Dieser Artikel beschreibt ein Messgerät zur Bestimmung der isometrischen Kraft in den Sprunggelenken in Dorsalextension und Plantarflexion. Durch die Kombination der Vorrichtung zur Bestimmung der freiwilligen isometrischen Maximalkraft in den Sprunggelenken, des Elektromyogrammes und der genauen Positionskontrolle des zumessenden Beines ist es z.B. möglich, einen objektiven Vergleich der Unterschiede der Muskulatur zwischen dem linken und rechten Bein, wie auch während der Rehabilitation nach einer Operation oder Verletzung zu bekommen.  This article describes an easy to use test equipment for measuring the isometric force in the ankle joints in dorsiflexion and plantar flexion. The combination of the test equipment for measuring the voluntary maximal isometric muscle force in the ankle joint, the surface electromyograms and the motion analysis of the measured leg allow an objective comparison of the strength of the muscular force between the left and right leg. It might be also used as a control setup during rehabilitation after surgical treatment or injurie

Göpfert, Beat

Hintermann, Beat

Valderrabano, Victor

Wirz, Dieter

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EinleitungDie peri- und intraartikulären Verletzungen des oberenSprunggelenks (OSG) nehmen zu. [2, 4, 13]. Dies ist aufdie längere Lebenserwartung und die Zunahme der ge-nerellen Freizeitaktivität mit Verletzungen in risikorei-chen Sportarten in der Bevölkerung zurückzuführen. DieFolge solcher Verletzungen ist häufig die Entwicklung ei-ner posttraumatischen OSG-Arthrose, die mit einer pro-gressiven Bewegungseinschränkung, Sportunfähigkeit,Belastungsunfähigkeit, Schmerzen und zuletzt Invaliditätdes Patienten einhergeht [11]. Die OSG-Arthrose führthäufig zu einer sekundären Atrophie der Unterschenkel-muskulatur. Dies hängt mit einer Schwächung der Fusshe-ber und -strecker und als Konsequenz mit einer Fehlbela-stung des arthrotischen Gelenkes und einer Gangabnor-malität zusammen. Pathomechanisch liegt im Langzeit-verlauf ein Circulus vitiosus vor. Deshalb ist die effizientebiomedizinisch-technische Diagnostik einer solchen Mus-kelatrophie für die Beurteilung eines unter OSG-Arthro-se leidenden Patienten sowie die Festlegung der individu-ell geeigneten Therapie (Physiotherapie, Operation, Re-habilitation) von grosser Bedeutung. Die Ziele dieser Studie waren es, eine Messvorrichtungzur Bestimmung der isometrischen Kraft für die Dorsalex-tension und Plantarflexion der Sprunggelenke unterBerücksichtigung der Sprungelenk-Biomechanik zu ent-wickeln, die Integration der Vorrichtung in ein Bewe-gungsanalyse-System zu optimieren sowie die Anwendungdes Gesamtsystems in der Messung eines gesunden Pro-banden zu beschreiben.Material und MethodeBerücksichtigung der Sprunggelenk- und Unterschen-kel-BiomechanikDas Entwicklungsziel war der Bau eines mobilen Mess-gerätes, welches das Messen des isometrischen Drehmo-mentes resp. der Muskelkraft der Dorsalextension oderPlantarflexion um die Rotationsachse des OSG isoliert er-möglicht. Eine Achsenübereinstimmung der Messvor-richtung zu OSG- sollte garantiert werden, da das OSGdas wichtigste Element in der Bewegungsübertragungzwischen Unterschenkel und Fuss ist. Biomechanisch ge-sehen ist das OSG kein reines Scharniergelenk sondernhat vielmehr eine Drehachse, welche sich bei Extensionund Flexion verschiebt, aber immer nahe bei denKnöchelspitzen verläuft. [5, 6] Da die beiden Mm. Ga-strocnemii zweigelenkige Muskeln sind, das heisst nebender Plantarflexion im oberen und unteren Sprunggelenkauch Flektoren im Kniegelenk sind, muss die maximaleMuskelkraft am Fuss unter Berücksichtigung des Flexi-onswinkels des Knies gemessen [1, 7]. Um eine isolierteMessung der OSG-Kraft ohne willkürliche Unterstützungdes Quadrizepsmuskels zu garantieren, muss die Vorrich-tung in X- und Z-Richtung eine reibungsarme Ausweich-bewegung erlauben.Entwicklung der KraftmessvorrichtungDie Vorrichtung (Bild 1a, 1b, 2) wurde gemässen den bio-mechanischen und anatomischen Anforderungen auf ei-Biomedizinische Technik · Band 50 · Heft 9/2005282Isometrische Dorsalextensions- und Plantarflexionskraft in den SprunggelenkenBiomed. Technik, 50 (2005), 282-286Beat Göpfert1, Victor Valderrabano2, Beat Hintermann3, Dieter Wirz4, Messung der isometrischen Dorsalextensions- und Plantarflexions-Kraft in den SprunggelenkenMeasurement of the Isometric Dorsiflexion and Plantar Flexion Force in the Ankle Joint 1Labor für Orthopädische Biomechanik, Universität Basel, 4055 Basel2Orthopädie, Universitätsspital Basel, 4031 BaselHuman Performance Laboratory, Kinesiology Research Center, University of Calgary ,Calgary, Alberta, Canada, T2M3W33Orthopädie, Universitätsspital Basel, 4031 Basel4Labor für Orthopädische Biomechanik, Universität Basel, 4055 BaselSchlüsselwörter: Sprunggelenk, isometrischen Maximalkraft, Rehabi-litation, EMG, Dieser Artikel beschreibt ein Messgerät zur Bestimmung der isometri-schen Kraft in den Sprunggelenken in Dorsalextension und Plantarfle-xion. Durch die Kombination der Vorrichtung zur Bestimmung der frei-willigen isometrischen Maximalkraft in den Sprunggelenken, des Elek-tromyogrammes und der genauen Positionskontrolle des zumessen-den Beines ist es z.B. möglich, einen objektiven Vergleich der Unter-schiede der Muskulatur zwischen dem linken und rechten Bein, wieauch während der Rehabilitation nach einer Operation oder Verlet-zung zu bekommen.Key words: Ankle joint, isometric force, rehabilitation, EMGThis article describes an easy to use test equipment for measuring theisometric force in the ankle joints in dorsiflexion and plantar flexion.The combination of the test equipment for measuring the voluntarymaximal isometric muscle force in the ankle joint, the surface elec-tromyograms and the motion analysis of the measured leg allow anobjective comparison of the strength of the muscular force betweenthe left and right leg. It might be also used as a control setup duringrehabilitation after surgical treatment or injuries.nem CAD-System (SolidWorks Lehr-Edition 2004/05, So-lidWorks Corporation, Concord, MA, USA) entworfen.Dabei wurden folgende Punkte berücksichtigt:- Die Kraftmessung misst nur die erzeugte Kraft in Dor-salextension oder Plantarflexion.- Entkopplung von zusätzlichen Bewegungen wie dasHeben des Beins, Strecken des Knies etc. werden nichterfasst von der Kraftmessdose.- Eine definierte Messposition der Probanden währendmehreren unabhängigen Messsitzungen zwecks Re-produzierbarkeit.- Vorrichtung muss mobil sein.- Einfache Anpassung an Schuhgrösse und Beinlängesowie Abstand Fusssohle zu Drehachse im OSG. Die mechanische Dimensionierung der Vorrichtung wur-den anhand der Messresultate von Giacomozzi et al. [3]festgelegt und mittels Finit-Element-Programm (Cosmos-work, SolidWorks Corporation, Concord, MA, USA) wur-de die Vorrichtung auf dem CAD-System überprüft. Das fertige Testgerät (Bild 1b) bestehet aus der Grund-platte, auf der 2 senkrechten Säulen mit der linear-gela-gerte Messeinheit mit der Schuhplattform montiert sind.Durch diese kompakte Bauweise (l:400 mm, b: 300 mm,h: 410 mm) und durch das Mitverwenden des in Untersu-chungszimmern vorhandenen Mobiliars entstand einemobile Messvorrichtung, welche nachfolgend detaillier-ter beschrieben wird.Der Fuss der Probanden wird mit einem zusätzlichStahlblech versteiften Fussrehabiltiationsschuh (P-OSchuh flat, Neutromedics AG Cham, Schweiz) auf dermobilen Messgerät fixiert. Die gewünschte Position desFussrehabiltiationsschuhs auf der Plattform kann den an-thropometrischen Verhältnissen des Probanden angepas-st werden. D.h. durch eine Verschiebung des Schuhes inLängsachse resp. durch einfügen von Zwischenplattenzwischen Plattform und Schuhsole können die Rotations-achsen der Vorrichtung und des OSG zur Übereinstim-mung gebracht werden. Das Drehmoment wird mit einer Kraftmessdose (Typ:SM-500N, Interface, Inc. Scottsdale, Arizona, USA) ge-messen, welche unter der Schuhplattform montiert ist.Die Schuhplattform inkl. Kraftmessdose ist in der vertika-len Achse frei beweglich mit Linearlagern gelagert. Diesereibungsarmen kugelgelagerten Linearlager erlauben ei-nerseits eine Höheneinstellung der gesamten Plattform,was durch die unterschiedlichen Beinlängen der Proban-den notwendig ist und andererseits hat das Anheben oderAbsenken des Beins während der einzelnen Messungenkeinen Einfluss auf die Kraftmessung. Damit eine Bewe-gung im Kniegelenk keinen Einfluss auf die Kraftmes-sung hat, sind an der Vorrichtung Räder angebracht wel-che eine Ausweichbewegung in der Fusslängsachse zulas-sen. Die Vorrichtung soll nur auf einem Bodenmaterialbenutzt werden, auf dem der Rollwiderstand klein ist: Be-ton, Glasplatte, Stahlplatte. Um das unbeabsichtigte An-heben der Vorrichtung durch eine unkontrollierte Bewe-gung des Fusses oder Unterschenkels zu vermeiden, wirdjeweils ein Gegengewicht zur Belastungsrichtung auf ei-nem Ausleger am Messgerät plaziert.Messung der Kraft resp. DrehmomentsDer Fuss des Probanden wird im Schuh positioniert undmit Klettverschlüssen fixiert. Die Achse des OSGs wirddurch Anpassen der Schuhhöhe bzw. -Position möglichstdeckungsgleich zur Achse der Messvorrichtung gelegt.Dabei sitzt der Patient auf einer Liege mit Einhaltung ei-ner klinischen 90°-Kniebeugung und OSG-Neutralstel-lung. Die Kraftmessung erfolgt mit 8 isometrischen maxi-mal voluntären Dorsalextensionsmessungen gefolgt vonentsprechend 8 Plantarflexionsmessungen. Die Messun-gen werden bilateral an beiden OSG durchgeführt. Erfassung der Muskelaktivität und WinkelDie Erfassung der Muskelaktivität erfolgte mittels kon-ventioneller Oberflächen-Elektromyographie (EMG).Dabei wurden die folgenden Muskeln zeitsynchron ge-messen: Gastrocnemius medialis (GM), Tibialis anterior(TA), Soleus (SO), Peroneus longus (PL). Die Positionie-rung und Handhabung der Dual-EMG-Elektroden(Norotrode 20, Myotronics-Noromed Inc., Tukwila, WA,Biomedizinische Technik · Band 50 · Heft 9/2005283Isometrische Dorsalextensions- und Plantarflexionskraft in den SprunggelenkenBild 1a. Ge-samtansichtder Versuchs-anordnung miteinem Probandbei Messungder Isometri-schen Dorsal-extension.Bild 1b. Detailansicht des Messgerätes mit Beschrieb der wichtigsten Kompo-nenten.USA) erfolgt nach SENIAM-Standard (www.seniam.org).Das EMG-Signal wird Elektroden nah mit einzelnen Diffe-rentialverstärkern (Biovison, Wehrheim, Deutschland)mit einer Bandbreite von 10 bis 700 Hz verstärkt und zeit-synchron mit dem Signal der Kraftmessdose bei einerSamplingrate von 2520 Hz auf den Analogeingängen desVicon Bewegungsanalyse-Systems (Vicon Systenm 460, Vi-con Motion Systems Ltd.,Oxford, UK) erfasst. Diese gros-se Samplingrate des EMG ist notwendig, damit keine Ala-sing-Effekte auftreten, da Frequenzen bis 660 Hz analy-siert werden. Zusätzlich dient das Vicon-System 460 mitseinen 6 Digitalkameras und einer Bildwiederholungsfre-quenz von 120 Hz dazu, die verschiedenen reflektieren-den Marker auf dem Unterkörper des Probanden undder Vorrichtung 3-dimensional zu erfassen. Damit lassensich die jeweiligen Winkel des Beines und des Fusses so-wie die genaue Position der Vorrichtung im Raum erfas-sen.DatenerfassungDie zeitsynchrone Datenerfassung von Kraft, EMG undder Vicon-kontrollierten OSG- und Beinpositionwährend der ca. 8 Sekunden dauernden freiwilligen ma-ximalen Muskelkontraktion erlaubt eine umfassende undzum Ereignis korrelierende Datenanalyse. Damit bei je-der Kraftmessung eine Referenzbasis vorhanden ist, wirdvor und nach jeder freiwilligen Muskelkontraktion für cir-ca 2 Sekunden im „entspannten“ Zustand gemessen. DieDaten werden im Standard-Programm von Vicon aufbe-reitet und nachfolgend als ASCII-Tabelle exportiert undkönnen in einem beliebigen Datenanalyseprogramm wei-terbearbeitet werden.ResultateIn dieser Arbeit werden die Daten eines gesunden Pro-banden (männlich, 50 Jahre alt) vorgestellt (Tab. 1)., wo-bei der Proband anamnestisch eine Verletzung der linkenAchillessehne vor mehr als 15 Jahren und eine physiologi-sche Dominanz des rechten Beines angibt. Während der freiwilligen maximalen Muskelkontrakti-on gibt es kleine Winkel-Bewegungen im OSG sowie imKnie (Abb. 3c - d). Diese betragen in der sagittalen Ebeneam OSG ca. 10 ° und am Knie circa 5°. Die EMG-Daten(Bild 3a – b) zeigen bei der Dorsalextensionskontraktureine Aktivierung des Tibials anterior-Muskel. In der Plan-tarflexionskontraktur werden der Gastrocnemius media-lis-, Soleus- und Peroneus longus-Muskel aktiviert. Dasdurchschnittliche Drehmoment bzw. die Kontraktions-kraft ist in Dorsalextension kleiner als in Plantarflexionund seitendifferent (p<0.05; Tabelle 1). DiskussionMit dem verwendeten mobilen Messgerät wurde dasDrehmoment, welches durch eine freiwillige Muskelkon-traktion im Sprunggelenk erzeugt werden kann, gemes-sen. Gleichzeitig wurde eine Elektomyographie der Un-terschenkelmuskulatur sowie ein 3D-Tracking mit einemGanganalysesystem durchgeführt. Die gemessenDrehmomente in Dorsalextension und Plantarflexion wa-ren vergleichbar den Messwerten welche Giacomozzi etal. [3] mit einem wesentlich komplexeren System mit 6Freiheitsgraden an sportlichen und gesunden Probandengemessen hatten. Das in dieser Arbeit verwendete Mess-gerät eignet sich auch als stand-alone Gerät, d.h. ohneEMG und ohne Video-Tracking System. Die kompakteBauweise wird durch die Mitverwendung von in Untersu-chungszimmern vorhandenem Mobiliar ermöglicht underlaubt einerseits den Einsatz in der Grundlagenfor-schung wie auch andererseits Kontrollen zur objektivenKraftmessung am Sprunggelenk in der Rehabilitationnach Verletzungen oder Operationen im Fussbereich. Sokann eine einfache quantitative Kontrolle der Rehabilita-tion nach einer Verletzung, wie es auch in der vorliegen-den Messung unerwartet Weise nachgewiesen wurdedurchgeführt werden. Dabei muss unter definierten Be-dienungen gemessen werden, da die Beinposition einenBiomedizinische Technik · Band 50 · Heft 9/2005284Isometrische Dorsalextensions- und Plantarflexionskraft in den SprunggelenkenMax. freiwillige Linkes OSG   Rechtes OSG     Seitendifferenz Muskelkontraktion            [Nm] [Nm]               [Nm]  ([%])Dorsalextension -35.1 ± 2.2 -29.3 ± 2.8 5.7  (16.3 %)*Plantarflexion 31.3 ± 3.1 38.6 ± 3.3 7.3  (19.0 %)*Tabelle 1. Bilaterale Durchschnittsdaten (n= 8) der Maximalen freiwilligenMuskelkontraktion in Dorsalextension und Plantarflexion. Nm= Newtonmeter; * = signifikanter Unterschied (p<0.05)Bild 2. Messgerät während einer Messung zur Isometrischen Dorsalextensionmit EMG und den reflektierenden Markern des Bewegungsanalyse-Systems.Einfluss auf die Kraft, resp. das Drehmoment am OSG hat[7]. In der vorliegenden Messung überraschte der dochrecht grosse Seitenunterschied von 16.3 % in Dorsalex-tension und 19 % in Plantarflexion beim Drehmoment(Tab. 1). Der Proband erklärte, dass er keinerlei Unter-scheide bei sportlichen Wettkampfaktivitäten der schon15 Jahre zurückliegenden Verletzung spüre. Dies zeigt ei-nerseits wie adaptiv der menschliche Bewegungsapparatist und andererseits kann mit einer beidseitigen Messungeine oft nicht bekannte aber vorhandene Kraftdifferenzsichtbar gemachte werden [9]. Die damit gewonnen Mes-swerte sind Momentaufnahmen und lassen leider keineRückschlüsse auf die Kraftverhältnisse vor einem Ereigniszu. Viele mehr eignen sie als Basiswert für ein optimiertesKrafttraining zur Reduktion der Asymmetrie.Das verwendete Messgerät erlaubt zusätzlich zu denDrehmoment-Messungen noch EMG-Messungen. Dabeikann die Muskelaktivität in bezug der Kraft resp. desDrehmomentes bei der maximalen freiwilligen Muskel-kontraktion untersucht werden. Die zusätzlich gewonne-nen Informationen können zum Beispiel in der Rehabili-tationsphase benutzt werden, um den Aufbau der einzel-nen Muskeln resp. der unterschiedlichen Muskelfaserty-pen zu optimieren [8, 12]. Damit kann versucht werdendas Risiko einer bleibenden Muskelatrophie oder auch ei-ner trainingsbedingten Muskelhypertrophie [10] zu mi-nimieren.Die objektive Kontrolle mit der oben beschriebenenVorrichtung erlaubt eine Optimierung des Rehabilitati-ons- oder Trainingprogramms, so dass kein resp. nur einsehr kleiner Kraftunterschied zwischen den beiden Mus-kulaturen des Unterschenkels erreicht werden kann.DankessagungDie Arbeit wurde vom Department Operative Medizin desUniversitätsspitals Basel finanziell unterstützt.Literatur[1] Arampatzis, A., Morey-Klapsing, G., Karamanidis, K., DeMon-te, G., Stafilidis, S., Bruggemann, GP.: Differences betweenmeasured and resultant joint moments during isometric con-tractions at the ankle joint. J Biomech., 38(4), (2005), 885-892[2] Baumhauer, JF., Alosa, DM., Renstrom, AF.,. Trevino, S., Beyn-non, B.: A prospective study of ankle injury risk factors. Am JSports Med., 23, (1995), 564-570[3] Giacomozzi, C., Cesinaro, S., Basile, F., De Angelis, G., Gian-Biomedizinische Technik · Band 50 · Heft 9/2005285Isometrische Dorsalextensions- und Plantarflexionskraft in den SprunggelenkenBild 3 a - d. Kombinierte Kraft-, EMG- und Bewegungsmessung. Bild 3a. zeigt die Dorsalextensions-Kraftmessung am OSG mit gleichzeitiger EMG-Aufzeichnung des TA-Muskels.Bild 3b. entsprechend die Plantarflexions-Kraftmessung mit gleichzeitiger Aktivierung vom GM-, SO-, und PL-Muskel. Bild 3c. und 3d. zeigen die dabei klinisch nicht-sichtbaren jedoch biomechanisch-erfassten minimalen Bewegungen am OSG und Kniegelenk. santi, D., Maccioni, G., Masci, E., Panella, A., Paolizzi, M., Tor-re, M., Valentini, P., Macellari, V.: Measurement device for an-kle joint kinematic and dynamic characterisation. Med BiolEng Comput., 41(4), (2003), 486-493.[4] Kannus, P., Palvanen, M., Niemi, S., Parkkari, J., Jarvinen, M.:Increasing number and incidence of low-trauma ankle fractu-res in elderly people: Finnish statistics during 1970-2000 andprojections for the future. Bone; 31, (2002), 430-433[5] Leardini, A., O'Connor. JJ., Catani, F., Giannini, S.: Kinematicsof the human ankle complex in passive flexion; a single degreeof freedom system. J Biomech., 32(2), (1999), 111-118.[6] Lundberg, A., Goldie, I., Kalin, B., Selvik, G.: Kinematics of theankle/foot complex: plantarflexion and dorsiflexion. Foot An-kle, 9, (1989), 194-200[7] Miyamoto, N., Oda, S.: Mechanomyographic and electromyo-graphic responses of the triceps surae during maximal volun-tary contractions, J Electromyogr Kinesiol.;13(5), (2003),451-459.[8] Shepstone, T.N., Tang. J.E., Dallaire, S., Schuenke, M.D., Sta-ron, R.S., Phillips, S.M.: Short-term high- vs. low-velocity isoki-netic lengthening training results in greater hypertrophy ofthe elbow flexors in young men. J Appl Physiol., 98, (2005),1768-1776[9] Stephens TM 2nd., Lawson, BR., Reiser, RF 2nd.: Bilateralasymmetries in max effort single-leg vertical jumps. Biomed SciInstrum.,41, (2005), 317-322.[10] Stevens, JE., Walter, GA., Okereke, E., Scarborough, MT., Ester-hai, JL., George, SZ., Kelley, MJ., Tillman, SM., Gibbs, JD., El-liott, MA., Frimel, TN., Gibbs, CP., Vandenborne, K.: Muscleadaptations with immobilization and rehabilitation after anklefracture. Med Sci Sports Exerc., 36(10), (2004),1695-701.[11] Valderrabano, V., Hintermann, B., Dick, W.: Scandinavian To-tal Ankle Replacement: A 3.7 year Average Followup of 65 Pati-ents. Clin Orthop., 424, (2004), 47-56[12] Wakeling JM., Rozitis, AI.:, Spectral properties of myoelectricsignals from different motor units in the leg extensor muscles.J Exp Biol. 207(Pt 14), (2004), 2519-28[13] Yeung, MS., Chan, KM., So, CH., Yuan, WY.: An epidemiologi-cal survey on ankle sprain. Br J Sports Med., 28, (1994), 112-116Biomedizinische Technik · Band 50 · Heft 9/2005286Isometrische Dorsalextensions- und Plantarflexionskraft in den SprunggelenkenKorrespondenzanschrift:Beat GöpfertLabor für Orthopädische BiomechanikUniversität Baselc/o Felix Platter-SpitalBurgfelderstrasse 1014055 BaselTel: +41(61)326 40 49Fax: +41(61)326 44 34E-Mail: Beat.Goepfert@unibas.ch

Messung der isometrischen Dorsalextensions- und Plantarflexions- Kraft in den Sprunggelenken

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