Isometrische und isokinetische Kraftmessung

Die Kraftmessung ist im Sportbereich sowie auch in der Mehrkörpersimulation sehr wichtig. Hierfür ist die OTH Weiden mit einem IsoMed 2000 (D. & R. Ferstl GmbH, Hemau, Deutschland) ausgestattet. Dieser ist für die Leistungsdiagnostik und für Training im Sport- und wissenschaftlichen Einsatz. Für den Probanden werden Trainingsziele festgelegt bzw. Untersuchungsprotokolle angelegt.

Die eingelenkigen Trainingseinheiten sind für Knie, Schulter, Sprunggelenk, Rumpf und Rücken ausgelegt. Für mehrgelenkige Trainingseinheiten gibt es die horizontale Beinpresse (Leg Press). Je nach Studien- bzw. Trainingsdesign können die Bewegungen konzentrisch, exzentrisch sowie isometrisch durchgeführt werden.

Gang- und Haltungsanalyse

Das Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin ist mit einem markerbasierten 3D-Ganganalysemesssystem der Firma Vicon (Yarnton, Oxford, UK) ausgestattet. Mit einer Abtastrate bis zu 2 MHz erfassen 18 Highspeedkameras die Positionsdaten der Körpersegmente mit einer Genauigkeit von bis zu unter 1 mm. Zusätzlich werden zwei synchronisierte Video-Referenzkameras zur 3D-Überlagerung der Bewegungsdaten verwendet.

Eine mobile Lösung der Ganganalyse bietet der Smartsuit Pro (Rokoko, Kopenhagen, Dänemark). Die 19 integrierten Inertialsensoren (Inertial Measurement Unis – IMU) messen die Bewegungsdaten des Körpers.

Alternativ können Gang- und Haltungsanalysen mit dem mobilen 2D-Aufnahmesystem EIDOO nahezu an jedem Ort durchgeführt werden. Die 2D-Analyse kommt hauptsächlich bei alltäglichen Messungen des Gangbilds zum Einsatz. Hier genügt die Messgenauigkeit, um einfache Gangstörungen wie zum Beispiel der Zehenspitzengang bei Kindern zu erkennen.

Laufband

Das Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin besitzt eine ca. 18 Meter lange Teststrecke für Gang- und Laufanalysen zur Verfügung. Je nach Versuchsdefinition kann ebenfalls das Laufband h/p/cosmos pulsar 3P med (zebris Medical GmbH, Isny, Deutschland & h/p/cosmos sports & medical GmbH, Nußdorf, Deutschland) für die Gang- und Laufanalysen verwendet werden. Für die sichere Anwendung in der Leistungsdiagnostik sowie Patienten ist das medizinische Laufband mit einem Sicherheitsbügel, Fallstopp mit Brustgurt sowie zwei seitlich verlaufende Handläufe ausgestattet.

Technischen Daten des Laufbandes:

Lauffläche: 190 cm x 65 cm
Geschwindigkeit: 0-40 km/h
Steigung +/-25 %
Mit Drehrichtungsumschaltung
Integrierte Druckmessung

Visuelle Schrittvorgabe

Das Laufband des Zentrums für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin ist mit einem visuellem Schrittvorgabesystem ausgestattet. Dies kommt hauptsächlich in der neurologischen, orthopädischen und geriatrischen Rehabilitation zum Einsatz. Das Gangbild des Probanden bzw. des Patienten wird automatisch erfasst. Dieses Schrittmuster wird je nach Zielvorgaben (z. B. Schrittlänge, Schrittweite und Fußwinkel) angepasst. Das Schrittmuster wird auf das Laufband projiziert und der Proband versucht dieses einzuhalten. Dadurch können Ganganomalien und die Gangsymmetrie verbessert werden.

Pedobarographie

Unter Pedobarographie ist die statische oder dynamische Untersuchung der Druckverteilung an der Fußsohle bei verschiedenen Aktivitäten des täglichen Lebens zu verstehen. Im Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin stehen zwei verschiedene instrumentelle Methoden zur Verfügung. Zum einen sind in der Lauffläche des Laufbandes Drucksensoren mit einer Sensorfläche von 162.6 cm x 54.2 cm (12288 Sensoren & Abtastrate: 100 Hz) integriert. Zum anderen werden OpenGo Sensorsohlen (Moticon ReGo AG, München, Germany) in den Schuhgrößen 36-47 für die Druckverteilungsmessung im Schuh verwendet.

Kraftmessplatten

Kraftmesseplatten werden zur Bestimmung der Kinetik des menschlichen Körpers verwendet. In der Biomechanik werden unter anderem die Bodenreaktionskräfte beim Auftritt des Fußes während des Gehens ermittelt und Sprunganalysen durchgeführt. Im Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin stehen hierfür zwei Kraftmessplatten der Firma Bertec (Columbus, Ohio, USA) und zwei mobil-anwendbare Kraftmessplatten (Kistler Instrumente AG, Winterthur, Schweiz) mit einer Fläche von 60 cm x 60 cm zur Verfügung. Die Ergebnisse der Ganganalyse und Kinetik werden beispielsweise zur Planung von Therapiekonzepten, Rehabilitationsmaßnahmen oder für die Mehrkörpersimulation verwendet.

Segmentierung

Schnittbildgebende Verfahren wie die Computertomographie und Magnetresonanztomographie werden häufig zur Diagnostik und Planung von Operationen in der Medizin eingesetzt. Anhand dieser Aufnahmen können 3D-Modelle anatomischer Strukturen entwickelt werden. Es können beispielsweise komplexe Knochenbrüche dargestellt werden. Außerdem erleichtern Längenmessungen mit dieser Planungssoftware, wie z.B. der femorale Offset die Planung der Implantation von Hüftendoprothesen. Die segmentierten Strukturen wie z.B. Knochen oder Muskeln können je nach Forschungsfrage für Mehrkörpersimulationen oder Finite-Element-Methode weiterverwendet oder zur Veranschaulichung 3D-gedruckt werden.

Numerische Simulation: Finite-Element-Methode

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein Verfahren aus dem Bereich der Strukturmechanik, bei dem Spannungen und Verformungen von Knochen oder Implantaten als Reaktion auf eine Krafteinwirkung analysiert werden. An der OTH Amberg-Weiden wird die Simulierungssoftware ANSYS Workbench und Discovery (Canonsburg, Pennsylvania, USA) verwendet.

Numerische Simulation: Mehrkörpersimulation

Mit der Mehrkörpersimulation werden Gelenkreaktionskräfte und Muskelkräfte im Körper berechnet. Ein Mehrkörpersimulationsmodell besteht meist aus Knochen, Gelenken und Muskeln. Werden zusätzlich kinematische Daten (z. B. durch Motion-Capturing) und kinetische Daten (z. B. durch Kraftmessplatten) implementiert, berechnet die Biomechanik-Simulationssoftware OpenSim (Stanford, California, USA) Kräfte und Momente, die während der Bewegung in den Muskeln und Gelenken auftreten.

Elektromyographie (EMG)

Die Elektromyographie ist ein messtechnisches Verfahren zur Messung der elektrischen Aktivität während der Muskelkontraktion. Im klinischen Alltag werden mittels EMG neuromuskuläre Erkrankungen diagnostiziert. In der Biomechanik werden zeitsynchron zur Ganganalyse mittels EMG-Sensoren die Aktivitäten verschiedener Muskeln während der einzelnen Gangphasen ermittelt. In einer Software werden sowohl Dauer als auch Intensität der Signale analysiert. Das Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin ist hierfür mit einem Oberflächen-EMG mit 2 Trigno IM und 14 Trigno Avanti Sensoren der Firma DELSYS INCORPORATED (Natick, Massachusetts, USA) ausgestattet.

Spirometrie, Spiroergometrie, Laktatmessung und Elektrokardiographie (EKG)

Die Spirometrie ist ein Verfahren zur Diagnostik der Lungenfunktion eines Menschen. Messbare Parameter wie der Tiffenau-Index und Vitalkapazität werden zur Differenzierung obstruktiver (z. B. Asthma bronchiale) und restriktiver Lungenerkrankungen (z. B. Lungenfibrose) verwendet. Als Ergänzung zur stationären Spirometrie-Einheit ist im Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin auch ein mobiles Spirometrie-Gerät (COSMED Srl, Albano Laziale, Italien) vorhanden.

Die Spiroergometrie dient der Untersuchung des Herz-Kreislauf-Systems, der Lungenfunktion sowie des Energiestoffwechsels unter Belastung. Bei der Spiroergometrie werden die Atemgase gemessen und der kardiologische Zustand des Probanden während einer Belastung überwacht. Im Zentrum für Leistungsdiagnostik und Sportmedizin stehen dabei ein Laufband, Ergometer-Fahrrad sowie ein mobiles 12-Kanal-EKG zur Verfügung. Bei der Leistungsdiagnostik werden ebenfalls Laktatwerte zur Erstellung optimaler Trainingspläne von Sportlern verwendet.