Die Ganganalyse (engl.: gait analysis) ist ein technisch-wissenschaftliches Verfahren – Teilgebiet der Bewegungsanalyse –, mit dessen Hilfe die natürliche Fortbewegungsart von Lebewesen, im Speziellen die des Menschen, das Gehen, beschrieben und auf ihre Charakteristika hin untersucht wird. Sie kann der Forschung (zum Beispiel Bewegungsanalyse), der Diagnostik (zum Beispiel Finden von Ursachen einer Gangstörung) oder der Dokumentation (zum Beispiel zur Qualitätssicherung) dienen.
Bei der instrumentellen Ganganalyse werden beispielsweise Schrittlänge, Gehgeschwindigkeit, Schrittfrequenz, Gelenkwinkel, auf die Gelenke einwirkende Kräfte, Muskelaktivität und Energieverbrauch ausgewertet.
Untersuchungsmethoden miniatur|Darstellung der Beinbewegungen während eines Schrittzyklus Bei der Ganganalyse wird hauptsächlich mit den Verfahren der Kinematik (optische Verfahren zum Beispiel: Bewegungserfassung (Motion Capture) zur Bewegungsverfolgung (Tracking) mittels Kinematografie, Video etc. – Aufzeichnung des sichtbaren Bewegungsablaufs), der Kinetik: (Kraftmessung, zum Beispiel der Bodenreaktionskräfte) und der Elektromyografie (Innervationsmuster der Muskeln) gearbeitet.
Markerbasierte Analyse Dem Probanden werden Marker, d. h. kleine reflektierende Kugeln, an definierten Stellen auf die Haut geklebt, typischerweise auf Beine und Rumpf. Zusätzlich werden oftmals Elektroden aufgeklebt, um mit der sogenannten Elektromyografie Muskelaktivitäten zu messen. Dann wird der Proband aufgefordert, eine definierte Strecke zu gehen. Dabei sind auf dem Weg (meistens) Kraftmessplatten in den Boden eingelassen, mit denen die Bodenreaktionskräfte gemessen werden können, wenn der Proband einen Schritt auf die Platte macht. Im Idealfall trifft der Proband mit einem Fuß in die Mitte der Platte und beim nachfolgenden Schritt mit dem anderen Fuß auf die Mitte der nächsten Platte.
Die Kameras sind so in dem Raum verteilt angebracht, dass in einem festen Beobachtungsvolumen zu jedem Zeitpunkt die Position der zu untersuchenden Person von mindestens zwei Kameras „gesehen“ werden kann. Dann kann die Position im dreidimensionalen Raum rekonstruiert werden.
Alternativ sind Ganganalysen auf dem Laufband möglich, wobei bekannt ist, dass sich einzelne Parameter zum freien Gehen auf der Gehstrecke unterscheiden.Ludwig, Oliver: Ganganalyse in der Praxis – Anwendung in Prävention, Therapie und Versorgung C. Maurer-Verlag, Geislingen, 2012, S. 106.
Es ist bekannt, dass eine Fehlerquelle bei der markerbasierten Analyse darin liegt, dass die Haut und somit die Marker sich im Verlauf der Bewegung im Vergleich zum Knochenskelett verschieben.Hamen Parul Shukla, "Proposal of a passive marker set for Paediatric gait data analysis", University of Toronto, 2000. Abschnitt "2.3 Skin movement artefact", S. 41–42.
Kinematische Methoden Zu den kinematischen Methoden werden alle fotografischen Verfahren gerechnet, mit deren Hilfe Bewegungsabläufe aufgenommen und wiedergegeben werden können. Dies waren zunächst – Ende des 19. Jahrhunderts – chronofotografische (E. J. Marey, 1830–1904) und später Filmaufnahmen. Die für die Berechnung wissenschaftlicher Daten notwendige Digitalisierung dieser Aufnahmen war sehr aufwändig. Sie konnte erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch automatische Auswerteverfahren ersetzt werden. Seit daher haben sich für die Bewegungsanalyse vor allem die Video- und die markerbasierten Infrarotaufnahmeverfahren (keine Rohdaten) durchgesetzt – auch weil diese weniger von den Lichtverhältnissen im Aufnahmeraum anhängig sind. Durch den rasanten technologischen Fortschritt seit Anfang des 21. Jahrhunderts kommen immer mehr Verfahren auf den Markt, welche modernere Alternativen zu konventionellen Systemen darstellen und mehr Möglichkeiten bieten. Interessant sind dabei vor allem bildbasierende Systeme, die auf Basis von Bildern (Rohdaten) Informationen extrahieren können. So kommen die neuesten Systeme durch Extrahieren der Silhouette des Patienten gänzlich ohne Marker aus. In Kombination mit dem konventionellen Marker-Tracking ergeben sich so Vorteile, welche neben dem positiven zeitlichen Aspekt vor allem die Genauigkeit und Reliabilität einer Ganganalyse verbessern.
Kinetische Methoden miniatur|Bodenreaktionskraft in 3 Dimensionen. Gemessen während eines Schrittzyklus durch eine Kraftmessplatte Die Kinetik befasst sich mit der Wirkung und Messung von Kräften. Bei der Ganganalyse wird die Reaktionskraft (Gegenkraft) des Bodens auf die Kraft gemessen, die der Körper durch die Füße beim Auftreten auf den Boden überträgt. Zur Messung dieser Reaktionskraft wird eine ursprünglich extra zu diesem Zweck konstruierte Kraftmessplatte verwendet (siehe auch: Pedographie). Es gibt zwei unterschiedliche technische Methoden, die Kraft zu messen. Bei der einen werden Dehnmessstreifen verwendet, bei der anderen wird die Kraft durch Piezokristalle aufgenommen. Die Reaktionskraft wird als dreidimensionaler Kraftvektor über der gesamten Kraftmessplatte aufgenommen. Er besteht aus einer vertikalen und zwei Scherkraftkomponenten (siehe auch: Scherung), die entlang der Oberfläche der Kraftmessplatte wirken. Um Aussagen über den Kraftverlauf unter dem Fuß machen zu können, benötigt man einen Punkt, an dem die Kraftkomponenten in jedem Augenblick konzentriert sind. Dieser Punkt wird als Center of Pressure ("CP") bezeichnet. Die Kurve seines Verlaufs ist einer der wichtigen Parameter bei der Ganganalyse.Michael W. Whittle: Gait Analysis – an introduction 4th ed. Elsevier, 2007, S. 80 ff. Diese als Ganglinie bezeichnete Kurve kann im Weiteren im Hinblick auf ihre Länge und Lage sowie ihren Zeitverlauf ausgewertet werden.
Diese Form der Messung gibt allerdings keine Auskunft darüber, wie die Reaktionskraft bezüglich der Fußsohle verteilt ist. Dies kann aber eine wichtige Information sein, wenn zum Beispiel Gleichgewichtsstörungen vorliegen. Es wurden deswegen spezielle Matten oder Einlegesohlen für die Schuhe entwickelt. Hierbei wird meist mit kapazitiven Elementen (siehe: elektrische Kapazität) gearbeitet, mit deren Hilfe die Druckverteilung unter dem Fuß beim Stehen oder Gehen gemessen werden kann.Chris Kirtley: Clinical Gait Analysis Elsevier, 2006. S. 105 ff.
Elektromyografische Methoden miniatur|Darstellung der Muskelaktivität der wichtigsten Beinmuskeln während eines Gangzyklus Bei der Aktivität (Kontraktion) von Muskelfasern entstehen elektrische Potentiale. Diese können über der Haut mittels Sensoren erfasst werden (Elektromyografie (EMG)). Damit kann die Dauer der Innervation bestimmt werden. Mit Hilfe von Elektroden, die auf der Haut über dem betreffenden Muskel befestigt werden, können die Aktionspotentiale der aktiven Muskelfasern gemessen werden. Das Ergebnis ist ein Summenpotential, das in seiner (Signal-)Stärke abhängig ist von der Anzahl der aktivierten Muskelfasern und deren Entfernung von der Elektrode. Von daher ist die gemessene Stärke des Signals nicht sehr aussagekräftig – das kann aber durch gezielte Maßnahmen erreicht werden. Für die Ganganalyse ist es nur wichtig, zu beurteilen, ob und wann ein Muskel aktiv ist. Das kann über eine Schwellenbestimmung für das EMG-Signal erreicht werden.Chris Kirtley: Clinical Gait Analysis Elsevier, 2006. S. 133 ff.
Inertialsensor-basierte Methoden Im Gegensatz zu videobasierten Analyseverfahren ermöglicht die Nutzung von inertialen Messeinheiten den ubiquitären Einsatz von Ganganalyse-Systemen auf Kosten geringerer lokaler Auflösung. Die Anzahl der genutzten Messeinheiten variiert, häufig werden diese jedoch am Fuß, Unterschenkel und/oder unteren Rücken befestigt.
Datenanalyse Mit Hilfe der mit den beschriebenen Verfahren gewonnenen Daten kann der Gang des Probanden in den drei Raumdimensionen und in der Zeit rekonstruiert werden. Dabei werden nicht nur die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Gliedmaßen sowie der Winkel zwischen den Gliedmaßen berechnet, sondern es können auch die in den Gelenken wirkenden Kräfte und die dort erzielte Leistung durch die Methoden der Inversen Dynamik berechnet werden. Zu letzteren werden allerdings persönliche Daten der untersuchten Person wie Größe, Gewicht, Teilmassen der Gliedmaßen und deren Trägheitsmomente benötigt (siehe hierzu auch: Mathematische Modelle der Biomechanik).
Für die Diagnose eines Gangereignisses (Auswertung aller Daten) wird zunächst der Gang in seine sich wiederholenden Abschnitte (Zyklen) der Schritte bzw. Doppelschritte eingeteilt. Diese Zyklen erhält man beispielsweise aus den Daten von je zwei Kontaktschaltern, die unter jedem Fuß unter der Ferse und unter dem Großzehenballen angebracht werden. Diese signalisieren das Aufsetzen des Fußes (Ferse) sowie das Abheben des Fußes am Ende des Schritts (Großzehenballen). Werden inertiale Messeinheiten anstatt von Kontaktschaltern genutzt, kann die Einteilung in Zyklen beispielsweise durch Peakfinder, Dynamic Time Warping, local cyclicity estimation oder Hidden Markov Models erfolgen.
Bei dem einzelnen Schritt werden dann Stand- und Schwungphase unterschieden. Diese Phasen lassen sich noch weiter unterteilen. Die Standphase wird eingeteilt in die Gewichtsübernahme, vom ersten Kontakt bis zum Anheben des anderen Beins, die mittlere Standphase vom Stand auf dem ganzen Fuß bis zum Anheben der Ferse und die Endphase, wenn das andere Bein den Boden berührt. Die Schwungphase beginnt mit dem Abheben des großen Zehs. Es folgt der Schwungbeginn, wenn das Schwungbein das Standbein passiert, dann der mittlere Schwungteil (mid swing), bis der Unterschenkel sich senkrecht über dem Boden befindet und schließlich der Endschwung, der bis zum Aufsetzen der Ferse dauert.J. Perry: Gait Analysis. Second Edition, Slack Incorporated, 2010. Damit ist ein Gangzyklus beendet.
Die Standphase nimmt etwa 60 % der Zeit des Gangzyklus in Anspruch, die Schwungphase 40 %. Da dies wechselseitig für beide Beine gilt, ergeben sich jeweils zwei überlappende Phasen, in denen beide Füße auf dem Boden sind, die jeweils rund 10 % der Gangzykluszeit beanspruchen. Auf diese Zeiten werden alle erhobenen Daten normiert.
Zu den Daten, die bei der instrumentellen Ganganalyse zur Dokumentation der Gang- und Bewegungsmuster eingesetzt werden können, zählen die Schrittlänge (rechts/links), Gehgeschwindigkeit und Schrittfrequenz, die Winkel der Gelenke und die auf die Gelenke einwirkenden Kräfte, die Aktivität der Muskeln und der Energieverbrauch.L. Döderlein, S. Wolf, 2004, Der Stellenwert der instrumentellen Ganganalyse bei der infantilen Zerebralparese. Der Orthopäde, Band 33, Nr. 10, S. 1103–1118, siehe S. 1106. Zitiert nach: Sangbok Moon, Untersuchung des Gleichgewichts und des Gangbildes bei Patienten mit Knie- und Hüftendoprothese, Dissertation, Universität des Saarlandes, 2014, S. 98. Im Falle der inertialsensor-basierten Methode werden hierzu verschiedene Methoden der Sensordatenfusion oder neuronale Netze verwendet.
Für unterschiedliche Gruppen von Menschen (Altersgruppen, Größe/Gewicht, Pathologien etc.) existieren Standardwerte für bestimmte Parameter, mit denen ein aktuell zu beurteilender Gang verglichen wird.
Ziele der Ganganalyse