Analysis of loads and movements in the region of the lumbar spine and the automatic distinction of upper body motions

Rückenschmerzen haben eine ausgesprochen hohe Inzidenz. Bei der Diagnose und Dokumentation kommen neben klassischen bildgebenden Verfahren auch Messtechniken zum Einsatz, welche die objektive Möglichkeit bieten, die Bewegungsumfänge und die geschwindigkeiten der Lendenwirbelsäule zu erfassen und das Verhalten im Alltag zu beurteilen. In dieser Arbeit sollen Normwerte für den Bewegungsumfang und die geschwindigkeiten in der Sagittalebene ermittelt werden, ein Algorithmus entwickelt werden, der eine automatisierte Unterscheidung zwischen Oberkörperbewegungen erlaubt, sowie die Rückenform und die simultan auf die Lendenwirbelsäule wirkenden Kräfte miteinander verglichen werden. Das portable Epionics SPINE System (Epionics Medical GmbH, Potsdam) ermöglicht die nicht-invasive Erfassung der Rückenform und deren Veränderungen auch im Alltag. Es wurde benutzt, um 429 rückengesunde Probanden sowie 4 Patienten mit einem instrumentierten Wirbel-körperimplantat zu vermessen. Der Algorithmus zur Unterscheidung der Oberkörperbewegungen wurde mittels einer Mustererkennung realisiert. Für den Bewegungsumfang der Lendenwirbelsäule in der Sagittalebene betragen die ermittelten Normwerte für die Flexion 50,8±10,9° und für die Extension 25,0±11,5°. Die entsprechenden Werte für die Geschwindigkeit betragen 102,6±33,2°/s bzw. 62,1±28,2°/s. Den Haupteinfluss auf die Parameter hat das Alter, gefolgt von dem Geschlecht. Eine Unterscheidung zwischen den Bewegungen des Oberkörpers ist für definierte Bewegungen mit einer Genauigkeit von über 96 % möglich. Der Vergleich zwischen dem Lordosewinkel und den parallel auf die Lendenwirbelsäule wirkenden Kräfte zeigt eine gute Korrelation bei der Oberkörperflexion im Stehen und im Sitzen (Korrelation ≤ -0,6). Für die anderen Übungen variieren die vorliegenden Korrelationen zwischen den Patienten stark. Mit den ermittelten Normwerten für die Bewegungsumfänge und die geschwindigkeiten der Lendenwirbelsäule in der Sagittalebene ist eine Einordnung neuer Patientendaten möglich. Die Bewegungserkennung kann dazu dienen, Aufschluss über das Verhalten von Patienten im Alltag zu erhalten, um individuelle Empfehlungen zu geben. Eine Schlussfolgerung von der Rückenform auf die wirkenden Belastungen ist nur bedingt möglich.There is a high incidence of low back pain. Besides classic imaging, novel tools are used for diagnosis and documentation which provide access to the lumbar range of motion and kinematic parameters, as well as to daily behavior. The actual work is aimed at presenting normative data for lumbar range of motion and velocities in the sagittal plane; additionally, it focuses on developing an algorithm for the automatic recognition of upper body movement and comparing spinal shape to simultaneously acting loads on the lumbar spine. The portable Epionics SPINE system (Epionics Medical GmbH, Potsdam) allows the non-invasive assessment of the spinal shape and variation, also during normal activities. The system was used to assess upper body movement in 429 healthy volunteers and in 4 patients who received an instrumented vertebral body replacement. The algorithm to identify different upper body movement was realized with pattern recognition. Normative data for the lumbar range of motion in the sagittal plane are 50.8±10.9° for flexion and 25.0±11.5° for extension, and corresponding for the range of kinematics 102.6±33.2°/s and 62.1±28.2°/s, respectively. Age primarily influences these parameters, followed by gender. A differentiation between defined upper body movements is possible with an accuracy of more than 96 %. The correlation between lordosis angle and simultaneously acting loads was high for upper body flexion while standing and sitting (correlation ≤ -0.6). Result variation between patients is high for other movement. This normative data, for lumbar range of motion and velocities in the sagittal plane, will facilitate future patient data comparison. Movement recognition can be used to provide information about the patients’ daily behavior in order to provide individual council. The possibility to deduce from the back shape to the acting loads is limited