Entwicklung einer Messmethode zur berührungslosen Erfassung von Haltungsparametern der Wirbelsäule unter dynamischen Bedingungen

Abstract

Mit der Methode der Rasterstereographie wurde in den 80er Jahren durch Drerup und Hierholzer ein Verfahren entwickelt das mittels einer Oberflächenanalyse des Rückens radiologische und klinische Untersuchungen an der Wirbelsäule bei orthopädischen und orthopädietechnischen Fragestellungen ergänzen kann. Basierend auf dem Prinzip der Triangulation ermöglicht es eine schnelle, berührungslose und großflächige Analyse von Haltungsparametern des Rumpfes. Hierfür werden Veränderungen in Lichtlinien, die durch einen Diaprojektor auf den Rücken des Patienten projiziert werden mit einer Halbleitervideokamera erfasst und dreidimensional rekonstruiert. Durch eine Computersoftware können hieraus Haltungsparameter berechnet werden. Mit dem bisher verwendeten Messgerät können nur Aufnahmen unter statischen Bedingungen durchgeführt werden. Ziel dieser Studie war es daher bestehende Hard- und Softwarekomponenten so weiter zu entwickeln, dass dynamische Bewegungsabläufe erfasst werden können. Zur Evaluierung der Messgenauigkeit des neuen Messsystems, unter dynamischen Bedingungen, wurden auf einer Holzplatte angebrachte Marker vermessen. Bewegt wurde die Holzplatte dabei durch einen computergesteuerten Roboterarm. Insgesamt wurde so die Position der Marker während sieben unterschiedlichen Bewegungsmustern bestimmt. Dabei konnte die sog. "Rumpflänge" bei insgesamt 1090 Einzelmessungen, mit einer Genauigkeit von 3,29 mm bestimmt werden, während der sog. "Lumbalgrübchenabstand" sogar mit einer Genauigkeit von 1,04 mm gemessen werden konnte. Die Überprüfung der Reliabilität des Messgerätes erfolgte durch Wiederholungsmessungen an aktiven Sportlerinnen während ruhigem Stehen und während der Durchführung einer Armkreisbewegung. Dabei ergaben sich Standardabweichungen für die Rumpflänge von 1,92-7,52 mm und für die Rumpfneigung von 0,24-1,02°. Weitere bestimmte Parameter wie der Kyphosewinkel konnten mit einer SD von 0,82-1,79° und der Lordosewinkel mit 1,04-2,99° gemessen werden. Abschließend wurde versucht den modifizierten Haltungstest nach Matthiass durch das neue Messgerät zu objektivieren. Hierfür wurden 31 aktive, haltungsgesunde Tennisspieler untersucht. Um größere Veränderungen in den Haltungsparamtern der Probanden während des Haltungstests zu erzeugen, wurde dieser mit zusätzlichen Gewichten abhängig vom Körpergewicht durchgeführt. Besonders betrachtet wurden dabei Veränderungen der Haltungsparameter zu Beginn und nach Beendigung des Haltungstests. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Rumpflänge im Durchschnitt bei allen Probanden und Gewichtsstufen während des Haltetests leicht zunimmt. Ebenfalls wurde eine Aufrichtung des Rumpfes beobachtet, verbunden mit einer geringen Abflachung der Brustkyphose und einer leichten Zunahme der Lendenlordose. Mit Hilfe von Korrelationstests konnte nachgewiesen werden, dass Gewichte von 5% des Körpergewichts ausreichend sind, um signifikante Veränderungen in den Haltungsparamtern bei haltungsgesunden Probanden hervorzurufen. Allerdings müssen diese Ergebnisse noch durch Untersuchungen an Haltungsschwachen überprüft werden. Mit dem 4D-Imager scheint ein Messgerät entwickelt worden zu sein, dass präzise, strahlenfreie, kontaktlose und dynamische Untersuchungen von Haltungsparametern ermöglicht. Es bestehen aber noch leichte Ungenauigkeiten bei der automatischen Erkennung des siebten Halswirbels, der als anatomischer Fixpunkt dient, so dass hier noch Verbesserungen ausstehen. Einschränkend ist bisher noch die max. Bildfrequenz von 15 Hz, was den Einsatz des Messgerätes auf langsame bis mittelschnelle Bewegungen limitiert. Zu beachten ist außerdem die noch relativ große Datenmenge von bis zu 1,3 MB pro Bild, was die Einsetzbarkeit des Messgerätes zurzeit noch auf Forschungszwecke und kleinere klinische Untersuchungskollektive beschränkt.

With rasterstereography, which was developed in the 80´s by Drerup & Hierholzer, a new method was developed which allows with the help of surface back analysis to supplement radiological and clinical examinations of the spine in orthopeadic and biomechanic questions. Based on the principal of triangulation it provides a quick, contact-free and large-sized analysis of the trunk posture. Therefor changes in light-line-patterns, which are projected by a slide projector on the back of the patient, are detected by a digital camera and reconstructed three-dimensionally. With the help of a personal-computer it is possible to calculate the spine posture out of the 3D-model. With the currently used measurement system it is only possible to measure under statical conditions. Because of that, aim of this present study was to evolve hard- and software-components to measure under dynamic conditions. To test the accuracy of the new system under dynamic conditions markers on a wodden plate were measured. The plate was therefor moved by a computer-controlled robotic-arm. Alltogether seven different movements of the plate were examined. The "trunk length" was measured with an accuracy of 3,29 mm and the "dimple distance" with an accuracy of 1,04 mm. To test the reliability of the system active sports women were tested repeatetly during still standing and during an arm-circle movement. As a result we got standard deviations (SD) between 1,92-7,52 mm for the "trunk length" and SD´s for the "trunk inclination" between 0,24-1,02°. Other tested parameters were measured with SD´s for the "kyphotic angle" from 0,82-1,79° and for the "lordotic angle" from 1,04-2,99°. Finally the modified Matthiass-Test was substantiated with the new measurement system. Therefor 31 acticve and healthy tennis-players have been evaluated. To create greater changes in the spine posture of the patients the test was accomplished with additional weights. The main focus was set on the changes of the posture at the beginning and at the end of the Matthiass-Test. With the help of of these examinations it was possible to show that during the test there was a slight increase in the "trunk length". Also an erection of the trunk was found, combined with a moderate decrease in the "kyphotic angle" and a small increase in the "lordotic angle". With the help of mathematical-correlation-tests it could be proved, that additional 5% of the body-weight are enough to bring out significant changes in the spine postures of healthy patients. Although these results must be veryfied with posture-weak patients. With the 4D-Imager a measurement system was developed to ensure precise, radiation-free, contact-free and dynamic examinations of spine postures. Unfortunately there a still some small irregulations in the automatic detection of the seventh vertebral body, which will have to get fixed. A limitation still is the maximum picure-frequency of 15 Hz, which limits the use of the system to slow to medium-fast movements. Also the relatively big data size of 1,3 Mb per picure limits the use of the system so far for trials and clinical examinations with a small collective.