Strobach, Daniel:

An object-oriented model of the human lower extremity for inverse and forward dynamic simulation of human gait

Duisburg, Essen (2009), 185 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Mechatronik und Systemdynamik
Kecskeméthy, Andrés (Doktorvater, Betreuerin)
van der Helm, Frans C. T. (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine offene, objektorientierte Bibliothek zur Modellierung der menschlichen unteren Extremität vorgestellt. Wesentliches Charakteristikum ist die Anwendbarkeit der entwickelten Softwarebausteine in Form eines Baukastensystems.

Die Vorteile der vorgestellten Architektur sind (1) eine einfache Handhabbarkeit der entstehenden Modelle, (2)die Möglichkeit schneller und punktueller Detaillierung von Teilmodellen sowie (3) die Möglichkeit, effizienten und getesteten Programmcode aus anderen Applikationen zu verwenden. Dieser Aspekt bietet insbesondere in Hinblick auf zukünftige Erweiterungen der Bibliothek großes Potential.

Die Anwendung der Softwarebibliothek wird anhand von drei Beispielen im Kontext der klinischcen Ganganalyse illustriert.

Als erste Anwendung wird eine automatisierte Methode zur Reduzierung von systematischen Fehlern bei der z.B. in einem Ganglabor üblichen Bewegungserfassung mittels Markern (motion capturing) vorgestellt. Durch ungenaue Positionierung der Marker auf der Haut sowie Relativbewegungen zwischen Haut und dem darunter liegenden Skelett (skin artefacts) sowie Messrauschen kann die Position der Gelenksmittelpunkte nur ungenau bestimmt werden. Dadurch treten in von diesen Bewegungsdaten abgeleiteten Modellen unrealistische Variationen in den Segmentlängen auf. Die vorgestellte Methode identifiziert Segmentvektoren sowie die Differenzvektoren zwischen den realen (anatomischen) Gelenksmittelpunkten sowie den Gelenksmittelpunkten des biomechanischen Modells unter Verwendung eines Optimierungsansatzes. Durch Anwendung der Methodik konnte die Variation der Segmentlängen zwischen 19% und 32% reduziert werden.

Als zweite Anwendung wurde mit Hilfe der entwickelten Software ein Tool zur Unterstützung bei der Diagnostik spezieller Formen des sog. Spitzfuß bei spastischen Lähmungen entwickelt. Hierdurch kann die komplizierte klinische Methodik durch eine auf einfacher Bewegungserfassung basierende, numerische Prozedur ersetzt werden. Die Übereinstimmung der Diagnose mit der klassischen klinischen Methode beträgt zwischen 71% ud 90%.

Im Rahmen einer dritten Anwendung wird ein Modell zur Identifizierung von Muskelaktivierungsverläufen mittels dynamischer Optimierung vorgestellt. Die hierbei verwendeten Kostenfunktionen basieren ausschließlich auf jeweils patientenindividueller Kinematik. Weiterhin wird ein vereinfachtes Muskelmodell verwendet. Dieses zeichent sich durch eine begrenzte Anzahl von Parametern aus, mit dem Ziel, die mit der Methodik der dynamischen Optimierung verbundenen hohen Berechnungsaufwände zu reduzieren. Um die Empfindlichkeit der Modellierung gegenüber Ungenauigkeiten in den Eingabeparametern zu untersuchen wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchung implizieren, dass die menschliche Gehbewegung allein auf Basis gemessener Bewegungsdaten nicht beobachtbar ist.