Entwicklung eines diagnostischen Verfahrens zur Bestimmung der Gelenkachsen des Sprunggelenks

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es eine Methode zu entwickeln mit der es möglich ist, die Sprunggelenkachsen in vivo und nicht invasiv zu bestimmen. Ein hypothetischer Zusammenhang zwischen der individuellen Gelenkanatomie und chronischen sowie akuten Überlastungen der Strukturen der unteren Extremitäten wird in der Literatur zwar mehrfach angesprochen, konnte aber von bisher durchgeführten Studien aufgrund von methodischen Restriktionen und dadurch bedingten kleine Fallzahlen weder bestätigt noch verworfen werden. Folgende Anforderungen mussten von dem neuen diagnostischen Verfahren erfüllt werden: Im Feld einsetzbar (benötigt keine Laborbedingungen), in vivo, nicht invasiv, automatisierte Datenverarbeitung und Datenerfassung, einfach zu handhaben. Um diese Anforderungen zu erfüllen wurde das Ultraschall-Laufzeit-Bewegungsanalyse-System cms20 der Firma zebris modifiziert und eine eigene Software und die benötigten mathematischen Methoden entwickelt. Wie bisher angewandte nicht invasive Methoden zur Bestimmung der Lage der Sprunggelenkachsen in vivo stützt sich auch dieses Verfahren auf eine Bewegungsanalyse des Sprunggelenkkomplexes. Das eingesetzte mathematische Verfahren betrachtet die Bewegungen um die obere und untere Sprunggelenkachse als eine Rotation in der Ebene und reduziert somit die Bewegungsanalyse auf ein zweidimensionales Problem. Für die Berechnung der Gelenkachsen und damit des COR (Center of Rotation) aus den aufgezeichneten Bewegungsdaten genügen demnach die Koordinatendaten von drei verschiedenen Positionen eines Ultraschallmarkers. Der gesamte Messvorgang dauert weniger als zehn Minuten. Dabei muss in einem ersten Schritt das Tibiakoordinatensystem -- ein Koordinatensystem markanter anatomischer Punkte -- , mithilfe eines speziell für diesen Zweck entwickelten Ultraschalltaststiftes festgelegt werden. In der Neutral-Null-Stellung (hüftbreiter Aufrechter Stand) des Probanden müssen zur Bestimmung des Tibiakoordinatensystem zwei Punkte auf der Tibiakante und ein weiterer Punkt auf der Achillessehnenmitte aufgezeichnet werden. Mittels eines vierten Punktes in der Standfläche wird der Ursprung des Koordinatensystems festgelegt. Alle Ergebnisse werden relativ zu diesem Tibiakoordinatensystem ausgegeben. Anschließend erfolgt die Aufzeichnung der Bewegungsdaten. Dazu muss der Fuß aus der Neutral-Null-Stellung in die maximale Dorsalflexion bewegt werden. In dieser maximalen Dorsalflexion müssen mehrere Inversions/Eversionbewegungen durchgeführt werden. Die Software berechnet anhand der aufgezeichneten Bewegungskoordinaten alle benötigten Parameter des oberen und unteren Sprunggelenks und stellt diese nach der Messung numerisch und grafisch dar. Für die Achsdaten des unteren Sprunggelenks werden Mittelwerte und Standardabweichung ausgegeben, die aus den berechneten Sprunggelenk-Achsdaten der einzelnen Inversions- und Eversionsbewegungen gebildet werden. Mithilfe der Standardabweichung können direkt nach einer Messung Aussagen über die Qualität der Bewegungsausführung und damit über die Genauigkeit des Messergebnisses gemacht werden. Das Gesamtsystem wurde einer Reihe von Validitäts- und Reliabilitätstest am mechanischen Modell und in vivo unterzogen. Der ermittelte Fehler der Winkel für die Reliabilitätstests am mechanischen Modell war E<0,9°. Bei den in vivo Tests war der Fehler der Winkel mit E<2,5° etwas höher als bei den Tests am mechanischen Modell, was aufgrund von Hautverschiebungen und Abweichungen bei der willkürlichen Bewegungsausführung zu erwarten war.

In ersten durchgeführten Studien wurden die Sprunggelenkachsen von n=97 Probanden in vivo bestimmt. Die Standardabweichung bzw. der Messfehler der Einzelmessungen von Deviation und Inklination betrug E<5°. Der Mittelwert des Deviationswinkels der gesamten Stichprobe war M=3,4° bei einer Standardabweichung von STAB<11,4°. Dieses Messverfahren ist dazu in der Lage, die Achsen des Sprunggelenkkomplexes in vivo und nicht invasiv bei großen Stichproben im Feld zu bestimmen. Der hypothetische Zusammenhang zwischen der individuellen Gelenkanatomie und chronischen und akuten Überlastungen der Strukturen der unteren Extremitäten sollte mit diesem neuen diagnostischen Verfahren aufgeklärt werden können.

The aim of this study is to develop a new diagnostic method to determine the talocrural and subtalar ankle joint axis in vivo and non invasive. Dependencies between individual spatial axis orientation and acute or chronic injuries have been discussed widely in current literature. However, because of methodical limitations and small number of subjects today's studies are not able to shed light on these dependencies satisfactorily. A new diagnostically method has to meet the following specifications: Suitable in field application, in vivo, non invasive, fully automated data acquisition and data processing, easy to use. To meet these specifications the ultrasonic-pulse-echo based hardware cms20 from zebris has been modified. Moreover, a new software and mathematical methods has been developed. According to already existing in vivo procedures for the determination of the ankle joint axis, this method is based on motion analysis of the ankle joint. The mathematical procedure used regards the movement of the talocrulal and subtalar joint as rotations in a plane. Thus, the issue can be reduced to a two dimensions of freedom problem. For the computation of the ankle joint axis and the center of rotation the mathematical method needs three coordinates from a ultrasonic marker. The total measurement takes less than ten minutes. First, a so-called tibia-coordinate-system has to be determined. A custom-built ultrasonic-pointer helps to record prominent anatomical points. To compute the tibia-coordinates two points on the tibia-border and an additional point in the middle of the achilles tendon has to be measured. A fourth point at the base defines the origin of the tibia-coordinates. All points have to be recorded with the subject standing upright in a neutral body position with legs hip-width apart. All results are displayed relative to these tibia-coordinates. The actual recording of ankle movement is done with the subject seated elevated so that the foot can follow its physiological range of movement necessary for the system to compute the ankle joint axis. The subject's foot has to move out of the neutral position to the position of maximum dorsalflexion. In this position of maximum dorsal flexion the foot needs to perform several inversion- and eversion movements. The software now calculates the talocrural and subtalar ankle joint axis from the movement data of the recorded ultrasonic pulse markers. The results are displayed graphically and numerically directly after the measurement. As a result of the measurement subtalarjoint axis the software shows the average and standard deviation of the subtalarjoint axis, calculated out of the specific results of a single inversion/ eversion movement of the subject's foot. Based on the displayed standard deviation, the quality of the required movement or the error of measurement can be estimated. The entire diagnostical method had to pass several validity and reliability tests on a mechanical model and in vivo. The calculated error for the reliability tests using the mechanical model was E<0,9°. The error concerning the in vivo tests was E=2,5°. This is slightly higher than the error on the mechanical model, which is most likely due to skin movements and less accurate movement of the subject's foot in maximum dorsalflexion. In a first study using this new diagnostical method the ankle joint axis's of n=97 subjects were determined. The standard deviation of the results of a single subject was less than E<5°. Results with standard deviations higher than 5° were rejected. The average of the n=97 subjects of the deviation was M=3,4° with a standard deviation of STD<11,4°. This new method is capable of determining the ankle joint and subtalar joint axis in vivo even with a large number of subjects and is therefore able to contribute to our current knowledge regarding the hypothetical dependencies of the spatial orientations of the ankle and subtalar joint axis and acute or chronic injuries.