Einsatz der 2D-Bewegungsanalyse zur Erkennung von abweichenden Bewegungen

Originale Autorin Merinda Rodseth basierend auf dem Kurs von
Damien Howell

Top-Beitragende Merinda Rodseth, Kim Jackson, Jess Bell und Ewa Jaraczewska

Einleitung(edit | edit source)

In den letzten zehn Jahren hat die Nachfrage nach präzisen und genauen Methoden zur Beurteilung menschlicher Bewegungen zugenommen.(1)Bewegungs- und Haltungsanalysen sind wirksame Instrumente für die Diagnose, Therapie und Prävention von Erkrankungen des Bewegungsapparats.“(1)

Die Analyse menschlicher Bewegungen und Körperhaltungen ermöglicht es Klinikern, die Ausführung von Bewegungen zu beobachten und Risikofaktoren für Verletzungen zu ermitteln. Damit können bessere Entscheidungen getroffen werden, um die Genesungszeit des Patienten zu verkürzen und wirksame Behandlungspläne umzusetzen.(1)

Der Schwerpunkt dieser Seite liegt auf der Identifizierung und Definition wichtiger Referenzpunkte, die zur Beschreibung von Bewegungen und abweichenden Bewegungen bei der Analyse von 2D-Zeitlupenvideos nützlich sind.

Terminologie(edit | edit source)

Die Denotation oder Definition eines Wortes erklärt, was das Wort explizit bedeutet (Hauptbedeutung), während die Konnotation angibt, was es andeutet oder womit es in Verbindung gebracht wird. Die Konnotation ist das emotionale und kulturelle „Gepäck“, das mit dem Wort einhergeht und oft eine negative Folgerung mit sich bringt – was einen Nozebo-Effekt erzeugt.(2)

Abweichung – „das Abweichen von einem festgelegten Kurs oder einem akzeptierten Standard oder die Abweichung von einer Norm“.
Dysfunktion – „nicht ordnungsgemäß oder normal funktionierend“, „Abnormität“.

„Dysfunktion“ hat dabei eine negative Konnotation, während die Konnotation von „Abweichung“ eher neutral ist. Auch wenn diese Wörter synonym sein können, stellt die Bezeichnung „abweichend“ einen positiveren Ansatz dar und wird daher empfohlen.(2)

Eine Abweichung der Bewegung ist auch ein Synonym für eine Kompensation der Bewegung. Bewegungsabweichungen/-kompensationen können gut oder schlecht sein und positive oder negative Auswirkungen haben. Sowohl Menschen als auch Tiere wählen automatisch oder instinktiv die beste Kompensation, um Schmerzen zu vermeiden und die geringste Menge an Energie zu verbrauchen, basierend auf dem Gesetz des geringsten Widerstandes. Kompensatorische Bewegungen finden auf einer unbewussten Ebene statt und können noch lange nach der Heilung der ursprünglichen Verletzung und der Linderung der Schmerzen fortgesetzt werden, da die Bewegung zur Gewohnheit geworden ist.(2)

Kompensatorische Bewegungen können zu zusätzlichen Problemen oder Kompensationen führen und sind möglicherweise nicht die beste Bewegungsstrategie für den Patienten. Daher kann es manchmal notwendig sein, die unbewusste Kompensation für den Patienten auf eine bewusste Ebene zu bringen, um festzustellen, ob diese Kompensation tatsächlich die beste Strategie für den Patienten ist.(2)

Die Bewegungsabweichung/Kompensation kann durchaus auch die beste Strategie für den Patienten zu diesem Zeitpunkt sein, und er möchte sie vielleicht weiter anwenden. Der Physiotherapeut muss nach der Befunderhebung des Patienten feststellen, ob diese Kompensation verändert werden sollte. Dies bringt uns zur Verwendung des Wortes „korrigieren“ im Vergleich zu „verändern“, wenn wir uns auf Bewegungsabweichungen beziehen.(2)

Korrigieren – berichtigen

Verändern – umgestalten

Erst nach der Befunderhebung des Patienten und der Aufstellung einer Arbeitshypothese kann entschieden werden, warum es die Kompensation gibt, ob sie tatsächlich ideal für den Patienten ist oder ob es andere Kompensationen gibt, die eher in Betracht gezogen werden sollten. Anhand der Arbeitshypothese lässt sich daher feststellen, ob ein Eingriff zur Veränderung der Abweichung oder Kompensation gerechtfertigt ist. Es ist daher vorzuziehen, den Begriff „verändern“ anstelle von „korrigieren“ zu verwenden.(2)

Wichtige Bezugspunkte ( edit | edit source )

Um festzustellen, ob etwas in Bewegung ist, wird ein Bezugspunkt benötigt. Die Bewegung wird beschrieben in Relation zu:

  • Position
  • Geschwindigkeit
  • Richtung
  • Beschleunigung

Es ist jedoch wichtig, Bezugspunkte zu haben.(2) Es gibt einige etablierte Hauptbezugspunkte, die bei der Analyse von Bewegungen nützlich sind, um festzustellen, ob die Bewegung abweichend oder relativ normal ist.(2)

Bewegung relativ zur Horizontlinie ( edit | edit source )

Die Verwendung der Horizontlinie als Bezugspunkt ermöglicht es dem Kliniker, unökonomische Aufwärtsbeschleunigungen / Auslenkungen des Massenschwerpunkts (Center of Mass – CoM) zu beobachten.(3) Der Bezugspunkt ist der CoM, der nachweislich bei ruhig stehenden Menschen einige Zentimeter vor dem lumbosakralen Übergang liegt.(3) Die Verfolgung des CoM während der Bewegung, wie z. B. beim Gehen oder Laufen, ist jedoch viel komplizierter.(3) Wenn man den Beckenkamm als Ersatz für den CoM verwendet, lässt sich die vertikale Verschiebung leicht bestimmen, indem man den höchsten Punkt des Beckenkamms während der Flugphase mit seinem niedrigsten Punkt während der Standphase vergleicht.(4) Beim Laufen sollte diese vertikale Verschiebung des CoM etwa 6-8 Zentimeter betragen, während sie beim Gehen etwa 9 Zentimeter beträgt.(2) Die vertikale Verschiebung hat wichtige Auswirkungen auf die Verletzungsmechanik und den Energieaufwand.(4)(5)

Bewegung relativ zur Schwerkraftlinie oder Senkrechten ( edit | edit source )

Die Bewegung relativ zur Schwerkraftlinie wird als relativ zum CoM betrachtet. Beobachtet man einen Patienten von der Seite (sagittale Ansicht), so wird der CoM am Trochanter major vermutet.(2) Mit dem Trochanter major als Landmarke des Körpers werden eine senkrechte Linie (Schwerkraftlinie) und eine den Rumpf halbierende Linie gezogen, um die Abweichung des Rumpfes nach vorne oder nach hinten (Abweichung von der Senkrechten) zu messen.

Damien's Image - Line of gravity – Vertical Relative to Centre of Mass.jpg

Bewegung relativ zur Progressionslinie auf der Straße oder der Laufbahn ( edit | edit source )

Fußprogressionswinkel. Beidseitiges „Toe-out“ (Zehen zeigen nach außen) in der Stand- und Schwungphase

Die Messung entlang der Progressionslinie ermöglicht die Ermittlung des Fußprogressionswinkels (Foot Progression Angle – FPA) und kann leicht in der Ansicht von posterior vorgenommen werden.(4) Der Fußprogressionswinkel kann definiert werden als der Winkel zwischen der Fußachse und der Lauf- bzw. Gangrichtung.(6)(7)

Anhand dieser Längslinie, die den Fuß halbiert, lässt sich erkennen, ob der Patient mit den Zehen nach außen oder nach innen läuft.(2) In einem „Toe out“ (Zehen zeigen nach außen) ist die laterale Seite des Schuhs von hinten sichtbar, während bei einem „Toe in“ (Zehen zeigen nach innen) die Großzehe / der erste Strahl und die mediale Seite des Schuhs zu sehen sind.(4)

Bewegung relativ zum Massenschwerpunkt ( edit | edit source )

Der Massenschwerpunkt (CoM) ist ein Parameter, der in klinischen und praktischen Anwendungen weit verbreitet ist. Er ist ein Deskriptor des pathologischen Gangs und liefert nützliche Informationen über den Energiebedarf beim Gehen.(8) Die Stabilität des Körpers hängt von der Beziehung zwischen dem CoM und der Unterstützungsfläche (Base of Support – BoS) ab.(5) Da der CoM im Stehen einige Zentimeter vor dem lumbosakralen Übergang liegt, wird eine gedachte senkrechte Linie durch das Kreuzbein gezogen, um diese Relation darzustellen.(2)(8) Der CoM (d.h., sein Lot) sollte während der Standphase innerhalb der Unterstützungsfläche bleiben, wobei die senkrechte Linie, die den CoM darstellt, stets durch das Kreuzbein verläuft.(2)(9) Die Schwerkraftlinie teilt demnach theoretisch den Körper in zwei Hälften. Bei jedem Schritt oszilliert der CoM seitlich (lateral) in Richtung des gewichtstragenden Beins und schwingt dann beim nächsten Schritt wieder in Richtung des gegenüberliegenden Beins.(3) Die seitliche Verschiebung des CoM ist von besonderer klinischer Bedeutung, da sie bei vielen pathologischen Zuständen und orthopädischen Beeinträchtigungen eine Rolle spielt.(3)

Bild links: Standphase links – die Linie durch das Kreuzbein geht auch durch die mediale Ferse. Bild rechts: während der Standphase rechts verläuft die senkrechte Linie von der medialen Ferse nach oben links am Kreuzbein vorbei. So bleiben 2/3 der Körpermasse, einschließlich des Kopfes, rechts der Schwerkraftlinie.

Bewegung relativ zu einer Gelenkachse ( edit | edit source )

Einen Hinweis auf die Symmetrie der Bewegung bekommt man durch die Verwendung des maximalen Bestimmungspunktes des Bewegungsausmaßes eines Gelenks (Bezugspunkt: Gelenkachse). Dafür wird dieser mit der Gegenseite verglichen.(2)

Die folgende Abbildung zeigt links die linke Großzehe in ihrer maximaler Dorsalextension und rechts die rechte Großzehe in maximaler Dorsalextension (Ansichten von der rechten und linken Seite des Laufbands). Die Bilder ermöglichen einen Vergleich der Symmetrie zwischen beiden Körperseiten, was die Bewegung im Verhältnis zur gegenseitigen Extremität betrifft.

Maximum joint deviaton Damien image.jpg

Bewegung relativ zur angrenzenden Extremität oder Körperregion ( edit | edit source )

Eine Bewegung kann auch in Bezug auf das angrenzende Körpersegment beschrieben werden, wie zum Beispiel:(2)

  • Der Rumpf verschiebt sich nach rechts, aber nicht nach links
  • Beim Gehen wird eine stärkere Rumpfrotation nach links als nach rechts beobachtet
Bewegung relativ zu einem externen Objekt oder Ziel ( edit | edit source )

Auch das Treffen eines Ziels kann als Bezugspunkt für die Beschreibung einer Bewegung ausreichen.(2) Beim Golf kann der Bestimmungspunkt der sein, wenn der Golfschläger den Ball trifft, und an diesem Punkt analysiert der Physiotherapeut die Brustwirbelsäule und die Hüftposition des Golfers sowie die Bewegung im Vergleich zu festgelegten Normen.

Bei Kletterern bedeutet „das Ziel treffen“ den Moment, in dem der Kletterer den Fels oder den Vorsprung greift, und zu diesem Zeitpunkt wird die Bewegung analysiert. In diesem Fall ist der äußere Punkt (der Fels/der Vorsprung) der Bezugspunkt.(2)

Bild links – der Bestimmungspunkt ist dann erreicht, wenn der Golfschläger den Ball trifft – beachten Sie die Flexion der Wirbelsäule und die verminderte Hüftflexion. Das Bild rechts wurde aufgenommen, als die linke Hand den Griff erreichte.

Neben den bereits erörterten Bezugspunkten kann die Bewegung auch relativ zu Normwerten und relativ zur nicht betroffenen Seite beschrieben werden.(2)

Bezugssysteme für die Beschreibung von Bewegung ( edit | edit source )

Der Gang ist eine der am häufigsten untersuchten menschlichen Bewegungen und bezeichnet „die Verlagerung des Schwerpunkts während der Fortbewegung“.(10) Beim Menschen wird dies durch die synchronisierte und koordinierte Bewegung des Rumpfes und der unteren Extremitäten erreicht, was zu einer Veränderung der Position des Massenschwerpunkts des Körpers führt.(10) Der Gang ist gekennzeichnet durch sich wiederholende Zyklen für jeden Fuß, wobei jeder Zyklus in zwei Phasen unterteilt werden kann:

  1. Standphase, in der der Fuß den Boden berührt
  2. Schwungphase, in der der Fuß in der Luft ist(10)(11)

Damit sind wir bei der Verwendung von Bezugssystemen zur Beschreibung von Bewegungen angelangt. Bezugssysteme sind nützlich für eine bessere Beschreibung, Kommunikation und Analyse von Bewegungen.(2) Im Folgenden werden Beispiele für nützliche Bezugssysteme genannt:(2)

1. Die anatomischen Ebenen des Körpers

2. Die Gangphasen(9)(10)(11)

  • Standphase
  • Schwungphase
  • Doppelte Unterstützung

Unterphasen im Gangzyklus

  • Heel rocker – Fußauftritt, initialer Kontakt
  • Ankle rocker – mittlere Standphase, Gewichtsübernahme
  • Forefoot rocker – terminale Standphase, Fersenanhebung

Gait diagram.png

3. Sportartspezifisch vereinbarte Phasen

Bewegungsphasen eines Ruderschlags

Die Bewegung wird beschrieben in Relation zu:

  • Freilauf (Vorrollen)
  • Wasserfassen
  • Durchzug
  • Endzug (Finish)

Phasen des Golfschwungs

Die Bewegung wird beschrieben in Relation zu:

  • Rückschwung (Backswing)
  • Abschwung (Downswing)
  • Durchschwung
Kate-Lynn Downey - Symmetrical Versus Asymmetrical.jpg

4. Symmetrische versus asymmetrische Bewegung

  • Dabei wird davon ausgegangen, dass die Richtung, das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Bewegung auf der einen Körperseite bei der Mehrzahl der beobachteten Aktivitäten mit der Bewegung auf der anderen Körperseite übereinstimmen oder ihr entsprechen.(2)
  • Als Ausgangspunkt gilt die Bezugsextremität als die stärker betroffene/schmerzhafte Extremität und wird bis zum Beweis des Gegenteils als „abweichend“ betrachtet.(2)
  • Diese Annahmen verdienen es, geprüft oder in Frage gestellt zu werden

Für die Bestimmung der Symmetrie ist es wichtig, den Zeitpunkt der Bestimmung/des Vergleichs festzulegen (Bestimmungspunkt). Der Bestimmungspunkt für die Symmetrie kann z.B. sein:(2)

  • Wenn der Schmerz bei Bewegung auftritt
  • Während einer Phase oder Unterphase des Gehens
    • Schwungphase, Standphase oder doppelte Unterstützung
    • Heel rocker, Ankle rocker oder Forefoot rocker
  • Am Punkt des größten Bewegungsausschlags eines Gelenks im Vergleich zur anderen Seite
  • Bei der größten Abweichung des Massenschwerpunkts vom Bezugspunkt oder von der Bezugslinie (Progressionslinie, Senkrechte, Waagerechte)
  • In dem Moment, in dem die Extremität das Ziel erreicht, den Golfball trifft, den Ball loslässt

Alternativ zur Bestimmung der Asymmetrie kann die Analyse die beobachtete Bewegung im Verhältnis zu Normwerten – der theoretischen Idealbewegung – vergleichen.

Referenzen(edit | edit source)

  1. 1.0 1.1 1.2 Roggio F, Ravalli S, Maugeri G, Bianco A, Palma A, Di Rosa M, Musumeci G. Technological advancements in the analysis of human motion and posture management through digital devices. World Journal of Orthopedics. 2021 Jul 18;12(7):467.
  2. 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 Damien Howell. Using 2D Motion Analysis to Identify Deviant Movement. Plus Course. 2021
  3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Tesio L, Rota V. The motion of body center of mass during walking: a review oriented to clinical applications. Frontiers in neurology. 2019 Sep 20;10:999.
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 Souza RB. An evidence-based videotaped running biomechanics analysis. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics. 2016 Feb 1;27(1):217-36.
  5. 5.0 5.1 Devetak GF, Bohrer RCD, Rodacki ALF, Manffra EF. Center of mass in analysis of dynamic stability during gait following stroke: A systematic review. Gait Posture. 2019 Jul;72:154-166.
  6. Müller, M., Schwachmeyer, V., Tohtz, S., Taylor, W.R., Duda, G.N., Perka, C. and Heller, M.O., 2012. The direct lateral approach: impact on gait patterns, foot progression angle and pain in comparison with a minimally invasive anterolateral approach. Archives of orthopaedic and trauma surgery, 132(5), pp.725-731.
  7. Ardhianto P, Subiakto RBR, Lin CY, Jan YK, Liau BY, Tsai JY, Akbari VBH, Lung CW. A Deep Learning Method for Foot Progression Angle Detection in Plantar Pressure Images. Sensors (Basel). 2022 Apr 5;22(7):2786.
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