Biomechanische Messsysteme: vielseitige Helfer für viele Disziplinen

Wenn etwas in der menschlichen Bewegung nicht mehr rund läuft, zum Beispiel bei Fehlstellungen oder nach einer Verletzung, kommen sie zum Einsatz: biomechanische Messsysteme. Mit verschiedenen Arten von Sensoren und optischen Technologien begeben sich Ärzte, Therapeuten und Sportwissenschaftler auf die Suche nach Ursachen und Korrekturmöglichkeiten.

Die Biomechanik beschäftigt sich mit Bewegungsabläufen im menschlichen Körper. In der Orthopädie werden entsprechende Messsysteme zum Beispiel genutzt, um Fehlstellungen von Gelenken zu diagnostizieren. Das ermöglicht frühzeitig korrigierende Eingriffe mittels Physiotherapie oder Hilfsmitteln, mit denen Schäden an Gelenken und Knochen vermieden oder zumindest deutlich verringert werden. "Biomechanische Messsysteme bieten eine ganzheitliche Analyse mit objektiven Messdaten und unterstützen Therapeuten, Ärzte, Trainer und Orthopädietechniker in der Analyse und Therapie des menschlichen Bewegungsapparates", erklärt Stefan Lehnen, International Sales Manager, zebris Medical GmbH im Interview mit MEDICA.de.

Ein gängiges Beispiel hierfür sind Platten, mit denen Othopädietechniker die Druckverteilung unter den Fußsohlen messen. Diese Messung zeigt, ob beim Patienten eine Fehlstellung der Füße vorliegt, die sich auf alle Gelenke im Gangapparat (Füße, Knie und Hüften) auswirkt und dadurch Schmerzen und möglicherweise auch Gelenkschäden verursacht. Basierend auf dieser Messung können für den Patienten individuelle Einlagen angefertigt werden, die die Stellung der Füße korrigieren und den Ablauf beim Gehen wieder in gesunde Bahnen lenken. "Mittels Videoanalysen, Druckverteilungsmessungen, Kraftmessungen und Funktionsanalysen werden Achsfehlstellungen der Gelenke sowie Kraft- und Bewegungsdefizite in der Dynamik beurteilt und zusätzlich Trainingsinhalte analysiert. Zusammen mit den orthopädischen Befunden ergibt sich ein umfassendes Bild der dynamischen Belastungssituation, welches die Grundlage für die weitere orthopädische Behandlung oder Rehabilitationsmaßnahmen bildet", so Lehnen weiter.

Neben Drucksensoren werden biomechanische Abläufe auch mit einer Vielzahl von anderen Sensoren und Techniken gemessen: Optische Systeme wie das DIERS formetric 4D (DIERS International GmbH) messen den Rücken des Patienten in drei Dimensionen und zusätzlich auch im zeitlichen Verlauf (4D). Dr. Marcel Betsch von der Uniklinik der RWTH Aachen setzt es mit seiner Arbeitsgruppe ein: "Hier werden mit Hilfe eines Lichtprojektors horizontale Lichtlinien auf Rücken und Becken projiziert. Diese Linien werden mit einer digitalen Videokamera erfasst und durch ein Computersystem in eine dreidimensionale Rekonstruktion der Wirbelsäule transformiert. Diese Methode ist hervorragend zur Therapie und zur Verlaufskontrolle von Wirbelsäulenerkrankungen wie Skoliose geeignet." Neben der Untersuchung von Osteoporose und Skoliose ist es auch anwendbar bei funktionellen Krankheitsbildern, die im Rahmen von neurologischen Untersuchungen und Haltungstests diagnostiziert werden.

Auch die Motion-Capture-Technik gehört zu den optischen Technologien, die zur biomechanischen Messung verwendet werden. Dabei messen Kameras die Lichtreflektion von Markern, die der Patient oder Proband auf der Kleidung trägt. Motion Capture stammt ursprünglich aus der Filmindustrie und dient dazu, virtuelle Figuren zu erschaffen. Das populärste Beispiel dafür dürfte der Charakter "Gollum" aus der "Herr der Ringe"-Trilogie sein, den der Schauspieler Andy Serkis spielte – inklusive Mimik, denn auch diese lässt sich über Motion Capture von einem Menschen auf den virtuellen Charakter übertragen. Hier offenbart das Motion-Capture-Verfahren auch seinen größten Vorteil: Mit ihm durchgeführte biomechanische Messungen sind sehr präzise und damit vor allem für Anwendungen in der Forschung relevant.

Optische Technologien werden für die Biomechanik immer wichtiger, denn sie ermöglichen schnelle und nicht-invasive Messungen. Etwas umständlicher ist die Messung mittels Sensoren, die der Patient am Körper tragen muss. Das sind zum Beispiel Inertialsensoren (Beschleunigungssensoren), wie das MyoMotion-System der Velamed GmbH. Betsch: "Dabei werden bis zu 16 Beschleunigungssensoren an den Gelenken angebracht, womit wir die Bewegungen exakt analysieren können. Da sie mit Bluetooth arbeiten, können die Patienten in Alltagssituationen wie Treppensteigen oder Aufstehen untersucht werden. So sind wir nicht auf das künstlich geschaffene Laborumfeld angewiesen."

Die technischen Wege, mit denen biomechanische Messungen durchgeführt werden, sind vielfältig. Hier wurden nur einige genannt. Ebenso vielfältig sind ihre Einsatzzwecke und die Krankheiten, die damit diagnostiziert werden können. Dabei profitiert nicht nur die Orthopädie von den Hightech-Sensoren in der Biomechanik, sondern auch andere Disziplinen wie die Geriatrie.

Gerade bei der Untersuchung von älteren Menschen dienen Beweglichkeit und Geschwindigkeit häufig als Parameter für den allgemeinen Gesundheitszustand. Hier können biomechanische Sensoren und Messgeräte glänzen. Untersuchungen, bei denen ältere Menschen beispielsweise bestimmte Strecken laufen, das Gleichgewicht halten oder sich aus dem Sitzen heraus möglichst schnell und sicher hinstellen müssen, werden häufig noch mit analogen Mitteln durchgeführt, das heißt in diesem Fall mit Papier, Bleistift und Stoppuhr, mit denen der untersuchende Arzt oder das Praxispersonal Ergebnisse "nach Augenmaß" erfassen müssen.

Dr. Betsch und sein Team beschäftigen sich bereits heute mit der Frage, wie die biomechanische Messung auch in andere Bereiche der Medizin transportiert werden kann: "Ich denke, in Zukunft werden wir Messsysteme haben, die innerhalb relativ kurzer Zeit mit wenig Aufwand eine Messung des gesamten Körpers ermöglichen, ohne den Patienten zuvor mit Markern ausstatten zu müssen – ähnlich wie bei Körperscannern am Flughafen. So würden wir schnell Vorabinformationen über eventuelle Pathologien bekommen, die wir anschließend im Rahmen weiterer Untersuchungen konkretisieren könnten." Es ist also nur eine Frage der Zeit, bis Sensoren und Messsysteme eine viel bessere Beurteilung verschiedenster Patienten und ihrer körperlichen Fähigkeiten ermöglichen werden – und das sogar völlig berührungslos.