Die Entwicklung und Validierung effektiver Methoden zur Reduzierung von Hautmarkerartefakten für eine effektive, funktionelle Bestimmung des Hüftgelenkzentrums aus Bewegungsdaten

Abstract

Die klinische Ganganalyse ist ein Verfahren zur Erfassung der Kinematik des Bewegungsapparates. Sie ermöglicht die Quantifizierung von kinematischen Veränderungen im Krankheitsverlauf und der Evaluierung von Therapieerfolgen. Die Bestimmung von Gelenkzentren ist ein fundamentaler Bestandteil der Ganganalyse, da besonders die Kinematik von Gelenken und deren Belastung im Fokus von Analysen stehen. Die Präzision der Verfahren zur funktionellen Bestimmung von Gelenkzentren wird primär durch Hautmarkerverschiebungsartefakte (STAs) limitiert, wenn sich durch z.B. Hautelastizität der Weichteilmantel samt Hautmarker relativ zum Skelett verschiebt. Wird diese Bewegung als Bewegung des Skeletts interpretiert, kann dies zu falschen klinischen Schlussfolgerungen führen. Während in-silico und in-vitro Studien funktionellen Methoden unter Ausschluss von STAs eine Präzision im Bereich von <5mm attestierten konnten, liegen die Abweichungen in in-vivo Applikationen eher im Bereich von cm. Somit verbleibt die effektive Reduzierung von STAs der Schlüssel zu einer zuverlässigen Analyse der skeletalen Kinematik aus Bewegungsdaten. Durch die systematische Validierung und Weiterentwicklung des funktionellen Verfahrens Symmetrical Centre of Rotation Estimation (SCoRE) zur Bestimmung des Rotationszentrums am Hüftgelenk und der Optimal Common Shape Technique (OCST), einem Verfahrens zur Reduzierung von STAs, sollen STAs effektiver reduziert, optimale Hautmarkerpositionen identifiziert und somit das Leistungspotential funktioneller Verfahren ausgeschöpft werden. Zum Erreichen dieses Ziels wurden folgende Teilstudien durchgeführt: (1) In-vivo Validierung des SCoRE Verfahrens, (2) Validierung des SCoRE Residuums als Qualitätsindex zur unmittelbaren Beurteilung funktionell bestimmter Rotationszentren, (3) Einführung und Validierung der gewichteten OCST (wOCST) zur effektiven Reduzierung von STAs unter Berücksichtigung gewichteter Hautmarkerpositionen, (4) Anwendung der wOCST zur Identifizierung optimaler Markerpositionen für die funktionelle Bestimmung des Rotationszentrums am Hüftgelenk. Durch die systematische Validierung und Weiterentwicklung des Verfahrens SCoRE und der OCST, konnte mit dem SCoRE Residuum ein Qualitätsindex bestätigt werden, der die unmittelbare Beurteilung der Güte des funktionellen Ergebnisses erlaubt und zusammen mit der OCST ein neues Verfahren, die wOCST, bildet, welches durch die Gewichtung von Hautmarkerpositionen erstmals die unregelmäßige Verteilung von STAs berücksichtigt. Somit konnte die Präzision, mit welcher Rotationszentren in-vivo ermittelt werden, auf ein Niveau angehoben werden, welches bis dato nur in in-vitro und in-silico Studien erreicht wurde, wenn STAs ausgeschlossen waren. Für die klinische Ganganalyse bedeutet dies ein neues Maß an Zuverlässigkeit, da sich die, um ein vielfaches höhere Qualität des Analyseverfahrens direkt auf die klinischen Schlussfolgerungen übertragen lassen.

Clinical gait analysis is applied to quantify skeletal kinematics in order to assess the kinematic process of diseases and to evaluate therapy outcome. Here, the accurate determination of joint centres plays a key role when joint kinematics and loading are to be investigated. The precision of gait analysis is limited by soft tissue artefacts (STAs), when skin markers move relative to the underlying bone. Is this artefact interpreted as skeletal motion, it can lead to faulty clinical diagnoses. In-vitro investigations without the presence of STAs have demonstrated the effectiveness of mathematical algorithms to determine the center of rotation (CoR) at the hip, with an accuracy of <5mm. Conversely, the application of such mathematical approaches in vivo has produced errors in HJC estimations rather in the range of cm. Thus, the effective reduction of skin marker artefacts seems to be the key to obtain reliable kinematic data. The aim of this study is the systematic validation, combination and advancement of the Symmetrical Centre of Rotation Estimation (SCoRE), a functional approach to estimate the position of the centre of rotation (CoR) and the Optimal Common Shape Technique (OCST), an approach to reduce the skin marker artefacts, in order to allow a more effective reduction of skin marker artefacts and therefore a more reliable functional estimation of joint positions. The study was divided in the following sub-studies: (1) in-vivo validation of the SCoRE method, (2) the validation of the SCoRE residual as a quality index for functional estimated joint centres, (3) Introduction and validation of the weighted OCST (wOCST), (4) application of the wOCST to determine optimal skin marker positions for the functional determination of the hip joint centre. The SCoRE residual was approved as a reliable quality index to assess the accuracy with which the functional joint centre has been estimated. Together with the OCST, it constitutes the wOCST, an approach for the effective reduction of STAs by considering, for the first time, the non-uniform distribution of STAs. Thus, the level of accuracy with which the hip joint centre has been functionally estimated, has been raised to the previous level of in-silico studies. Since this success results in more the reliable kinematic data, clinical gait analysis benefit by a higher level of reliability in the assessment both, diseases’ process and therapy outcome.