Die Etablierung der instrumentierten Ganganalyse (IGA) als Verfahren zur unmittelbaren klinikrelevanten Gangbeurteilung - Darstellung der propulsiven und bremsenden Muskelaktivitäten beim Gehen

Summary

Objective: Determination of energy consuming - inhibitory - and energy providing - propulsive - muscular gait activities on the basis of the common three-dimensional force curves obtained with instrumented gait analysis.

Subjects: Registration of three-dimensional ground reaction force in a randomized group of 52 subjects with inconspicious gait with a mean body weight of 72 kg, a mean steplength of 69 cm and an average cadence of 123 steps/min.

Demonstration of the clinical relevance of the method with three case reports.

Design: For every test person, at least eight steps were measured using two piezoelectric force plates type Kistler 9286 centrally integrated in a walkway of 10 m. Through the mean value a characteristic, reproducible gait cycle was calculated for every individual as well as for the whole group.

From the time course of the force components in the three dimensions of space, acceleration is calculated by dividing force by mass, velocity by temporal integration of the acceleration and the local co-ordinates of the body's centre of gravity after another temporal integration.

With the - by now well-known - movement of centre of gravity in space, the total mechanical energy of a walking person can anytime be calculated by adding the potential, kinetic and rotational energy. The unknown, but small, rotational energy was neglected. The change in total energy during a gait cycle - representable as its temporal derivation or power curve - directly reflects degree and type of present muscular activity, whether inhibitory or propulsive.

Results: The motion of the centre of gravitation in three-dimensional space produces a sinus-shaped vertical movement of 3.4±0.8 cm (all data: arithmetic mean±SD), a sagittal movement - sinuslike, too, when seen relative to a reference system moved constantly at the average walking speed - of the amplitude 1.7±0.4 cm and a sinus-shaped lateral movement with half the frequency and of 2.0±0.4 cm amplitude. The average energy requirement per gait cycle is 180J, 87±13J potentially and 94±14 J kinetically. Because of the so-called pendulum mechanism (conversion of E_pot in E_kin and viceversa), however, the change in total energy - only this must be provided muscularly - is only 59±13J. This is 61±14W of muscular power, corresponding to a degree of efficacy of the pendulum mechanism of 67 ±6%.

The power curve interpreted for the first time shows two positive (propulsive) and two negative (inhibitory) peaks per functional stance phase, which may be informally related to the efficacy of simultaneously active dominant groups of muscles: The first negative peak reflects the inhibitory effect of the excentrically working quadriceps femoralis during the early stance phase, the second positive peak corresponds to the elevation and propulsion of the body by concentric action of the glutei and the tibialis anterior. The third negative peak reveals the inhibition of the falling centre of gravity, mainly by the excentrically active triceps surae, and the last positive peak corresponds to the propulsion following concentric contraction of the triceps surae at the end of the stance phase.

Conclusions: By calculating the time course of energy change from the ground reaction force during a representative gait cycle, passively physical and actively muscular force components can be distinguished for the first time. Thus functional deficits and compensatory mechanisms of pathological gaits can be immediately recognized and classified to the functional action of groups of muscles and/or joints.

Kurzfassung

Ziel: Bestimmung der energieverbrauchenden - bremsenden - und energieliefernden - propulsiv wirksamen - Muskelaktivitäten beim Gehen aus den üblichen dreidimensionalen Kraftmeßkurven der instrumentierten Ganganalyse

Gegenstand: Registrierung der dreidimensionalen Bodenreaktionskraft mit Kraftmeßplatten an einem zufällig zusammengesetzten Kollektiv von 52 gangunauffälligen Probandlnnen mit einem mittleren Körpergewicht von 72 kg, einer mittleren Schrittlänge von 69 cm und einer durchschnittlichen Kadenz von 123 Schritten/Minute. Demonstration der klinischen Relevanz der Methode an drei Fallbeispielen.

Gestaltung: Mittels zweier zentrisch in einen Laufsteg von 10 m Länge integrierter piezoelektrischer Kraftmeßplatten vom Typ Kistler 9286 wurden von jedem Probanden mindestens 8 Doppelschritte gemessen und daraus durch Mittelwertbildung ein charakteristischer, reproduzierbarer Gangzyklus errechnet. Aus dem Zeitverlauf der Kraftkomponenten in den drei Richtungen des Raumes erhält man mittels Division durch die Masse die Beschleunigung, daraus durch zeitliche Integration die Geschwindigkeit und nach nochmaliger Integration die Ortskoordinaten des Körperschwerpunktes als Funktion der Zeit. Bei nunmehr bekannter Bewegung des Schwerpunktes im Raum kann die mechanische Gesamtenergie des gehenden Menschen zu jedem Zeitpunkt durch Addition der potentiellen, kinetischen und Rotationsenergie berechnet werden. Die unbekannte, aber kleine Rotationsenergie wurde vernachlässigt. Die Änderung der Gesamtenergie während eines Gangzyklus - darstellbar als ihre zeitliche Ableitung oder Leistungskurve - widerspiegelt unmittelbar Ausmaß und Art der momentanen Muskelaktivität, ob bremsend oder propulsiv wirksam.

Ergebnisse: Die dreidimensionale Ortskurve zeigt eine sinusförmige Vertikalbewegung des Schwerpunktes von 3,4±0,8 cm (alle Angaben MW±SD), eine ebenfalls sinusähnliche Sagittal-bewegung - relativ zu einem mit der Durchschnittsgeschwindigkeit konstant bewegten Bezugssystem - der Amplitude 1,7±0,4 cm und eine sinusförmige Lateralbewegung mit halber Frequenz von 2,0±0,4 cm Amplitude. Der durchschnittliche Energiebedarf für einen Gangzyklus liegt bei 180 Joule, davon 87±13J potentiell und 93±14 J kinetisch. Die Änderung der Gesamtenergie - nur diese muß muskulär erbracht werden - beträgt indessen aufgrund des sogenannten Pendelmechanismus (Umwandlung von E_kin in E_pot und umgekehrt) lediglich 59±13 Joule. Dies entspricht 61±14 Watt Leistung bzw. einem Wirkungsgrad des Pendelmechanismus von 67±6%. Die erstmals interpretierte Leistungskurve zeigt zwei positive (propulsive) und zwei negative (bremsende) “Peaks” pro funktioneller Standbeinphase, die zwanglos der Wirkung gleichzeitig aktiver, dominanter Muskelgruppen zugeordnet werden können: Der erste negative “Peak” widerspiegelt die Bremswirkung des exzentrisch arbeitenden M. quadriceps während der frühen Standbeinphase, der zweite positive “Peak” entspricht dem Heben und Nachvornebringen des Körpers durch konzentrische Arbeit der Glutäen und des M. tibialis anterior, der dritte negative “Peak” zeigt die Bremsung des fallenden Schwerpunktes hauptsächlich durch den exzentrisch aktiven M. triceps surae, und der letzte positive “Peak” entspricht dem Vorschub dank konzentrischer Kontraktion des M. triceps surae am Ende der Standbeinphase.

Schlußfolgerungen: Durch die Berechnung der Energieänderungs- bzw. Leistungskurve aus der gemessenen Bodenreaktionskraft lassen sich erstmalig passiv-physikalische von aktivmuskulären Anteilen unterscheiden. Somit können funktionelle Defizite und Kompensationsmechanismen pathologischer Gangarten unmittelbar erkannt und dem funktionellen Einsatz von Muskelgruppen bzw. Gelenken zugeordnet werden.

Key words

Instrumented gait analysis - ground reaction force - three-dimensional motion of the centre of gravity - pendulum mechanism - energy and power requirement of walking - economy of gait - propulsive and inhibitory muscular efficiency in walking

Schlüsselwörter

Instrumentierte Ganganalyse - Bodenreaktionskraft - dreidimensionale Schwerpunktbewegung - Pendelmechanismus - Energie- und Leistungsbedarf beim Gehen - Ökonomie des Ganges - propulsive und bremsende Muskelfunktion beim Gehen