Wissenschaftliche Artikel
Knöchelbewegungen während des normalen Gangs, bewertet mit einem flexiblen Elektrogoniometer
Movimentos do tornozelo durante a marcha normal avaliados por eletrogoniometria flexível
Moriguchi CS; Sato TO; Gil Coury HJC
Departamento de Fisioterapia, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP – Brasil
Correspondência para
ABSTRACT
OBJECTIVE: Bewertung der Knöchelbewegungen von gesunden Personen, die auf einem Laufband gehen, mit Hilfe eines flexiblen Elektrogoniometers.
METHODE: Dorsalflexion und Plantarflexion sowie Eversion/Inversion wurden 90 Sekunden lang bei einer Geschwindigkeit von 5,0 km/h aufgezeichnet. Zehn gesunde junge Männer mit einem Durchschnittsalter von 21,4 ± 2,99 Jahren und einer Durchschnittsgröße von 1,62 ± 0,22 Metern nahmen an dieser Studie teil. Die Daten wurden deskriptiv ausgewertet (Mittelwert, Standardabweichung, Maximum und Minimum). In der Sagittalebene wurde der Gangzyklus zu drei Zeitpunkten analysiert, wobei die Bewegungsspitzen genommen wurden: Fuß flach (FF), mittlerer Stand (M) und Zehen weg (TO). Die Inversions- und Eversionswinkel, die diesen Phasen entsprechen, wurden identifiziert, ebenso wie die Bewegungsspitzen während der Gangzyklen. Die Variabilitätskoeffizienten (CV) zwischen und innerhalb von Probanden wurden berechnet.
ERGEBNISSE: Die Mittelwerte für die Sagittalebene für den linken und rechten Knöchel betrugen jeweils: 7º und 4º bei FF, 2º und 7º bei M, und 24º und 19º bei TO. In der Frontalebene ergab sich eine Inversion von 5º und 3º in FF, 4º und 5º in M und 15º und 16º in TO. Die Spitzenwerte lagen bei einer Inversion von 17º und 18º und einer Eversion von 1º. Der maximale intra-subject CV lag bei 0,39, der maximale inter-subject CV bei 0,44.
ZUSAMMENFASSUNG: Die mit dem Elektrogoniometer erzielten Ergebnisse waren den in der Literatur berichteten Daten für die Sagittalebene relativ ähnlich, nicht jedoch für die Frontalebene. Die Diskrepanzen zwischen den Studien zur Messung der Knöchelbewegungen deuten auf die Notwendigkeit einer Standardisierung der Aufzeichnungsverfahren hin.
Schlüsselwörter: Gang; Knöchel; Kinematik; Elektrogoniometer.
RESUMO
Ziel: Bewertung der Knöchelbewegungen gesunder Personen während des Gehens auf dem Laufband durch flexible Elektrogoniometrie.
METHODEN: Die Bewegungen der plantaren Dorsalflexion/Flexion und Inversion/Eversion wurden 90 Sekunden lang bei einer Geschwindigkeit von 5,0 km/h aufgezeichnet. Zehn gesunde junge Männer, Durchschnittsalter 21,4 ± 2,99 Jahre, Durchschnittsgröße 1,62 ± 0,22 Meter, nahmen an der Studie teil. Die Daten wurden deskriptiv ausgewertet (Mittelwert, Standardabweichung, Mindest- und Höchstwerte). In der Sagittalebene wurde der Gangzyklus in drei Momenten analysiert, wobei die Bewegungsspitzen berücksichtigt wurden: Plattfuß (PP), mittlerer Halt (MA) und Zehenrückzug (RD). Die diesen Phasen entsprechenden Inversions- und Eversionswinkel wurden ebenso ermittelt wie die Bewegungsspitzen während der Gangzyklen. Der Variationskoeffizient (CV) zwischen und innerhalb von Probanden wurde berechnet.
ERGEBNISSE: Die mittleren Werte in der Sagittalebene für den linken und rechten Knöchel waren jeweils: 7º und 4º in PP, 2º und 7º in MA, 24º und 19º in RD. In der Frontalebene waren die Ergebnisse wie folgt: 5. und 3. Umkehrung in PP, 4. und 5. Umkehrung in MA, 15. und 16. Umkehrung in RD, Spitzenwerte waren 17. und 18. Der maximale intra-subject CV lag bei 0,39 und der inter-subject CV bei 0,44.
SCHLUSSFOLGERUNG: Die mit dem Elektrogoniometer erzielten Ergebnisse stimmen relativ gut mit den Daten überein, die in der Literatur für die Sagittalebene angegeben sind, nicht aber für die Frontalebene. Die Diskrepanzen zwischen den Studien zur Bewertung der Knöchelbewegungen deuten auf die Notwendigkeit einer Standardisierung der Aufzeichnungsverfahren hin.
Schlüsselwörter: Gang; Sprunggelenk; Kinematik; Elektrogoniometer.
EINLEITUNG
Der Begriff „Sprunggelenkkomplex“ bezieht sich auf die Struktur, die aus dem Sprunggelenk und den Subtalargelenken besteht1. Die Bewegungen des Sprunggelenks sind wichtig für einen normalen, koordinierten Gang und eine gleichmäßige, sinusförmige Oszillation des Körperschwerpunkts2. Das Subtalargelenk ist für den größten Teil der Inversion/Eversion des Fußes verantwortlich. Es ermöglicht dem Fuß, sich an unregelmäßiges Gelände anzupassen, sorgt für die Stoßdämpfung und fungiert außerdem als starres Segment für den Vortrieb des Körpers während der Absetzphase des Gangs3.
Messungen menschlicher Funktionsbewegungen ermöglichen es, die Bewegungsmuster bestimmter Bevölkerungsgruppen zu charakterisieren und „normale oder erwartete“ Muster zu ermitteln. Diese Daten sind wesentlich für die Identifizierung abnormaler Muster und die Charakterisierung von Beeinträchtigungen, Behinderungen und Handicaps. Durch die Beschreibung der Mittelwerte und der zu erwartenden Schwankungen für normale Probanden ist es möglich, Richtlinien für klinische Entscheidungen zu erstellen und die Wirksamkeit von Behandlungsprogrammen zu bestimmen.
Um dynamische Aktivitäten wie den Gang zu bewerten, sollten die Aufzeichnungen der Winkelbewegung kontinuierlich und mit präzisen Geräten erfolgen. Dreidimensionale optoelektronische Systeme, Fluoroskopie, Beschleunigungsmesser/Gyroskope, elektromagnetische und Ultraschall-Tracking-Systeme, potentiometrische Elektrogoniometer und Kraftmessplattformen wurden zur Bewertung des Gangs eingesetzt. Obwohl die optoelektronischen Systeme als präzise gelten, sind ihre Kalibrierungsverfahren und die Datenanalyse sehr zeitaufwändig. Andererseits scheint die Präzision potentiometrischer Elektrogoniometer beeinträchtigt zu sein, da sie nicht in der Lage sind, den Änderungen der Gelenkrotationsachse zu folgen, die während der Bewegungen stattfinden.
Flexible Elektrogoniometer wurden auch für die Funktionsbewertung verschiedener Gelenke wie Handgelenk, Knie und Lendenwirbelsäule eingesetzt. Ihre Vorteile liegen darin, dass sie leicht, tragbar und einfach anwendbar sind, die ausgeführten Aktivitäten nicht beeinträchtigen, die Bewegungen nicht einschränken und sich gut an die Körpersegmente anpassen4,5. Darüber hinaus weisen solche Geräte eine hohe Reproduzierbarkeit auf, wenn sie zusammen mit einem geeigneten Messprotokoll verwendet werden, das die Position der Testperson und der Sensoren standardisiert6,7. Nach Shiratsu und Coury8 können diese Elektrogoniometer als genau angesehen werden, mit einem Fehler von weniger als 5º bei großen Bewegungen und einem minimalen Fehler bei Bewegungen zwischen 0º und 10º. Obwohl diese Geräte bei passiven Messungen des Sprunggelenkskomplexes eingesetzt wurden6,7 , wurden in der einschlägigen Literatur keine Studien zur dynamischen und funktionellen Aufzeichnung von Sprunggelenksbewegungen gefunden. Daher besteht ein Bedarf an einer Datenbank mit Gangaufzeichnungen von gesunden Probanden, die in klinischen Einrichtungen und in der Forschung verwendet werden können.
Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die Bewegungen der Dorsalflexion und Plantarflexion sowie der Inversion/Eversion des Sprunggelenkskomplexes bei gesunden jungen Personen zu untersuchen, die mit einem flexiblen biaxialen Elektrogoniometer auf einem Laufband mit einer kontrollierten Geschwindigkeit (5,0 km/h) gehen.
METHODEN
Probanden
Zehn gesunde männliche Personen mit einem Durchschnittsalter von 21,4 ± 2,99 Jahren, einem Durchschnittsgewicht von 64,7 ± 5,37 Kilogramm und einer Durchschnittsgröße von 1,62 ± 0,22 Metern nahmen an dieser Studie teil. Allerdings wurden nur die Daten von sieben Probanden vollständig analysiert, da die Daten von drei rechten Beinen technische Probleme bei der Datenanalyse aufwiesen. Keiner der Probanden hatte im vergangenen Jahr über Schmerzen in den Knien, Knöcheln oder Subtalargelenken berichtet. Sie hatten keine Beinverletzungen oder Gleichgewichtsstörungen in der Vorgeschichte, keine tatsächlichen oder offensichtlichen Beinlängendiskrepanzen und keine Veränderungen der Knie- oder Fußhaltung. Um diese homogene Stichprobe zu erhalten, durchlief eine wesentlich größere Gruppe von Personen (N= 70) ein Screening-Verfahren.
Die ausgewählten Personen wurden über die Ziele der Studie informiert und unterschrieben ein Formular, in dem sie ihre Zustimmung zu den Verfahren gaben. Das Projekt wurde von der Forschungsethikkommission der Bundesuniversität von São Carlos genehmigt (Protokollnummer 035/04).
Material und Ausrüstung
Ein spezieller Knöchel-Elektrogoniometer-Sensor (Modell SG110/A, Datenlogger DL1001, Software-Version 3.2; Biometrics, Gwent, UK), ein ergometrisches Laufband und ein digitales Chronometer wurden verwendet.
Verfahren
Für die Datenerfassung wurde ein seitlicher Teil des Beins in der Nähe des Knöchels rasiert und gereinigt. Teleskopische und feste Elektrogoniometer-Endblöcke wurden am Knöchelgelenk befestigt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der feste Endblock wurde parallel zur Hauptachse des Fußes, unterhalb des Außenknöchels, positioniert, und der teleskopische Endblock wurde auf die Hauptachse des Beins ausgerichtet.
Nach der Anbringung des Sensors wurde der Datenlogger (Datenerfassungseinheit) kalibriert, wobei sich die Probanden in einer neutralen Position befanden: Sie standen in einer entspannten Haltung, das Körpergewicht war gleichmäßig auf beide Füße verteilt, und es herrschte ein stationäres Gleichgewicht. Dorsalflexion und Inversion wurden als positiv angenommen, und die Abtastrate betrug 1000 Hz. Nach einer zweiminütigen Eingewöhnungsphase wurden 90 Sekunden lang Daten auf dem Laufband mit einer Geschwindigkeit von 5,0 km/h aufgezeichnet.
Bei Pilotstudien war beobachtet worden, dass die Feder des Elektrogoniometers durch das Vorhandensein des Außenknöchels bei Knöchelbewegungen in der Frontalebene überdehnt wurde. Aus diesem Grund wurde ein Test mit einem Messgerät durchgeführt, um zu prüfen, ob die Ausdehnung der Feder die Aufzeichnungen stören würde (Abbildung 2). Zur Nachbildung des Malleolus wurde eine Form aus einer mit Gips überzogenen Schiene angefertigt. Diese wurde in das Messgerät eingesetzt, das reine Plantarflexions- und Dorsalflexionsbewegungen durchführte.
Dieser Test zeigte, dass die Mittelwerte für die Bewegungen in der Frontalebene, die bei der Durchführung der reinen Dorsalflexions- und Plantarflexionsbewegungen aufgezeichnet wurden, nahe bei Null lagen (mittlerer Fehler von 0,3º), und der maximale Fehler betrug 1,5º. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Außenknöchel die elektrogoniometrischen Aufzeichnungen der Inversion/Eversion nicht zu beeinflussen scheint.
Datenanalyse
In der Sagittalebene wurde jeder Zyklus anhand von drei Spitzenwerten analysiert: Fuß flach (FF), mittlerer Stand (M) und Zehen weg (TO). Die entsprechenden Inversions- und Eversionswinkel für diese Phasen wurden ermittelt. Die Inversions- und Eversionsspitzen wurden ebenfalls bewertet. Die Kurven und die analysierten Spitzenwerte sind in Abbildung 3 dargestellt. Es wurden die Mittelwerte, die Standardabweichung (SD) sowie die maximalen und minimalen Spitzenwerte berechnet, die von den Personen beim Gehen erreicht wurden.
Eine Pilotstudie wurde mit dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben durchgeführt, wobei Fußschalter an der Ferse und am zweiten Mittelfußkopf verwendet wurden, um den Fersenauftritt (HS) und den Zehenabgang (TO), die darauf folgenden Gangereignisse und den Gangzyklus zu bestimmen. Der Vergleich der Spitzenwerte in der Sagittal- und Frontalebene mit und ohne Fußschalter ergab keinen Unterschied.
Der von Winter9 beschriebene Variationskoeffizient (CV) wurde ebenfalls berechnet, um die Variabilität für eine einzelne Person (zwischen Schritten) und zwischen verschiedenen Personen zu messen. Dieser wurde durch Anwendung der folgenden Formel ermittelt:
wobei N = Anzahl der Punkte auf der Kurve
si = Standardabweichung zu jedem Zeitpunkt i
Mi = Mittelwert zu jedem Zeitpunkt i
ERGEBNISSE
Die Winkel, die in den verschiedenen Phasen des Gangzyklus für die Sagittal- und Frontalebene für eine typische Person ermittelt wurden, sind in Abbildung 4 dargestellt.
Tabelle 1 zeigt die Mittelwerte, die Standardabweichungen sowie die Maximal- und Minimalwerte, die für die Sagittal- und Frontalebene für die rechte und linke Seite ermittelt wurden. In der Sagittalebene werden die Werte für jede Spitze während des Gangzyklus und für den Bewegungsbereich (ROM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gangereignissen (FF zu M und M zu TO) dargestellt. In der Frontalebene werden die entsprechenden Inversions- und Eversionsbewegungen bei diesen Gangereignissen sowie die Höchst- und Mindestwerte während des Gangzyklus dargestellt.
Der Unterschied zwischen der linken und der rechten Seite in der Sagittalebene reichte von 3º bis 5º; beim Vergleich der Amplituden reduzierte sich der Unterschied auf 1,5º und 0,5º. In der Frontalebene war der Fuß fast während des gesamten Gangzyklus invertiert, und der Mittelwert für die Inversion war viel größer als für die Eversion.
Die Variabilität innerhalb einer Versuchsperson war bei fast allen Versuchspersonen kleiner als die Variabilität zwischen den Versuchspersonen für die in beiden Ebenen auftretenden Bewegungen. Nur bei einem Probanden war der Intra-Subjekt-VC höher als der Inter-Subjekt-VC (siehe Tabelle 2). Der intra-subject CV war für die Frontalebene kleiner als für die Sagittalebene, während der inter-subject CV für beide Ebenen ähnlich war.
DISKUSSION
Die Ergebnisse lieferten Winkelparameter für den Gang gesunder junger Männer auf einem Laufband mit einer Geschwindigkeit von 5,0 km/h mittels eines flexiblen Elektrogoniometers. Da in der verfügbaren Literatur keine anderen Studien identifiziert wurden, die ein flexibles Elektrogoniometer während des Gehens verwenden, können diese Ergebnisse für ähnliche Probanden als Datenbasis für eine gesunde Bevölkerung hilfreich sein.
Flexible Elektrogoniometer sind tragbar, was bedeutet, dass sie auf engem Raum in klinischen und beruflichen Umgebungen verwendet werden können. Sie sind außerdem leicht anwendbar und weisen eine hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit auf4-8. Diese Eigenschaften ermöglichen genaue klinische Bewertungen und erfüllen damit den Bedarf, der sich aus dem Mangel an solchen Quellen ergibt, da die physiotherapeutische Gangbewertung in der Regel durch visuelle Schätzung erfolgt, die in klinischen Umgebungen eine geringe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit aufweist. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Analyse einer großen Menge von Daten, bilateral, die nicht leicht durch die meisten der genauen Ausrüstung zur Verfügung durchgeführt wird.
Um den Vergleich zwischen den vorliegenden Ergebnissen und anderen bereits veröffentlichten Studien zu erleichtern, wird Tabelle 3 vorgelegt. Die Variabilität zwischen den Ergebnissen der berichteten Studien deutet darauf hin, dass es an standardisierten Verfahren zur Bewertung dieser Gelenke mangelt.
Die in der Sagittalebene gefundenen Werte lagen nahe an den in der Literatur berichteten Bereichen. Nur in Bezug auf die M-Spitze war dies nicht der Fall. Der letztgenannte Befund lässt sich durch die Datenerhebungsverfahren erklären, insbesondere durch die Aufzeichnungen des Laufbandgangs. Nach Nymark et al.16 ist die Dorsalflexion bei M reduziert, wenn man das Gehen auf dem Boden mit dem Gehen auf dem Laufband vergleicht. Diese Autoren fanden einen Bewegungsumfang des Knöchels von 30,9º ± 5,7º bei natürlicher Geschwindigkeit auf einem Laufband, was dem Wert für den rechten Knöchel in der vorliegenden Studie nahe kommt. Bei den Bewegungen in der Frontalebene hingegen unterschieden sich die in der Literatur berichteten Ergebnisse von denen der vorliegenden Studie. Die Mittelwerte für die Inversion erreichten in der vorliegenden Studie 19º, während in anderen Berichten niedrigere Werte beschrieben werden (maximal 9,1º). Bei den Eversionsbewegungen in der vorliegenden Studie war im Allgemeinen das Gegenteil der Fall.
Mess- oder Übersprechfehler müssen immer berücksichtigt werden, wenn unterschiedliche Messungen identifiziert werden. Außerdem ist die Bestimmung der genauen Ebenen, um die die Bewegung stattfindet, wichtig, um ein Übersprechen des Elektrogoniometers zu vermeiden17. Eine weitere mögliche Fehlerquelle könnte das Vorhandensein des Malleolus unter der Feder sein. Die mit dem Prototyp durchgeführte Pilotstudie hat jedoch gezeigt, dass das Gleiten der Elektrogoniometerfeder über den Knöchel die Messungen der Knöchelinversion und -eversion während der Tests nicht beeinträchtigt hat.
Die Lage der Achse, um die die subtalaren Inversions- und Eversionsbewegungen stattfinden, ist nicht unumstritten. Die Lage dieser Achse scheint von Person zu Person sehr unterschiedlich zu sein. Einigen Autoren zufolge hat diese Achse eine feste schräge Ausrichtung (42º zur horizontalen Richtung des Fußes und 23º zur medialen Richtung)2. Anderen Autoren zufolge verfügt das Subtalargelenk über mehrere momentane Bewegungsachsen und nicht nur über eine einzige feste Achse18,19, und es wurde sogar die Existenz von bis zu 12 Achsen angenommen20. Derzeit gibt es kein Gerät, das diese Komplexität bewältigen kann. Es müssen Geräte mit größerer Empfindlichkeit für die Verfolgung der verschiedenen momentanen Achsen entwickelt werden, und es sollten weitere Studien durchgeführt werden, um die verfügbaren Daten zu verfeinern.
Die Bestimmung der neutralen Position des Fußgelenks ist ein weiteres wichtiges Thema für die Standardisierung von Gangmessverfahren6,12. Ball und Johnson6 verwendeten eine Methode, bei der die Neutralstellung des Subtalargelenks durch manuelles Abtasten ermittelt wurde. Nach Moseley et al.12 sollte diese Position ermittelt werden, wenn die Probanden sitzen und kein Körpergewicht tragen. In der vorliegenden Studie wurde die Neutralstellung ermittelt, wenn die Person entspannt stand und ihr Gewicht gleichmäßig auf beide Beine verteilt war. Das gleiche Verfahren wurde von Nester et al.21 beschrieben. Dieses Verfahren wurde gewählt, um die Reproduzierbarkeit zwischen den Personen zu gewährleisten, und weil es der gemessenen funktionellen Situation näher kommt als die anderen beschriebenen Verfahren.
In der vorliegenden Studie wurden etwa 80 Gangzyklen von jeder Person analysiert. Kaufman et al.22 stellten fest, dass mindestens 22 Zyklen erforderlich sind, um präzise Daten zu erhalten. Daher kann die Anzahl der analysierten Zyklen als repräsentativ für das Bewegungsmuster der einzelnen Probanden angesehen werden.
In Bezug auf die Variabilität innerhalb und zwischen den Versuchspersonen war die Variabilität innerhalb der Versuchspersonen zwischen den Zyklen geringer als die Variabilität zwischen verschiedenen Personen. Dies geschah trotz der Tatsache, dass die analysierten Probanden anthropometrisch ähnlich waren. Außerdem wurde diese Variable in der vorliegenden Studie systematisch kontrolliert. Dies deutet darauf hin, dass bei normalen Personen, die relativ homogen sind, das als „normal“ oder erwartet angesehene Bewegungsmuster in Studien dieser Art eine relativ große Bandbreite aufweisen kann. Daher ist bei der Analyse des Bewegungsmusters dieser Gelenke Vorsicht geboten, und es wird deutlich, dass genauere Geräte und Verfahren erforderlich sind.
Eine größere interindividuelle als intraindividuelle Variabilität bei Dorsalflexions- und Plantarflexionsbewegungen wurde ebenfalls in der Literatur beschrieben11,15. Dies deutet darauf hin, dass der Gang eines einzelnen Individuums ein regelmäßiges Bewegungsmuster aufweist, das bei konstanter Geschwindigkeit zwischen den Zyklen nur wenig variiert, dass sich die Individuen jedoch voneinander unterscheiden. Diese Ergebnisse haben klare klinische Implikationen und sollten bei der klinischen Ganganalyse berücksichtigt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die großen Unterschiede zwischen den von verschiedenen Autoren erzielten Ergebnissen deuten darauf hin, dass eine größere Standardisierung der Messverfahren erforderlich ist, insbesondere im Hinblick auf die Bestimmung der neutralen Position des Sprunggelenks.
In der Sagittalebene waren die ermittelten Werte relativ ähnlich zu denen in anderen Studien, die Video-Bewegungsanalysesysteme oder potentiometrische Elektrogoniometer verwendeten. In der Frontalebene hingegen wurden in der vorliegenden Studie höhere Inversionswerte festgestellt.
Relativ geringe intraindividuelle Variabilität wurde festgestellt. Die festgestellte höhere interindividuelle Variabilität deutet jedoch darauf hin, dass das Bewegungsmuster des Sprunggelenks selbst bei anthropometrisch ähnlichen Personen stark variieren kann.
Acknowledgements: CNPq Processo 114328/03-0, FAPESP – Processos N. 2004/07207-0 e 04/15579-5.
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