Huntington) "verloren" gehen (Hausdorff, 2007 & Scafetta, et al, 2009). Um eine Interindividuelle Vergleichbarkeit der Schrittzyklusdaten zu ermöglichen wurden die einzelnen Zyklen zeitlich normiert und die einzelnen Phasen des Schrittzyklus erneut bestimmt. Auf Grund der unterschiedlichen Sensorausrichtungen, bedingt durch die Art der Befestigung, bei jedem Probanden wurde die Gesamtvariabilität der Sensoren für jeden einzelnen Zeitpunkt der normierten Messreihen durch Multiplikation der drei Sensorwerte als Variabilitätsvolumen berechnet. Die Auswertung der gewonnen Daten war Bestandteil der Promotion von Mickel (2014). Durch die Entwicklung eines neuartigen Auswerteverfahrens ist es gelungen die Bewegungstrajektorie im Gang an Hand von Beschleunigungszeitverläufen zu analysieren. Dieses Verfahren ermöglicht zukünftig eine verbesserte Anwendung von ortsunabhängigen Messsystemen und konnte zur Beantwortung der Forschungsfragen (Mickel, 2014) herangezogen werden.

Diskussion und Ausblick Die im Rahmen des Vergleichsexperiments gewonnen Daten ermöglichen einen direkten Vergleich der bekannten vertikalen Bodenreaktionskräfte mit den aufgezeichneten Daten der dreidimensionalen Beschleunigungssensoren. In weiteren Untersuchungen ist zu klären welchen Einfluss die Position des Sensors am Fuß auf die Qualität der Daten hat. Durch diese neu gewonnen Erkenntnisse war es möglich die sehr große Zahl an Messdaten, 179.712.000 einzelne Datenpunkte, die von Mickel (2014) aufgezeichnet wurden automatisiert auszuwerten. Dabei ist gelungen 13.552 einzelne Schrittzyklen zu identifizieren. Dies stellt die bisher größte Zahl in einer Untersuchung dieser Art dar.Es konnte gezeigt werden, dass eine Betrachtung der Bewegungstrajektorie im Gang durch die Verwendung von dreidimensionalen Beschleunigungsaufnehmern möglich ist. Der Vorteil dieser Methode liegt in der geringen Größe und der Ortsunabhängigkeit des Messsystems. Eine zukünftige Weiterentwicklung des Systems, weitere Miniaturisierung und Funkübertragung, kann den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ermöglichen. Die Trainingswissenschaft kann den Einfluss der Ermüdung bei lang andauernden Bewegungen auf die Bewegungsvariabilität untersuchen. Im klinischen Einsatz kann ein gut nutzbares, kostengünstiges Diagnosesystem zur Frühdiagnose von orthopädischen und neurologischen Erkrankungen entwickelt werden. Eine Anwendung des Systems in der Pharmaindustrie (Auswirkung von Medikamenten) oder zur Steuerung von Industrierobotern ist ebenfalls denkbar. Die neu gewonnen Erkenntnisse und eröffnen eine große Bandbreite an Forschungsfeldern und Anwendun gen, die in sehr engem Bezug zum Menschen stehen und sich von der hier untersuchten Bewegung, dem Gang, lösen.

Freie Schlagworte: Gang Bewegungsanalyse Schrittzyklus Beschleunigungssensor
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Humanwissenschaften > Sportwissenschaft
Fachbereich Humanwissenschaften
Hinterlegungsdatum: 17 Mai 2015 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4548
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45487
Gutachter / Prüfer: Wiemeyer, Prof. Dr. Josef ; Schmidtbleicher, Prof. Dr. Dietmar
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