Den menschlichen Gang aufschlüsseln

  • 06. December 2018

Neues interdisziplinäres Labor an der TU Chemnitz erforscht die menschliche Motorik.

Die Fakultät für Human- und Sozial­wissenschaften und die Fakultät für Natur­wissenschaften der Technischen Universität Chemnitz haben ein interaktives Labor zur Echt­zeit-Gang­analyse eingeworben und nun in Betrieb genommen. Das „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ (kurz: GRAIL) wird durch den Freistaat Sachsen und die Deutsche Forschungs­gemeinschaft mit etwa 650.000 Euro gefördert. „Dieses Groß­gerät ist deutsch­land­weit nahezu einzig­artig“, sagt Claudia Voelcker-Rehage, Inhaberin der Professur Sport­psychologie mit Schwer­punkt in Prävention und Rehabilitation. Lediglich an der Universität Rostock gäbe es ein vergleich­bares System.

Abb.: Das komplexe System des „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ an der TU Chemnitz besteht aus einem hydraulisch um zwei Achsen beweg­baren Lauf­band und zehn hoch­auflösenden Bewegungs­kameras. (Bild: TU Chemnitz / J. Müller)

Abb.: Das komplexe System des „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ an der TU Chemnitz besteht aus einem hydraulisch um zwei Achsen beweg­baren Lauf­band und zehn hoch­auflösenden Bewegungs­kameras. (Bild: TU Chemnitz / J. Müller)

Die Forscher an der TU Chemnitz profitieren insbesondere von der Möglich­keit, unter realitäts­nahen Gang- und Umgebungs­bedingungen mit gleich­zeitiger experimenteller Kontrolle über alle beim Gehen und Laufen relevanten Variablen aus­üben zu können – und das in Echt­zeit. Hierbei liegen die Forschungs­schwer­punkte der beteiligten Professuren in unter­schiedlichen Bereichen der Motorik, Sensorik und Kognition mit einem spezifischen Fokus auf gesundes Altern und Patienten­gruppen. Das GRAIL wird aktuell von sechs Professuren der TU Chemnitz genutzt. Neben der Professur von Voelcker-Rehage sind dies die Professuren Bewegungs­wissenschaft (Thomas Milani), Forschungs­methoden und Analyse­verfahren in der Bio­mechanik (Christian Maiwald), Angewandte Geronto­psychologie (Georg Jahn), Struktur und Funktion kognitiver Systeme (Alexandra Bendixen) sowie Physik kognitiver Prozesse (Wolfgang Einhäuser-Treyer). Neun ausgebildete und zertifizierte Operatoren haben bereits mit der ersten Test­phase des GRAIL-Systems begonnen.

GRAIL bietet eine hoch­auflösende, inter­aktive Labor­umgebung für Echtzeit-Ganz­körper-Bewegungs­analysen in verschiedenen virtuellen Realitäten (VR) und ermöglicht den Arbeits­gruppen, ihre Unter­suchungen unter realitäts­nahen und dennoch sicheren und standardisierten Bedingungen durch­zuführen und gleich­zeitig die Anzahl an Variablen sowie deren Mess­genauigkeit zu erhöhen. „So können im Labor künftig die Rolle des gesunden Alterns sowie die Effekte diverser Krankheits­bilder weitaus besser als bisher über Fächer­grenzen hinweg unter­sucht werden“, erklärt Voelcker-Rehage. Hierbei werden die Versuchs­personen auf einem hydraulisch und um zwei Achsen bewegbaren Lauf­band in virtuelle Welten versetzt, in denen sie unter­schiedliche Bewegungs­aufgaben wie Gehen und Laufen oder verschiedene Balance­aufgaben bis hin zu Mehr­fach­aufgaben mit unter­schiedlichen Schwierigkeits­graden ausführen.

Ein 3D-Bewegungsanalyse­system und unter der Lauf­fläche des Lauf­bands befindliche Kraft­sensoren ermöglichen es, alle Bewegungen der Versuchs­personen präzise und in Echt­zeit aufzuzeichnen und diese mit drei­dimensionalen bio­mechanischen Mensch-Modellen vor dem Hinter­grund aufgaben­spezifischer Veränderungen der Bewegung zu analysieren. Die VR kombiniert eine auf eine visuelle 240-Grad-Projektions­fläche projizierte VR mit einem Sound­system – und sie wird spürbar, indem das Lauf­band beispiels­weise anfängt zu schwanken, wenn die Versuchs­person über eine projizierte Hänge­brücke läuft. Und auch Hügel und Kurven eines virtuellen Wald­weges können realitäts­getreu simuliert werden. Die Laufband­geschwindigkeit passt sich an die Gang­geschwindigkeit der Versuchs­person automatisch an und alle Aufgaben können für die individuellen Fähigkeiten der Versuchs­personen justiert werden.

Wozu eignet sich das neue Ganganalyse-Labor noch? „Untersuchungen von Fehl­belastungen beim Gehen und Laufen können beispielsweise zur Verletzungs­prophylaxe bei älteren Menschen beitragen“, sagt Thomas Milani, Leiter der Professur Bewegungs­wissenschaft. So können der Gang gezielt „gestört“ oder das rechte und linke Bein jeweils unterschiedlich angesteuert werden, was insbesondere zur Gang­analyse, Gang­schulung und Sturz­prophylaxe sehr relevant sei – beispielsweise nach einer Prothesen-Versorgung oder im Rehabilitations­prozess. „Menschen, die etwa an Gleich­gewichts- und Bewegungs­störungen leiden, oder Menschen, die durch eine Bein­prothese in ihren Bewegungen eingeschränkt sind, können auch in unsere Studien einbezogen werden“, fügt Voelcker-Rehage hinzu. Damit die Probanden während der Gang­analysen nicht stürzen, werden sie mit einem Gurt gesichert.

Von großem Vorteil ist, dass das GRAIL mit externen Mess­instrumenten kombinierbar ist. „Trotz Eigen­bewegung der Probanden können psycho­physiologische Mess­methoden, wie Eye-Tracking, Nah­infra­rot­spektroskopie, Elektro­enzephalo­graphie und Elektro­myographie, eingesetzt und damit unter sehr realitäts­nahen Bedingungen Daten gewonnen werden“, fügt Wolfgang Einhäuser-Treyer, Inhaber der Professur Physik kognitiver Prozesse, hinzu. Die Messung von Bewegungen im drei­dimensionalen Raum ist für den gesamten Körper möglich, so dass auch inter­aktive Aufgaben in frei programmier­baren virtuellen Umgebungen realisiert werden können, die Arm­bewegungen wie beispiels­weise Zeige­gesten während des Gehens einschließen. Laut Georg Jahn erlaubt dies Studien zu visueller Auf­merksam­keit in bewegten Szenen und zu räumlichem Gedächtnis bei eigener Fort­bewegung durch den Raum.

TU Chemnitz / DE

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