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Erfassung und Auswertung kinematischer
Bewegungen des Schultergelenks
Bachelorarbeit
Im
Labor für Biomechanik und Experimentelle Orthopädie
Klinikum der Universität München (LMU)
Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Physikalische Medizin und Rehabilitation
Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik
Hochschule München
Studiengang Produktion und Automatisierung D/F Bachelor
Name: Antoine Bourgeois
Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Schenk
Zweitprüfer: Prof. Dr. med. Herbert Plischke
Betreuer: B. Eng. (Fh) Christoph Thorwächter
Abgabetermin: 01.02.2017
I
Zusammenfassung
In dieser Bachelorarbeit handelt es sich um die Erfassung der Schulterbewegungen in einem
Schulter-Bewegungssimulator. Hierzu werden die Kinematik und die sechs Freiheitsgrade der
Schulter berechnet. Zunächst beschreibt dieser Bericht die gesamte Anatomie der Schulter:
die verschiedenen Gelenke, die sie zusammensetzen, sowie die Knochen, Muskeln und die
Bänder. Der Schulter-Bewegungssimulator erlaubt die drei Rotationen der Schulter: die
Abduktion/Adduktion, die Flexion/Extension und die Innen-/Außenrotation. Das LabVIEW-
Programm berechnet diese drei Rotationen und auch die Translationen, die zwischen den
Oberarmknochen und dem Glenoid des Schulterblattes auftreten. Diese Ergebnisse werden
mittels Landmarkern/Pointerpunkten auf den Knochen und Marker, die zu dritt als Tripode
an den Gestellen der Knochen fixiert werden, erhalten. Das Zebris Messsystem und die
WinData Software extrahieren die Daten der Marker während der Bewegung und sie
exportieren die Daten in eine Excel-Tabelle. Das LabVIEW-Programm verarbeitet dann die
Tabellendatei und berechnet die Bewegungen (drei Rotationen und drei Translationen). Ein
System validiert das Programm und begründet die Berechnungen des Programms.
Abstract
This bachelor thesis is about the acquisition of shoulder motion in a simulator. For
this purpose, the kinematics and the six degrees of freedom of the shoulder are
calculated. This report describes the whole anatomy of the shoulder: the different
joints that compose it, bones, muscles and ligaments as well. The shoulder simulator
allows three rotations: abduction/adduction, flexion/extension and internal/external
rotation. The LabVIEW program allows calculating these three rotations and
translations of the humerus on the glenoid of the scapula. The results are known
thanks landmarkers and sensors gathered in form of a tripod. The Zebris-measuring-
system and the WinData-software extract the sensor data during movements and
export it into an Excel-table. Then the LabVIEW program works on the table-data and
calculates motion (three rotations and three translations). A system verifies the
program and justifies calculations in the program.
II
Résumé
Dans ce mémoire de « bachelor », il est question du recensement des mouvements de
l’épaule dans un simulateur del’épaule. Pour ce faire sont calculés la cinématique et les six
degrés de liberté de l’épaule. Tout d’abord, ce rapport décrit toute l’anatomie de l’épaule :
des différentes articulations qui la composent, ainsi que les os, les muscles et les ligaments la
constituant. Le simulateur de l’épaule permet de réaliser les trois rotations de l’épaule :
l’abduction/adduction, la flexion/extension et la rotation interne et externe. Le programme
sur LabVIEW permet de calculer ces trois rotations ainsi que les translations de l’humérus sur
le glenoid de l’omoplate. Ces résultats sont obtenus à l’aide de points caractéristiques sur les
os et de capteurs présents sous forme de tripode et fixés sur les bâtis des deux os. Le
système de mesure de Zebris et le logiciel WinData extraient les données des capteurs
durant le mouvement et les exportent dans un tableau Excel. Le programme LabVIEW
retravaille alors les données des tableaux et calcule les mouvements (trois rotations et trois
translations). Un système valide le programme et justifie les calculs du programme.
Inhalt
Zusammenfassung ....................................................................................................................... I
Abstract ....................................................................................................................................... I
Résumé ....................................................................................................................................... II
1. Einleitung ................................................................................................................................ 1
2. Grundlagen ............................................................................................................................. 2
2.1. Anatomische Grundlagen ................................................................................................ 2
2.1.1 Allgemeine Grundlagen ............................................................................................. 2
2.1.2. Schulterkomplex ....................................................................................................... 4
2.1.3. Glenohumeralgelenk ................................................................................................ 6
2.2. Software-Grundlagen .................................................................................................... 16
2.2.1. LabVIEW ................................................................................................................. 17
2.2.2. CATIA V5 ................................................................................................................. 18
3. Material und Methode ......................................................................................................... 19
3.1. Schulter-Bewegungssimulator ...................................................................................... 19
3.1.1. Bewegung ............................................................................................................... 19
3.1.2. Fixierung ................................................................................................................. 20
3.1.3. Kraft ........................................................................................................................ 22
3.2. Zebris-System ................................................................................................................ 23
3.2.1. Zebris-Hardware ..................................................................................................... 23
3.2.2. Zebris-Software ...................................................................................................... 26
3.3. Mathematisches Darstellungssystem ........................................................................... 28
3.3.1. Landmarker ............................................................................................................ 28
3.3.2. Koordinatensysteme .............................................................................................. 30
3.4. LabVIEW-Software ......................................................................................................... 35
3.4.1. Pointer-Programm .................................................................................................. 35
3.4.2. Bewegungsprogramm ............................................................................................ 38
3.4.3. Ergebnisse des Bewegungsprogramms .................................................................. 43
3.4.4. Problemlösung: Tripode-Programm....................................................................... 44
3.5. Validierung .................................................................................................................... 47
3.5.1. Prinzip ..................................................................................................................... 47
3.5.2. CATIA-Modellierung ............................................................................................... 47
3.5.3. Aufbau .................................................................................................................... 47
4. Ergebnisse von der Kinematik: Simulator und Programm ................................................... 50
5. Diskussion und Ausblick ....................................................................................................... 51
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 52
Erklärung zur Urheberschaft ....................................................................................................... I
Anhang........................................................................................................................................ II
1
1. Einleitung
Im Alltag wird die Schulter vom Aufwachen bis zum Schlafen benutzt. Sich kämmen oder sich
anziehen sind Bewegungen, die einfach unmöglich wären, ohne das Gelenk der Schulter und
den Schultergürtel. Zusätzlich wird der Beweglichkeitsumfang gespürt, wenn die Bewegung
durch Erkrankungen und Schmerzen beschränkt wird. Die Schulter ist das freibewegliche
Gelenk des Körpers, aber auch das luxationsanfälligste mit mehr als 50 % aller Luxationen.
(1) Dies ergibt sich aus der geringen Knochenführung und aus der relativen schwachen Band-
Struktur.
In Deutschland werden ungefähr 400 000 künstliche Gelenke jährlich implantiert. Am
meisten werden Hüftendoprothesen (210 000) und Knieendoprothesen (165 000)
implantiert im Gegensatz zu Schulterendoprothesen, wo es nur 25 000 Implantationen pro
Jahr sind. Endoprothesen bezeichnen Implantate, die ganz (Totalendoprothese) oder
teilweise (Teilendoprothese) zerstörte natürliche Gelenke durch künstliche Gelenke
ersetzen.
Für die Unterstützung der Patienten oder der Menschen mit eingeschränkter Mobilität, ist es
erforderlich, Biomechanik-Forschung und -Simulation zu absolvieren.
Meine Arbeit ist die Nachfolge einer Bachelorarbeit. Während der ersten Arbeit wurde ein
Schulter-Bewegungssimulator innerhalb des Forschungslabors in Großhadern gebaut. (2)
Mein Ziel ist die Einführung der Kinematik: alle notwendigen mathematischen Berechnung
ermöglichen die Studie der rotatorischen und translatorischen Bewegungen in Bezug auf das
Gelenk der Schulter.
Zunächst wird das allgemeine Anatomie- und Schulter-Wissen erläutert und ebenso die
verwendete Software. Danach folgen die Lösungsmöglichkeiten für den Aufbau von
Sensoren auf dem Simulator. Die Sensoren werden mit Kunststoffsteilen, die zuvor mit CATIA
gezeichnet und mit einem 3D-Drucker gefertigt werden, fixiert. Der Hauptteil dieser
Bachelorarbeit ist die Programmierung auf LabVIEW: die Sensoren-Daten werden erfasst, die
Kinematik der Schulter wird berechnet und weiter in Graphen analysiert und dargestellt.
2
2. Grundlagen
2.1. Anatomische Grundlagen
2.1.1 Allgemeine Grundlagen
Die Anatomie ist die Darstellung von der Gestalt und Struktur des gesunden menschlichen
Körpers. Für die Orientierung an der Körperoberfläche sind Körperachsen und Körperebenen
nötig. Um ein einfaches Verständnis und eine unkomplizierte Richtungs- und
Bewegungsbeschreibung des Körpers zu bekommen, werden in der Anatomie bestimmte
Termini verwendet. (1)
Abbildung 1: Die Körperachsen, Körperebenen und anatomischen Richtungsbeschreibung-Termini (28)
3
Der Körper ist in 3 Ebene geteilt und alle Körperteile sind abhängig von der Ebene in der sie
sich befinden (Abb. 1). Die Richtungsbezeichnungen beziehen sich auf die Schulter. Die drei
Hauptachsen im Raum stehen senkrecht aufeinander und bilden ein dreidimensionales
Koordinatensystem. (3)
Achsen und Ebenen haben eine große Bedeutung bei der Beschreibung der
Schulterbewegung. (1) Die drei Hauptachsen sind: die Sagittalachse; sie verläuft von vorne
nach hinten (ventral-dorsal Richtung), die Transversalachse ist in Richtung der Breite und
verbindet zum Beispiel die zwei Schultergelenke (lateral-medial Richtung) und die
Longitudinalachse läuft durch den Kopf und entspricht der Längsachse des Körpers (kranial-
kaudal Richtung). (3) In demselben Maße sind die drei Hauptkörperebenen: die
Sagittalebene, die Transversalebene und die Frontalebene.
Die drei Hauptbewegungen finden ständig in einer Ebene und um eine Achse herum statt,
die senkrecht zur Ebene ist. In der Sagittalebene bewegt der Arm sich von vorne (Flexion)
nach hinten (Extension) um die Transversalachse herum, in der Frontalebene wird der Arm
seitlich gehoben (Abduktion) oder herabgesetzt (Adduktion) um die Sagittalachse herum und
in der Transversalebene kann der Arm sich nach innen (Innenrotation) oder nach außen
(Außenrotation) drehen (Abb. 2). (3)
Das Schultergelenk ist das beweglichste Gelenk des menschlichen Körpers mit drei
Freiheitsgraden: drei Rotationen in den drei Hauptebenen um die drei Achsen herum. (4)
Die Bezugsstellung ist die sogenannte Neutral-Null-Stellung oder Neutral-0-Stellung: eines
gesunden Menschen im Stehen, mit hängenden und parallelen Armen zum Sagittalebene
und die Daumen nach vorne gehalten. In dieser Position sind die Bewegungsgelenkwinkel
per Definition 0°. (5)
Abbildung 2: Die Schulterbewegungen und die jeweiligen Achsen
4
2.1.2. Schulterkomplex
Der Körper besteht aus Kopf, Rumpf, oberen Extremitäten und unteren Extremitäten und ist
größtenteils bilateral symmetrisch aufgebaut. (1) Die obere Extremität ist über den
Schultergürtel am Rumpf befestigt. Die Bewegungen der oberen Extremitäten werden durch
fünf Gelenke definiert und sie bilden einen sogenannten Schulterkomplex. (4) Die fünf
Gelenke werden in echte und in unechte Gelenke oder Nebengelenke geteilt (Abb. 3). Als
echte Gelenke werden zwei Knochenenden mit überknorpelten Gelenkflächen, die
zusammengebunden sind (Gelenkkapsel), bezeichnet. (3) Sie bestehen meistens aus einem
Gelenkkopf und einer Gelenkpfanne. (4) Unechte Gelenke sind Artikulationen zwischen
gleitenden Weichteilstrukturen, teilweise mit einem Schleimbeutel als Verschiebeschicht. (6)
Der Schulterkomplex besteht aus zwei Teilen: dem Schultergürtel und dem Schultergelenk
(Abb. 4). Der Schultergürtel besteht aus 3 Knochen: das Schlüsselbein (Clavicula), das
Schulterblatt (Scapula) und das Brustbein (Sternum). Zwei echte Gelenke sind identifizierbar:
das Sternoklavikulargelenk (SC-Gelenk) und das Akromioklavikulargelenk (AC-Gelenk oder
Abbildung 3: Die fünf Schultergelenke auf der rechten Seite des Körpers (21)
5
Schultereckgelenk), dazu zwei Nebengelenke: das skapulothorakale Nebengelenk und das
subakromiale Nebengelenk. Das fünfte echte Gelenk ist das Schultergelenk
(Glenohumeralgelenk) als Hauptgelenk. (6)
Der Schultergürtel hat nur eine echte Verbindung mit dem Rumpf: das
Sternoklavikulargelenk (Articulatio sternoclavicularis). Die medialen Schlüsselbeine und der
superiore Teil des Brustbeins (Manubrium sterni) sind miteinander verbunden. Dieses
Gelenk hat großen Einfluss auf die Beweglichkeit der Scapula zum Rumpf und auch der
Pfanne des Schultergelenks. (1) Das Schulterblatt ist dank einer muskulären und
stabilisierenden Verbindung mit dem Brustkorb (Thorax) verbunden: das skapulothorakale
Nebengelenk oder Schulterblatt-Thorax-Gelenk. Die Verbindung zur Wirbelsäule wird durch
Muskelzüge hergestellt. (3)
Das Acromioclaviculargelenk (= ACG, Articulatio acromioclavicularis) verbindet das
Schulterblatt mit der Extremitas acromialis (lateraler Teil des Schlüsselbeins). Dieses kleine
Gelenk ermöglicht dem Schlüsselbein eine Rotation in die ventral-dorsale Richtung
durchzuführen. Es ist mit zwei verschiedenen Bändern festgehalten: das Schultereckgelenk
(Ligamentum acromioclaviculare) zwischen dem Schlüsselbein und dem Schulterknochen
(Acromion) und zwei Rückbändern (Ligamentum canococlaviculare) zwischen dem
Schlüsselbein und der Coracoid. Das subakromiale Nebengelenk ist keine Verbindung
zwischen Knochen, sondern zwischen zwei Schleimbeuteln (Bursa subacromialis und
subdeltoidea) (Abb. 5). Es sichert die Bewegung des Oberarms unter dem Schulterdach
(Acromion).
Abbildung 4: Der Schultergürtel (26)
6
Das Hauptgelenk ist das Glenohumeralgelenk (Articulatio glenohumeralis). Es verbindet den
Oberarmknochen (Humerus) und das Schulterblatt. Dieses Gelenk ist also das freibewegliche
Gelenk. Während der Bewegungen des Armes arbeiten alle Gelenke zusammen aber mit
verschiedenen Bewegungsverhältnissen. Diese Arbeit handelt von der kinematischen
Berechnung des Schultergelenks.
2.1.3. Glenohumeralgelenk
Das Glenohumeralgelenk besteht aus dem Oberarmkopf und der Gelenkpfanne des
Schulterblatts. Die Gelenkpfanne (Glenoid oder Fossa glenoidalis) ist relativ flach, nicht so
tief und wird durch die Gelenklippe (Labrum glenoidale) erweitert und vertieft. Die lange
Bizepssehne entspringt aus dem oberen Anteil der Gelenklippe und dem oberen
Pfannenrand. (6)
Die Gelenkpfannenfläche ist deutlich geringer als die Gelenkfläche des Oberarmkopfes:
durchschnittlich 6 cm² gegenüber 24 cm². (6) Dieses Flächengröße-Verhältnis von ein Drittel
bis ein Viertel beeinflusst die gesamte Gelenkstabilität. Zwischen beiden Gelenkflächen
bildet sich eine Adhäsionskraft aus, die die Stabilität des Gelenks verstärkt. (7) Am
Oberarmkopf befinden sich zwei Knochenhügel (Tuberculum majus und minus), wo die
Abbildung 5: Die Anatomie der rechten Schulter (27)
7
Rotatorenmanschette entspringt. (6) Dieser Muskel sichert die Stabilität des Gelenks (Abb.
6). Allerdings kann der Oberarm wegen der mangelnden Knochen- und geringen
Bandsicherung relativ leicht luxiert werden. (3)
Der halbkugelförmige Humeruskopf und die flache Gelenkpfanne bilden also ein typisches
Kugelgelenk mit drei Rotations-Freiheitsgrade. (1) Aufgrund dieser flachen Pfanne, die keine
klassische Knochenführung im Vergleich zum Hüftgelenk ist, wird das Schultergelenk dank
durchziehender Muskeln (Musculus) und Bandstrukturen (Ligamentum) gesichert (Abb. 7).
Damit handelt es sich um ein kraftschlüssiges Gelenk. (7)
Abbildung 6: Die Anatomie des rechten Schultergelenks (25)
1 Acromion, 2 Clavicula, 3
Proc. coracoideus, 4 Fossa
glenoidalis, 5 Labrum
glenoidale, 6 Gelenkkapsel,
7 bis 9 Lig. glenohumerale,
10 Pars anterior und 11
Pars posterior, 12 Sehen
des M. biceps brachii, 13
Abbildung 7: Die Ansicht des Glenohumeralgelenks aus Sicht des
Oberarmknochens (22)
8
2.1.3.1. Knochen
Der Humerus unterteilt sich in den Kopf (Caput humeri), den Hals (Collum humeri), den
Schaft (Corpus humeri) und den distalen Humerus medial mit der Trochlea humeri und
lateral mit der Capitulum humeri als proximalen Anteil des Ellenbogengelenks (Abb. 8). (1)
Die Gelenkfläche des Oberarmkopfes bildet ein Drittel einer fast perfekten Kugel mit einem
Radius von 2,5 bis 3 cm. Diese inexakte sphärische Struktur zeigt von oben nach unten einen
abnehmenden Krümmungsradius und veränderten Krümmungsmittelpunkt. Die Achsen des
Oberarmkopfs und des Humerusschaftes bilden einen Winkel von ca. 135° (Abb. 9). (1)
Abbildung 8: Der rechte Oberarmknochen (20)
9
Zwischen der Humeruskopf-Achse und der Frontalebene ergibt sich ein Torsionswinkel von
25° bis 40° (Abb. 9). (4) Das Caput humeri ist durch das Colllum anatomicum von der
Diaphyse getrennt, diese Trennungsebene ist um 45° gegen die Horizontalebene geneigt
(Abb. 9). (4) Diese Winkel-Angaben sind mittlere Werte von beträchtlichen Studien. (6)
Das laterale gerichtete Tuberculum majus und das ventrale gerichtete Tuberculum minus
humeris bilden Ansatzpunkte für die Muskeln der Rotatorenmanschette. (1) Zwischen diesen
zwei Knochenhöckern (Tubercula majus und minus) befindet sich der Sulcus
intertubercularis, in dem die Sehne des Caput longum des M. biceps brachii verläuft. (1)
Distaler der Tubercula wird das Collum chirurgicum als häufige Humerusfraktur-Stelle
bezeichnet. (7)
Das Schulterblatt (Scapula) ist ein platter Knochen mit drei Umrissen: drei Kanten (Margo
medialis, lateralis und superior) und die drei entsprechenden Ecken (Angulus superior,
inferior und lateralis) (Abb. 10). (3) Die Ecke Angulus lateralis trägt die Gelenkpfanne des
Schultergelenks (Cavitas glenoidalis). (1) Sie ist 4 mm tief, 1 mm im Zentrum dünn und bis zu
3 mm nach außen dick. (7) Die Pfanne ist durch das Collum scapulae mit der Scapula
verbunden und ist durch einen Knochenvorsprung (Processus coracoideus) nach vorne
überragt.
Die Rückfläche der Scapula (Facies posterior) wird durch eine Spitze (Spinae scapulae) in
zwei Felder unterteilt: eine kleinere Fossa supraspinata und eine größere Fossa infraspinata,
aus denen die gleichnamigen Muskeln entspringen. (3) Die Spina scapulae beginnt am
Trigonum spinae an der Margo medialis und führt schrägt zum Angulus lateralis, wo sie im
massiven Schulterknochen (Acromion) endet. (1) Das Acromion stellt den höchsten Punkt
Abbildung 9: Die Winkel am Oberarmkopf (4)
10
der Schulter dar. Zwischen den beiden Knochenvorsprüngen (Processus coracoideus und
Acromion) verläuft ein kräftiges Band (Ligamentum coracoacromiale), das das Schultergelenk
überdacht.
In der Transversalebene und in der Neutral-Null-Stellung spannen die Schulterblatt- und
Schlüsselbeinachse einen Winkel von 60° im Körper auf (Abb. 11). Zur Frontalebene ist das
Schulterblatt auf 30° geneigt, so dass der Schulterknochen nach vorne aufzeigt (Abb. 11). (4)
Abbildung 11: Die Winkel in der Neutral-Null-Stellung (4)
Abbildung 10: Das rechte Schulterblatt (20)
11
2.1.3.2. Kapsel-Band-Apparat
Die Gelenkkapsel der Schulter (Capsula articularis) ermöglicht die translatorischen
Bewegungsausschläge des Oberarmkopfes gegen die Schulterblattoberfläche im
Schultergelenk und gleichzeitig sichert sie die Stabilität der Schulter. (1) Sie besteht aus zwei
Schichten: Die Membrana synovialis wird mit Lymph- und Blutgefäßen durchblutet und ist
sehr dünn. Die äußere Schale ist die Membrana fibrosa und ist aus Kollagenfasern. (7)
Für die Verstärkung der Kapsel werden dünne und schwache Bänder benötigt. Im ventralen
Bereich ist sie durch die drei Bandstrukturen (Ligamentum glenohumerale superius, medium
und inferius) und im kranialen Bereich durch das Band Ligamentum coracohumerale (Dach
des Schultergelenks) verstärkt (Abb. 12). Die Sehne des Caput longum musculi bicipitis
brachii sichert kranial gegen Luxationen. (1) Bei den Armbewegungen werden
unterschiedliche Anteile der Bandstruktur gespannt (Pars inferius, Pars mediale oder Pars
superius). Die Ligg. coracohumerale und glenohumerale sowie die Muskeln der
Rotatorenmanschette ziehen mit tiefen Fasern in diese Kapselschicht. (7)
An der Scapula sind beide Schichten der Gelenkkapsel mit dem Labrum glenoidale verknüpft
und am Humerus sind sie am Collum anatomicum fixiert. Die Membrana fibrosa überbrückt
den Sulcus intertubercularis bei der langen Bizepssehne (Vagina tendinis intertubercularis).
(7)
Abbildung 12: Der rechte Kapsel-Band-Apparat; a) Ansicht der gesamten Bändern und b) Ansicht der Schultergelenk-Bändern (24)
12
In der Neutral-Null-Position stehen die kranialen Kapselanteile unter Spannung während die
kaudalen Anteile in Falten liegen. Diese Reservefalte heißt Recessus axillaris und erweitert
die Bewegungsausmaße des Kapsel-Band-Apparats. (1)
2.1.3.3. Muskeln
Für die Bewegungen und die Stabilität der Schulter sind die Knochenführung und die
Bandsicherung ungenügend, deshalb handelt es sich um ein überwiegend muskelgesichertes
Gelenk. (1) Die verschiedenen Muskeln wirken wie Bänder (Abb. 13): sie halten den
Oberarmkopf und die Gelenkpfanne zusammen in Kontakt. (4) Musculus supraspinatus 1, M.
subscapularis 2, M. infraspinatus 3, M. teres minor 4 gehören zur Rotatorenmanschette, die
bei allen Bewegungen des Schultergelenks mitmacht. Sie dient auch als muskuläre
Zentrierung des Oberarmkopfes in der Gelenkpfanne und somit drosselt somit Luxationen.
(1)
Außerdem sind auch die Pars acromialis und Pars spinalis des M. deltoideus 8 und 8‘ für die
Adduktion, die Sehne des langen Bizepskopfes 5 und das Caput breve des M. biceps 5‘ für die
Stabilisierung und die M. coracobrachialis 6, Caput longum des M. triceps 7 und Pars
clavicularis des M. pectoralis major 9 für die gesamten Bewegungen auch wichtig. (4) Die
sagittale Muskulatur reduziert eine Luxation nach unten bei Arm-Belastung. (4)
13
Abbildung 13: Die Muskeln der Schulter; a) dorsale Ansicht b), ventrale Ansicht und c) kraniale Ansicht (4)
14
Tabelle 1: Die Muskeln für die verschiedenen Schulterbewegungen (Funktion) (4)
Muskel Ursprung Ansatz Funktion
Muskeln der Rotatorenmanschette
M. teres minor [4] Scapula
(Margo lateralis)
Tuberculum majus (humeri)
Adduktion, Außenrotation
M. infraspinatus [3] Fossa
infraspinata
M. supraspinatus [1] Fossa
supraspinata Abduktion
M. subscapularis [2] Facies costalis
(scapulae) Tuberculum
minus (humeri) Innenrotation,
Adduktion
Muskeln vom Schultergürtel bzw. Rumpf zum Oberarm
M. deltoideus
Pars clavicularis
Clavicula
Tuberositas deltoidea (Corpus humeri)
Anterversion, Innenrotation,
Adduktion
Pars acromialis [8]
Acromion Abduktion
Pars spinalis [8‘]
Spina scapulae Retroversion,
Außenrotation, Adduktion
M. coracobrachialis [6] Proc.
coracoideus Corpus humeris
Adduktion, Innenrotation,
Anteversion
M. pectoralis major
Pars clavicularis [9]
Clavicula
Crista tuberculi majoris
(humeri)
Adduktion, Innenrotation,
Anteversion
Pars sternocostalis
Sternum
Pars abdominalis
Rektusscheide
M. latissimus dorsi Angulus inf.
scapuae Crista illiaca
Crista tuberculi minoris
(humeri)
Adduktion, Innenrotation, Retroversion
M. terres major Angulus inf.
scapulae
Muskeln vom Schultergürtel zum Unterarm
M. biceps brachii
Caput longum Tuberculum
supraglenoidale Tuberrositas
radii
Abduktion, Anteversion, Adduktion,
Ellenbogengelenk: Flexion
Caput breve [5‘]
Proc. coracoideus
M. triceps brachii
Caput longum [7]
Tuberculum infraglenoidale
Olecranon (Ulna)
Adduktion, Retroversion,
Ellenbogengelenk: Extension
15
2.1.3.4. Bewegungen
Die Schulter ist eine bewegliche und dynamische Verbindung zwischen Arm und Rumpf und
dient als Erweiterung des Bewegungsspielraumes der Hände. (1) Die Beweglichkeit der
oberen Extremitäten besteht aus der Bewegung des Schultergelenks und nach einem
bestimmten Winkel aus der Mitbewegung des Schulterblattes: die Flexions- und Abduktions-
Beweglichkeit werden so verdoppelt (Abb. 14).
Die Amplitude des Gelenks wird von der Neutral-Null-Stellung gerechnet. Für die
Bewegungsgradbeschreibung werden immer drei Zahlen angegeben. (5) Wenn die Null
zwischen zwei Zahlen ist, ist die Bewegung des Gelenks in zwei gegenseitigen Richtungen.
Tabelle 2: Beweglichkeit der Schulter nach Neutral-Null-Stellung (1)
Schultergelenk allein Schultergelenk und Schultergürtel
Flexion / Extension (Anteversion/Retroversion)
90/0/40 170/0/40
Adduktion / Abduktion 30/0/90 40/0/180
Innen- / Außenrotation 70/0/60 95/0/80
Die Gelenkmechanik wird durch die Gelenkfläche, die Spannung der Bänder und die Kraft der
Muskeln beeinflusst, so dass der Krümmungsmittelpunkt einer Gelenkfläche nicht mit der
Drehachse zusammenfällt. (4) Es gibt also kein starres und unbewegliches
Bewegungszentrum pro Bewegung, sondern eine Vielzahl von Momentandrehpunkten (Abb.
15) (Abb. 16).
Es gibt eine Besonderheit bei der Abduktionsbewegung: sie hat auch mehrere
Momentandrehpunkte wie bei den anderen Bewegungen (Flexion, Innen- oder
Außenrotation) aber dazu hat sie zwei getrennte Gruppen von Momentandrehpunkten. Die
Abbildung 14: Die Bewegungen und ihre Beweglichkeitsgrad (22)
16
erste Gruppe befindet sich im medial-distalen Bereich und die zweite Gruppe in der oberen
Hälfte des Kopfes. (4)
Das Schultergelenk wird bei dieser Bewegung als Doppelgelenk dargestellt. (4) Die
Abduktionsbewegung von 0° bis hin 50° liegt im ersten Kreis C1 und ab 50° bis 90° findet sie
im zweiten Kreis C2 statt. Die Spezifizität liegt bei 50°, wo ein Bewegungssprung des
Momentandrehpunktes auftritt. (4)
Abbildung 16: Die Momentdrehpunkte bei Flexion und bei Innen-/Außenrotation (4)
Abbildung 15: Die Momentandrehpunkte bei Abduktion und die Moment-Schwerpunkte im grauen Kreis (4)
17
2.2. Software-Grundlagen
2.2.1. LabVIEW
„Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench” wird in LabVIEW abgekürzt. (8) Es
wurde von Jeff Kodosky mit der „University of Texas“ entwickelt. (9)
LabVIEW ist eine Entwicklungsumgebung und eine grafische Programmiersprache
(Programmiersprache G). Die grafische Programmierung ist auf dem Datenflussprinzip
aufgebaut. (9) Die Anwendung von breiten Funktionen für Ein- und Ausgabe in der Bibliothek
und die Programmiersprache ermöglichen es LabVIEW einfacher zu sein, als die
prozeduralen, objektorientierten oder textbasierten Programmiersprachen wie zum Beispiel
C++ oder Java.
Die Programmierung ist auf zwei Fenster geteilt: das Frontpanel und das Blockdiagramm. (9)
Kommentare können in beide Fenster eingeschrieben werden: entweder für den Benutzer
oder für den Programmierer (Abb. 17).
Auf dem Frontpanel sind Bedienelemente (Eingabe des Anwenders) und Anzeigeelemente
(Ausgabe an den Anwender). Dieses Fenster ist die Benutzeroberfläche; der Benutzer kann
zum Beispiel Knöpfe und Schalter einstellen oder auch Arrays und Graphiken anschauen.
Abbildung 17: Ansicht von einem Berechnungsbeispiel: Auf dem Frontpanel sind zwei Bedienelemente (a und b) und zwei Anzeigeelemente (a+b und a-b). Auf dem Blockdiagramm
werden die Ein- und Ausgabeelemente mit Drähten miteinander verbunden, um die Berechnung zu realisieren. (29)
18
Bedienelemente übermitteln Daten an das Blockdiagramm des VIs. (10) Die Programme in
LabVIEW heißen VIs für „Virtual Instruments“ und die Unterprogramme werden also mit
SubVIs bezeichnet.
Auf dem Blockdiagramm sind die Quellcode des LabVIEW-VIs in der grafischen
Programmiersprache G geschrieben. Es ist die grafische Darstellung des Steuerprogramms.
(10) Die Daten werden mit den Verbindungslinien oder „Drähten“ zwischen Ein- und
Ausgabeelementen oder Funktionsknoten transportiert. (8)
2.2.2. CATIA V5
Für die Entwicklung von CATIA V5 hat Dassault Systèmes mit dem französischen
Flugzeughersteller Dassault Aviation kooperiert. Am Anfang wurde dieses Programmsystem
für den Flugzeugbau entwickelt und jetzt wird es in der Automobilindustrie, der Luft- und
Raumfahrindustrie, dem Schiffbau und auch in dem Maschinenbau verwendet. (11)
CATIA ist die Abkürzung für Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application
(rechnergestützte dreidimensionale interaktive Anwendung). Es ist ein integriertes
Programmsystem aus CAD- (Computer Aided Design), CAE- (Computer Aided Engineering)
und CAM- (Computer Aided Munufacturing) Anwendungen für die digitale
Produktsimulation, -erstellung, und -leitung. (12)
Mit dem CAD-System können zweidimensionale Zeichnungen in bestimmte
dreidimensionale Geometrie (Draht, Flächen oder Volumen) erzeugt werden. Diese
Geometrie wird mit unterschiedlichen Werkzeugen (Loch, Bohrung, Kante oder Symmetrie)
verarbeitet und wird in verschiedenen Umgebungen generiert: Part Design für den
parametrischen assoziativen Aufbau von Volumenkörpern und Assembly Design für die
Zusammenstellung von Einzelkörpern zu einer Baugruppe (Anhang 1: CATIA). Die CAD-Daten
können sich mit den anderen Anwendungsmodulen (CAE oder CAM) weiteranalysieren
lassen. Ein Vorteil ist die Vielfalt der Umgebung für den Benutzer wie Kinematik-Simulierung,
FEM-Berechnung und -Darstellung oder auch NC-Programmierung.
19
3. Material und Methode
3.1. Schulter-Bewegungssimulator
3.1.1. Bewegung
Der Schulter-Bewegungssimulator ermöglicht die Simulation von passiven Bewegungen von
rechten und linken humanen Schultern. Er ergibt einen physiologischen Bewegungsablauf in
den 3 Hauptebenen der Neutral-Null-Stellung:
die Abduktion/Adduktion von 90° – 0° – 0°,
die Flexion/Extension von 60° – 0° – 40° und
die Innen-/Außenrotation von 15° – 0° – 15° (2).
Die Bewegungswinkel sind direkt in den Antrieben eingegeben. Die Ansteuerung des
Simulators insbesondere der Bewegungszyklen ist mit LabVIEW erfolgt. Ein Programm
realisiert die Steuerung des Axialzylinders und die Angabe des Bewegungszyklus (2).
Die knöchernen Strukturen der Humanpräparate der Schulter bestehen aus Humerus,
Scapula und einem kleinen Teil der Clavicula, sie sind mit dem Kapsel-Band-Apparat und den
Muskeln umgegeben. In dem Simulator können Humanpräparate der Schulter oder
Komposite-Knochen eingesetzt werden. Die Komposite-Knochen sind von der Firma
Sawbones so physiologisch und authentisch wie möglich realisiert. Aufgrund der Erwärmung
der Komposite-Knochen durch die Reibung beim Langzeittest, müssen die Gelenkflächen
ersetzt werden. Die Ersatzteile kommen aus der Firma Exactech. Der Humerusschaft ist aus
einer zementierten Titanlegierung und der Humeruskopf aus einer Kobalt-Chrom-Sphäre.
Das Glenoid der Scapula besteht aus einem zementierten hohen Dichte-Polyethylen (= Ultra-
High-Molecular-Weight Polyethylene).
Der Simulator hat 6 Freiheitsgrade (Abb. 18): Drei rotatorische vorläufige Bewegungen, die nur bei der Steuerung der einzelnen
Rotationen freigegeben werden und
Drei translatorische permanente Bewegungen, die für die horizontale Zersplitterung
der Kräfte und die Aufbringung der glenohumeralen Anpresskraft notwendig sind. (2)
Die Abduktion-Bewegung ist über einen Schwenkarm realisiert und der Schwenkarm ist so
dimensioniert, um den Antrieb der Innen-/Außenbewegung auf diesen Arm zu fixieren. Für
diese zwei Bewegungen ist der Humerus der bewegliche Teil. Für die Flexion-/Extension-
Bewegung ist dieses Mal die Scapula rotationsfähig während der Humerus unbeweglich ist.
Der Antrieb ist unter die Scapula-Fixierung montiert. Daher ist die Flexion-/Extension-
Bewegung nicht die, wie die in der Neutral-Null-Stellung eines lebenden Menschen. Die
Positionierung wird von 90° um die anterior-posteriore Achse (X-Achse) gedreht. (2) Auf
20
diese Weise ist die Konstruktion des Simulators vereinfacht und Komplikationen werden
aufgrund der Schwerkraft nicht auftreten.
Die drei translatorischen Bewegungen werden mit Hilfe von Führungen realisiert: zwei
leichtläufige Linearkugellager sind jeweils für die horizontale Verschiebung (X- und Y-Achse)
und vier Gleitlagerbuchsen führen den pneumatischen Zylinder (Z-Achse), der die
Höhenanpassung des Hubtischs und den Kontakt zwischen dem Oberarmkopf und der
Gelenkpfanne realisiert. Dieser Hubtisch besteht aus der Scapula und seiner Fixierung, aus
den zwei senkrecht zueinander liegenden Linearkugellagern für die Translation in der
horizontalen Ebene des Simulators und aus den vier Gleitlagern. Während der drei
Rotationen könnten Zwangskräften entstehen. Der Zylinder und die Linearkugellager
schaffen eine Ausgleichsbewegung (2).
3.1.2. Fixierung
Die Fixierung des Humerus wird an den Antrieb der Innen-/Außenbewegung geschraubt
(Abb. 19). Der Humerus behält nur seinen proximalen Teil, der Humerusschaft wird 140 mm
Abbildung 18: Die drei Translation und die drei Rotationen
21
distal vom Rotationsmittelpunkt geschnitten. Dann wird er 50 mm tief in einen Topf
eingefügt und durch vier Schrauben blockiert. Ein Harz wird darum geschmolzen, um den
Humerus festzuhalten.
Die Fixierung der Scapula wird direkt an den Antrieb der Flexion-/Extension-Bewegung
geschraubt (Abb. 20). Drei stabile Punkte werden in die Fossa subscapularis der Scapula
gebohrt, um die Scapula mit seiner Fixierung zu halten. Die Zuhaltung wird durch die
Einspannung dank Gewindebolzen, Kautschukunterlegscheiben und sphärischen Axiallagern
ausgeführt. Die Kautschukunterlegscheiben und Axiallager gleichen die Ungleichmäßigkeiten
der Knochenstruktur der Scapula aus. Dieses Zuhaltungssystem wird auf eine Grundplatte
geschraubt. Die Grundplatte ist in einem Winkel von 30° in der X-Z-Ebene gegenüber der
Rotationsachse geneigt, um den natürlichen Zustand des Gelenks zu achten (siehe 2.1.3.1.
Knochen – Teil der Scapula). Sie ist auch für jede Scapula-Größe anwendbar: die
Langlochführungen ermöglichen die Anpassung. In Richtung des Schwenkarms ist die
Grundplatte um 20° abgeschrägt, um eventuelle Kollisionen zu vermeiden.
Abbildung 19: Der halbe Oberarmknochen in seinem Topf
22
3.1.3. Kraft
Um den Kontakt der Gelenkflächen über den gesamten Bewegungsablauf zu garantieren und
Luxationen zu vermeiden, werden Seilzüge mit hängendem Gewicht am Hubtisch
angebracht. Zwei Richtungen werden belastet: die anterior-posteriore Richtung (X-Achse des
Simulators), um die Winkelstellung der Scapula zu kompensieren und die proximal-distale
Richtung (der Y-Achse), um die Muskulatur zu simulieren. Die Schwerkraft bringt sich in die
lateral-mediale Achse (Z-Achse) ein und hilft den Kontakt der Knorpelgelenkflächen zu
bilden. Der pneumatische Axialzylinder (Z-Achse) ist ein doppelwirkender Normzylinder, der
nur einseitig über ein Proportional-Druckregelventil angesteuert wird. (2) Die Regelung des
Systems wird durch eine interne Schaltung des Ventiles kontrolliert. Der Axialzylinder ist mit
einer Versorgungsspannung von 0 bis 10 V angelegt. Mit 2,5 V ist die Positionierung der
Scapula möglich, ab 3 V sind die aktiven Bewegungen des Axialzylinder gewährleistet und
mit 10 V kann eine maximale glenohumerale Anpresskraft von etwa 750 N erreicht werden.
(2) Eine konstante Kraft wird am Gelenk durch einen internen Drucksensor im Proportional-
Druckregelventil gehalten. Die Kraft resultiert aus einer computergesteuerten Einstellung
des Drucks, die durch das Ventil ermöglicht wird. (13)
Abbildung 20: Das gesamte Montage im Simulator: Der Humerus wird am Schwenkarm fixiert und die Scapula wird am
Flexion/Extension-Antrieb fixiert
23
3.2. Zebris-System
Die „Zebris Medical GmbH“ ist ein technologisches Unternehmen, das Messsysteme im
Bereich der Biomechanik entwickelt und produziert. Drei Technologie sind anwendbar: 3D-
Ultraschallbewegungsanalyse, Kraftverteilungsmessung und Myographie. (14)
Die 3D-Ultraschallbewegungsanalyse-Technologie ermöglicht präzise Verfolgung von
Markern im Raum. (14) Sie ist also für die Schulter-Bewegungssimulatoren anwendbar und
die einfache Handhabung, das geringe Platzbedarf und die allgemeinen Kenntnisse der
Technologie sind Vorteile (Abb. 21).
3.2.1. Zebris-Hardware
3.2.1.1. Zebris Messsystem
Das Messsystem CMS20S besteht aus einem Messaufnehmer, einem Grundgerät und einer
Stütze. Der Messaufnehmer ist mit dem Laufzeitmessungsprinzip von Ultraschallimpulsen
aufgebaut. Er integriert drei Mikrofone und es können bis zu 15 Ultraschallmarker gefolgt
werden. (14) Die dreidimensionalen Messkoordinatensysteme der Marker können mit einer
Messungsrate von 160 bis 300 Hz (160-300 Messungen pro Sekunden) eingegeben werden
und erzeugen damit einen Messungsraum von 1,5 x 2 x 2 m bis 2 x 3 x 3 m. (14) Für die
Abbildung 21: Schulter-Bewegungssimulator (links) und Zebris-Messaufnehmer (rechts)
24
gesamte Schulterbewegungsanalyse ist dieser Messungsraum ausreichend. Um bestimmte
Punkte an einer Oberfläche zu markieren, steht ein Pointer oder Abtaststift zur Verfügung
(Abb. 22).
Das Grundgerät hat eine elektrische Leistung, es ist über einen USB-Anschluss mit einem
Computer verbunden und kann die Daten in Echtzeit liefern. Alle Ergänzungsmesssysteme
sind mit dem Grundgerät verknüpft: die zwei Tripode und der Abtaststift. Die stabile Stütze
und die digitalisierte Verarbeitung der empfangenen Ultraschallsignale sichern eine
Messauflösung von 1/10 bis 1/100 mm in einem Bereich von 30 cm. (14)
3.2.1.2. Tripode
Die Ultraschallmarker oder auch Ultraschallsensoren sind zu dritt zusammengesetzt,
kreuzförmig angeordnet und bilden so ein Tripod. Die Tripode erzeugen aus den eigenen drei
Sensoren Koordinatendaten, die in Echtzeit über Grundgerät- und Computer Anschlüsse bis
zu der Zebris-Software kommunizieren (Abb. 23).
Marker 1 Marker 2
Abbildung 22: Der Abtaststift mit den zwei Markern - (rechts unten) Das Messsystem CMS20S: Grundgerät und Messaufnehmer (14)
25
Für die Kinematik-Analyse müssen die Tripode mit dem beweglichen Teil der Knochen
verbunden sein (Abb. 24). Das erste Tripod ist mit einem 3D-gedruckten Kunststoff-Teil um
den Humerus-Topf fixiert und das zweite mit einem 3D-gedruckten Kunststoff-Teil unter der
Scapula-Fixierung angeschraubt (Abb. 25).
Die Kunststoff-Teile werden mit CATIA gezeichnet, danach in einem „stl“-Format
gespeichert, um später in dem 3D-Drucker Ultimaker geladen zu werden. Im Drucker können
bestimmte Eigenschaften gewählt werden, wie zum Beispiel das Kunststoff-Material, die
Geschwindigkeit aber auch die Wanddicke und die Fülldichte. Für alle ausgedruckten Teil
liegt die Wanddicke zwischen 0.5 und 1 mm, mehr Festigkeit bringen diese relativ kleinen
Teile nicht auf und so wird Zeit gespart. Die optimale Wanddicke ist 0.8 mm, weil die Düse
einen Durchmesser von 0.4 mm hat. Also fährt die Düse zweimal nebeneinander ohne
Überlappung: die Qualität des Teils ist einfach besser. Die optimale Fülldichte ist ungefähr
30%: Wenn die Teile zu dicht sind, biegen sie sich bei der Abkühlung des Teils und wenn sie
zu unausgefüllt sind, sind keine Bohrungen mit Innengewinde mehr möglich.
Grundgerät Humerus- und Scapula-
Tripode
Computer
Zebris-Software verb verb
Abbildung 23: Informationsfluss von den Tripoden bis zur Zebris-Software (die Pfeile repräsentieren Kabel-Anschlüsse)
Marker 1 Marker 2
Marker 3
Abbildung 24: Das Tripode mit den drei Marker
26
3.2.2. Zebris-Software
Das Programm WinData dient zur Datenerfassung mit den Messsystemen CMS20S. Neben
der Erfassung der kinematischen Messdaten verarbeitet das Programm bis zu acht digitale
Eingangskanäle. Hier handelt es sich nur um drei: Humerus-Tripode-, Scapula-Tripode- und
Pointer-Kanal. Das Programm beinhaltet eine Datenbank organisiert in Projekt, Patient oder
Messung. Die einzelnen Datenfiles können sich in diverse Datenformate exportieren lassen,
z.B. als ASCII-Datei, binäre Daten, usw. (15)
Vor den Messungen muss das Projekt mit dem Datenbank-Bildschirm vorbereiten werden:
Wahl des Projekts, der Patientenname, usw (Abb. 26). Wenn das Projekt detailliert ist, kann
1
2
Abbildung 25: (oben) Tripode 1 montiert herum dem Humerus-Topf - (unten) Tripode 2 fixiert neben der Scapula-Fixierung
27
die Messung konfiguriert werden. Es ist wichtig, um unsere Messaufnehmer-Eigenschaften
zu definieren:
- Wahl der Typen Analog-, Digital-, Druck- oder 3D-Messung
- Frequenz der Messaufnehmer
- Anzahl der Marker
- Neigung der Messaufnehmer
- Position im Raum.
Wenn die Voraussetzung erfüllt ist, kann die Messung starten. Das Programm wird alle
Koordinatendaten von jedem Marker in Echtzeit registrieren und die Bewegungen der
Marker können gleichzeitig in einen „Viewer“-Bildschirm visualisiert werden. Wenn die
Messung durchgeführt ist, können die Daten in einem einlesbaren
Tabellenkalkulationsprogramm-Format (ASCII-Datei) exportiert und gespeichert werden.
Abbildung 26: Übersicht von der WinData-Software
28
3.3. Mathematisches Darstellungssystem
3.3.1. Landmarker
Für die Bewegungsanalyse sind charakteristische Punkte an der Knochen-Oberfläche
notwendig, die sogenannten Landmarker. Diese Punkte oder Marker fungieren als
Fixierungspunkte für die Koordinatensysteme. In der naturwissenschaftlichen Medizin-
Literatur versuchen die Mediziner und die Forscher die Biomechanik-Analyse zu
standardisieren, um ihre Arbeit zu bündeln. Die International Shoulder Group (ISG)
unterstützt dieses Projekt von ISB (International Society of Biomechanics) und empfiehlt den
Naturwissenschaftler-Autoren mit den gleichen Landmarkern am Knochen und
Koordinatensystem zu arbeiten. (16) (17)
3.3.1.1. Scapula
In der Literatur einigen sich die Forscher auf drei bestimmte Landmarker (Abb. 27), diese
sind:
TS (= Trigonum Spinae Scapulae) Punkt in der Mitte von der dreieckigen Fläche an der
medialen Kante (Margo medialis) der Scapula und auf die Linie der Spitze (Spinae
Scapulae) (16) (18) (17)
AI (= Angulus Inferior) kaudaler Punkt an der Scapula, Ecke zwischen die medialer und
lateraler Kante (16) (18) (17)
AA (= Angulus Acromialis) lateraler und dorsaler Punkt an der Scapula, Ecke an der
Acromion (16) (18) (17)
In der Simulator-Gestaltung sind diese Punkte sichtbar und abtastbar mit dem Pointer.
Abbildung 27: Die Schulterblatt 3D-Modellierung und die drei Landmarker (30)
29
3.3.1.2. Humerus
Gleiches gilt für den Oberarmknochen (Abb. 28), die drei berücksichtigten Punkte sind:
- GH (= Glenohumeraler Drehpunkt) er wird durch kreuzförmige Interpolation
bestimmt (16) (18) (17)
- EL (= Epicondylus lateralis) kaudaler Punkt am lateralen Gelenkknorre (16) (18) (17)
- EM (= Epicondylus medialis) kaudaler Punkt am medialen Gelenkknorre (16) (18) (17)
Die zwei kaudalen Punkte sind mit dem Simulator überhaupt nicht abtastbar: Der
Humerusschaft wird beschnitten und in einem Topf eingebettet, es gibt kein distales Teil
mehr. Außerdem kann der glenohumerale Drehpunkt nicht markiert werden, weil der
Oberarmkopf wegen des Kapsel-Band-Apparates nicht sichtlich für die Interpolation ist. In
der Literatur haben die Forscher dieses Problem nicht, weil sie entweder mit ganzen
Oberarmknochen, ohne Kapsel-Band-Apparat oder in vivo mit Sensoren arbeiten.
Die Lösung ist einfach: An vier spezifischen Punkten des Humerus werden Daten genommen,
die die Abtastung und die Fixierung eines Koordinatensystems ermöglichen. Diese sind:
HA (= Humerus Anterior) Spitzpunkt am Tuberculum minus
HP (= Humerus Posterior) Mittelpunkt in der Aushöhlung zwischen Collum
anatomicum, chirurgicum und Tuberculum majus, gegenseitiger Punkt von HA
SA (= Schraube Anterior) anteriorer Punkt im Schraubenkopf aufgrund von dem
Humerus-Topf
SP (= Schraube Posterior) lateraler Punkt im Schraubenkopf aufgrund von dem
Humerus-Topf
Zwei weitere Punkte werden im Programm berechnet:
SC (= Schrauben Center) Mittelpunkt zwischen SA und SP
𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐶 = (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐴 + 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐶)/2
HC (= Humerus Center) Mittelpunkt zwischen HA und HP
𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐶 = (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐴 + 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐶)/2
30
3.3.2. Koordinatensysteme
Für die Kinematik-Berechnung sind Koordinatensysteme (KB) in unserem Simulator
notwendig. Es gibt insgesamt sechs Koordinatensysteme, die mehr oder weniger
miteinander verbunden sind.
Das erste ist das „Simulator-Koordinatensystem“ (Abb. 29). Es dient der Darstellung und dem
Verständnis der Konstruktion des Simulators und ist so aufgebaut: X-Achse und Y-Achse sind
parallel zu den zwei Linearkugellager und Z-Achse ist für die Hubzylinder-Achse.
Abbildung 28: Der künstliche Humerus und die vier Landmarker
31
Das „Global-Koordinatensystem“ ist das wichtigste (Abb. 31). Es findet am Messaufnehmer
statt und von hier laufen Vektoren mit bestimmten Längen und Winkeln bis zu den Markern
der Tripode (Abb. 30).
Z-Achse
Y-Achse
X-Achse
Abbildung 29: Das „Simulator-Koordinatensystem“
Abbildung 30: Das Prinzip vom XYZ-„Global-Koordinatensystem“ mit den zwei Vektoren (H und S) (23)
32
Danach gibt es ein Koordinatensystem pro Tripode (Abb. 32), also zwei: eins für den
Humerus und eins für die Scapula. Die Koordinaten des Markers helfen, um das
Koordinatensystem aufzubauen. Von diesem System laufen Vektoren bis zu den „Knochen-
Koordinatensystemen“.
Tabelle 3: Die Achsen-Berechnungen für das „Tripode-Koordinatensystem“
Achsen Berechnungen
X-Achse Rechte Schulter: Y_Achse × (𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟3 − 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟1) Linke Schulter: (𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟3 − 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟1) × Y_Achse
Y-Achse 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟2 − 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟1
Z-Achse Rechte Schulter: 𝑋_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑌_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 Linke Schulter: 𝑌_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑋_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
Abbildung 31: Das „Global-Koordinatensystem“ (15)
33
Das „Scapula-Koordinatensystem“ bildet sich mit seinen drei Landmarker-Koordinaten aus.
Tabelle 4: Die Achsen-Berechnungen für das „Scapula-Koordinatensystem“
Achsen Berechnungen
Xs-Achse Rechte Schulter: Zs_Achse × (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐼 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑇𝑆) Linke Schulter: (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐼 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑇𝑆) × Zs_Achse
Ys-Achse Rechte Schulter: 𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 Linke Schulter: 𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
Zs-Achse 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑇𝑆
Mit demselben Prinzip bildet sich das „Humerus-Koordinatensystem“ aber dieses Mal mit
seinen vier Landmarker-Koordinaten.
Tableau 5: Die Achsen-Berechnungen für das „Humerus-Koordinatensystem“
Achsen Berechnungen
Xh-Achse Rechte Schulter: 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 Linke Schulter: 𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 × 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
Yh-Achse 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐶 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐶
Zh-Achse Rechte Schulter: (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝑃) × Yh_Achse Linke Schulter: (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝑃 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑆𝐴) × Yh_Achse
Z-Achse
X-Achse
Y-Achse
Marker 1 Marker 2
Marker 3
Abbildung 32: Das „Tripode-Koordinatensystem“
34
Anmerkung (Abb. 33): Die X-Achsen sind so gestaltet, weil es eine linke Schulter ist. Bei
rechten Schulter sind die X-Achsen umgekehrt und bilden jede ein direktes
Koordinatensystem.
Die Kinematik der Knochen kann nicht sofort berechnet werden (Abb. 34). Zuerst muss der
Messaufnehmer die Tripode im Raum finden und zu den Tripode-Markern Vektoren bilden.
Wenn die Schulter sich bewegt, bewegt sich also auch die Tripode und die Vektoren ändern
sich auch. So wird die Kinematik berechnet. Die Landmarker am Knochen bewegen sich nicht
in Bezug auf den Tripode: Die Vektoren von den Tripoden zu den Knochen sind fix, weil die
Tripode werden an der Bases der Knochen-Befestigungen fixiert werden.
Tripode 1
„Tripode-KB“ Messaufnehmer
„Global-KS“
Humerus
„Humerus-KB“ verb
verb
Tripode 2
„Tripode-KB“
Scapula
„Scapula-KB“
verbverb
Abbildung 34: Die Berechnung von dem Messaufnehmer bis zu den „Knochen-Koordinatensystemen“ (die Pfeile repräsentieren Vektoren)
Abbildung 33: Das „Scapula-Koordinatensystem“ mit den Xs-Ys-Zs-Achsen und das „Humerus-Koordinatensystem“ mit den Xh-Yh-Zh-Achsen
35
3.4. LabVIEW-Software
3.4.1. Pointer-Programm
Mit Hilfe dieses LabVIEW-Programms werden die Daten der WinData-Pointer-Tabelle
exportiert, verarbeitet und organisiert (Anhang 2: WinData Pointer-Programm).
Zuerst muss der Benutzer die Rahmenbedingungen im Frontpanel eingeben: der Pfad bis zur
WinData-Pointer-Tabelle, die Länge von Marker 1 bis zur Spitze des Pointers und die Anzahl
der Wiederholungen des Abtastens der Landmarker. Wenn sie alle korrekt eingegeben
werden, kann der Benutzer auf „Weiter" klicken und dann fangen die Berechnungen im
Hintergrund also im Blockdiagramm an (Abb. 35).
Die Daten der WinData-Pointer-Tabelle werden eingelesen und in einem Ausgang-Cluster
organisiert (Abb. 36). In diesem Cluster befinden sich zuerst die Zeit-Matrix (rot), dann die
Humerus-Matrix (grün), die Scapula-Matrix (blau) und schließlich die Pointer-Matrix (gelb).
Schwarz: Der Pfad bis zur WinData-
Pointer-Tabelle
Blau: Zwei Schalter, um die Knochen zu
wählen
Grün: Der „Weiter“-Knopf endet die
While Schleife und ermöglicht die
Freigabe
Rot: Der Abstand zwischen der Spitze
und des Markers 1 des Pointers
Gelb: Anzahl der Durchgänge (Wie
viele Male werden die Landmarker in
der Reihenfolge abgetastet?)
Abbildung 35: Die Eingabe des Benutzers am Anfang des Programms – (oben) Das Frontpanel und ( links ) die Quellecode im Blockdiagramm
36
Mit der Pointer-Matrix werden die Koordinaten der Pointerspitze für jeden abgetasteten
Punkt errechnet (Abb. 37).
Abbildung 36 : Das Einlesen der Daten im Blockdiagramm
Abbildung 37 : Die Vorbereitung der Pointerspitze-Matrix
37
Die Matrix des Pointers ist zwei Spalten geteilt, die erste für die Koordinaten des Markers 1 und die zweite für die Koordinaten des Markers 2 am Pointer:
𝑀𝑃 = (
𝑥1 𝑥2
𝑦1 𝑦2
𝑧1 𝑧2
)
Die Vektoren bis zum Pointer-Marker stehen so:
𝑚𝑝𝑖⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑ = (
𝑥𝑖
𝑦𝑖
𝑧𝑖
)
Die Koordinaten der Pointerspitze werden so errechnet:
𝜆 =225
|𝑚𝑝1⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ − 𝑚𝑝2⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ |
mit 225 mm der Abstand von Marker 1 bis zur Pointerspitze.
Die Koordinaten der Pointerspitze für jeden abgetasteten Punkt schrieben sich also:
𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝑖 = 𝑚𝑝1⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ + 𝜆 ∗ (𝑚𝑝1⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ − 𝑚𝑝2⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ ⃑⃑ )
und im Blockdiagramm so programmiert (Abb. 38):
Mit dieser Pointerspitze-Matrix werden die Koordinaten der sieben Landmarker bestimmt.
Alle Informationen werden zum Schluss in eine Ausgang-Excel-Tabelle geschrieben (Abb. 39):
Die Mittelwerte (MW) der drei Koordinaten der Humerus-Tripode-Marker, der drei
Koordinaten der Scapula-Tripode-Marker, der vier Koordinaten der Humerus-Landmarker,
der drei Koordinaten der Scapula-Landmarker und die Standartabweichung (Stabw), um die
Werte zu überprüfen.
Abbildung 38 : Die Pointerspitze- Berechnung
38
3.4.2. Bewegungsprogramm
Dieses Programm berechnet die Kinematik der Schulter also die Bewegungen. Im Raum gibt
es sechs Freiheitsgrade: drei Translationen und drei Rotationen. Das Bewegungsprogramm
benötigt die Ausgangstabelle des Pointer-Programms und auch die Tabelle des WinData
Bewegungsprogramms (Anhang 3: WinData Bewegungsprogramm).
Abbildung 39 : Die neue bearbeitete Excel-Tabelle und die Ausgangsdaten
Links im Frontpanel
werden nur drei
Spalten eingefügt, weil
es nur drei
Durchgänge gibt.
Abbildung 40: Die Eingabe im Frontpanel – (von oben nach unten und von rechts nach links) Die Pfade für die zwei Tabelle, der „Weiter“-Knopf, der Schalter zwischen rechte und linke Schulter, die Dämpfung-Regler und
das Freilassen des Eingabe-Abkürzung
39
Wie im ersten Programm werden zuerst die Eingangsbedingungen erfasst und dann mit dem
„Weiter“-Knopf aus der While-Schleife freigelassen. Die Schleife dient als
Überwachungssystem der Eingangswerte (Abb. 40).
Am Anfang werden die Daten der Tabellen eingelesen und in einem Cluster organisiert, um
damit die Berechnungen erfolgreich zu absolvieren (Abb. 41). In der Pointer-Tabelle werden
die Matrix der drei Koordinaten der Humerus-Tripode-Marker, der drei Koordinaten der
Scapula-Tripode-Marker, der vier Koordinaten der Humerus-Landmarker und der drei
Koordinaten der Scapula-Landmarker extrahiert. Die Matrix der Standartabweichung wird
nicht berücksichtigt.
Die Matrix einer Tripode Scapula/Humerus wird so geschrieben:
𝑇 = (
𝑥𝑀1 𝑥𝑀2 𝑥𝑀3
𝑦𝑀1 𝑦𝑀2 𝑦𝑀3
𝑧𝑀1 𝑧𝑀2 𝑧𝑀3
)
Abbildung 41: Das Einlesen der Pointer-Tabelle
Rot: Matrix der Humerus-
Tripode-Marker
Blau: Matrix der Scapula-
Tripode-Marker
Grün: Matrix der Humerus-
Landmarker
Gelb: Anfang der Matrix
der Scapula-Landmarker
40
mit M1 für den Marker 1, M2 für den Marker 2 und M3 für den Marker 3 am Tripode; die Matrix der Pointerpunkte oder Landmarker Humerus :
𝑃 = (
𝑥𝑃1 𝑥𝑃2
𝑦𝑃1 𝑦𝑃2
𝑧𝑃1 𝑧𝑃2
𝑥𝑃3 𝑥𝑃4
𝑦𝑃3 𝑦𝑃4
𝑧𝑃3 𝑧𝑃4
)
mit P1 für den Punkt HA, P2 für den Punkt HP, P3 für den Punkt SA und P4 dem Punkt SP am Humerus; die Matrix Pointerpunkte Scapula :
𝑃 = (
𝑥𝑃1 𝑥𝑃2
𝑦𝑃1 𝑦𝑃2
𝑧𝑃1 𝑧𝑃2
𝑥𝑃3
𝑦𝑃3
𝑧𝑃3
)
mit P1 für den Punkt AA, P2 für den Punkt TS für den P3 dem Punkt AI.
In der Bewegungstabelle werden die Matrix der Zeit, der Humerus-Tripode und der Scapula-
Tripode extrahiert. Dafür müssen zuerst die Roh-Daten mit einer PT1-Strecke erarbeitet
werden und danach werden sie in den drei Matrix zusammengefasst (Abb. 42).
Mit der Matrix der Humerus-Tripode-Marker und der Scapula-Tripode-Marker werden die
Koordinatensysteme in der Tripode (siehe Kapitel 3.3.2. Koordinatensysteme) mittels
Kreuzprodukt und Einheitsvektoren aufgestellt (Abb. 43). Die Einheitsvektoren werden
danach in einer Matrix zusammengefasst. Die Einheitsvektoren-Matrix wird mit dem Vektor
zwischen Marker 1 am Tripode und die verschiedenen Pointerpunkte multiplizieren, um den
Koordinaten der Pointerpunkte in Bezug auf das Tripode-Koordinatensystem zu erhalten.
Abbildung 42: Das Einlesen der Bewegungstabelle – (rot) Die Matrix der Zeit, (blau) der Humerus-Tripode-Marker und (grün) der Scapula-Tripode-Marker
41
Dann werden die Koordinaten der Pointerpunkte in Bezug auf das Tripode-
Koordinatensystem mit der Matrix der Tripode multipliziert und zu dem Marker 1 der
Tripode addiert, um die Pointer-Koordinatensysteme, über die Zeit, auf das Global-
Koordinatensystem bezogen zu erhalten (Abb. 43).
Mit den Landmarkern oder Pointerpunkten werden die Knochen-Koordinatensysteme
aufgestellt (siehe Kapitel 3.3.2. Koordinatensysteme) und mit diesen werden die Kinematik
also die Translationen und die Rotationen berechnet.
Für die Berechnung der Rotationen wird die Skalarprodukt-Formel (19) benötigt:
𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ∙ 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵 = |𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴| ∗ |𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵| ∗ cos(𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ; 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵)̂
und um die relativen Bewegungen zwischen Humerus und Scapula zu bekommen, wird der Winkel zwischen den beiden Knochen berücksichtigt:
cos(𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ; 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵)̂ =𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ∙ 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵
|𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴| ∗ |𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵|
(𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ; 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵)̂ = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ∙ 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵
|𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴| ∗ |𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵|)
Die drei Rotationen sind also:
Abduktion / Adduktion (Rotation um Xh-Achse) (Abb. 44)
Abbildung 43: Die Berechnung der Koordinatensysteme im Blockdiagramm – (rot) Die Koordinaten der Pointerpunkte auf dem Tripode-Koordinatensystem und (grün) auf dem Global-Koordinatensystem
42
𝐴𝑏𝑑/𝐴𝑑𝑑 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
|𝑍ℎ − 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒| ∗ |𝑍𝑠 − 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒|)
Innen- / Außen-Rotation (Rotation um Yh-Achse)
𝐼𝑛𝑡/𝐸𝑥𝑡 = arccos (𝑋ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
|𝑋ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒| ∗ |𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒|)
Flexion / Extension (Rotation um Zs-Achse)
𝐹𝑙𝑒𝑥/𝐸𝑥𝑡 = arccos (Yh_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ Ys_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒
|Yh_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒| ∗ |Ys_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒|)
Für die Berechnung der Translationen wird die Formel des Abstands eines Punktes von einer
Ebene (19) benutzt:
𝐷 =|𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒 ∗ (𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡 𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡 𝐵)|
‖𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑤𝑒𝑟𝑡‖
mit der Normale einer Ebene, wo Punkt A zu der Ebene gehört und D, der die Distanz von
Punkt B und zur Geraden senkrecht zur Ebene ist.
Die drei Translationen sind also:
Translation auf der X-Achse
𝑇𝑋 =|(𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒)(𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐴)|
‖𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒‖
Translation auf der Y-Achse
Abbildung 44: Die Berechnung der Rotationen im Blockdiagramm – „Array“ ist für den Humerus-Achsen und „Array 2“ für den Scapula-Achsen
43
𝑇𝑌 =|(𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒)(𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐴)|
‖𝑋𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒‖
Translation auf der Z-Achse (Abb. 45)
𝑇𝑍 =|(𝑌𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑋ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒)(𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐻𝐴 − 𝑃𝑢𝑛𝑘𝑡𝐴𝐴)|
‖𝑌𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑍ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒‖
3.4.3. Ergebnisse des Bewegungsprogramms
Am Ende des Programms im Blockdiagramm werden die Ergebnisse der Berechnungen in
Graphen zusammengefasst und die Graphen werden im Frontpanel für den Benutzer als
Anzeigeelemente angezeigt.
Das Validierungssystem und die WinData-Software ermöglichen die Prüfung der Ergebnisse.
Die Landmarker oder Pointerpunkte werden an den Tripode-Stützen abgetastet und so wird
die Pointer-Tabelle erzeugt. Die Bewegungstabelle wird generiert, wenn die Tripode auf dem
Validierungstisch versetzt oder gedreht werden. Mit diesen beiden Tabellen kann das
Bewegungsprogramm laufen und es wird also die kinematischen Berechnungen je nach
Bewegungen berechnen.
Das Problem ist, dass es einen Unterschied zwischen den realen Bewegungen am
Validierungstisch und den resultierenden Bewegungen an den Graphen des Programms gibt.
Die Bewegungen im Programm können sich nicht identifizieren lassen: zum Beispiel 10 mm
Translation auf dem Tisch entspricht nicht 10 mm im Graph.
Abbildung 45: Die Berechnung der Translation auf der Z-Achse im Blockdiagramm
44
Zur Bestätigung der Berechnungen ist die Lösung, das Bewegungsprogramm zu
vereinfachen: die Kinematik wird von den Tripode-Koordinatensystemen berechnet anstatt
von dem Humerus und der Scapula.
3.4.4. Problemlösung: Tripode-Programm
Die Lösung ist die Programmierung eines neuen Programms (genannt Tripode-Programm),
das die Bewegungen nicht mit dem Humerus- oder Scapula-Koordinatensystem, sondern mit
dem Tripode-Koordinatensystem berechnet (Abb. 46).
Die Grundstruktur bleibt gleich. Zuerst muss der Benutzer den Pfad der Bewegungstabelle
eintragen und das Programm startet nur, wenn es freigeschaltet wird.
Danach werden die Daten gelesen. Das Programm braucht dieses Mal nur die Daten der
Humerus-Tripode-Marker und der Scapula-Tripode-Marker, die in der Tabelle des
Bewegungsprogramms sind. Damit werden die zwei Knochen-Koordinatensysteme
berechnet (siehe Kapitel 3.3.2. Koordinatensysteme). Mittels dieser Koordinatensysteme
werden die drei Rotationen- und die drei Translationen-Berechnungen erfüllt (Abb. 47).
Abbildung 46: Die Eingabe der Benutzer (oben), die Überwachung der eingetragenen Daten vom Benutzer (blau) und das Einlesen der Bewegungstabelle im Blockdiagramm (grün)
45
Die Berechnungen sind ähnlich: Die Rotationen werden immer so berechnet:
(𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ; 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵)̂ = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴 ∙ 𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵
|𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐴| ∗ |𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 𝐵|)
und die Translationen werden mit den Tripode-Markern anstatt den Pointerpunkte
berechnet:
Abbildung 48: Die Translationsberechnung auf der X-Achse
Abbildung 47: Das Hauptteil des Tripode-Programms – (rot) Die zwei Koordinatensysteme-, (gelb) die drei Rotationen- und (grün) die drei Translationen-Berechnungen
46
Zum Beispiel die Translation auf der X-Achse (Abb. 48):
𝑇𝑋 =|(𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒)(𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟 1 𝐻𝑢𝑚 − 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑒𝑟 1 𝑆𝑐𝑎)|
‖𝑍𝑠_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒 ∙ 𝑌ℎ_𝐴𝑐ℎ𝑠𝑒‖
Die Daten werden in einzelnen Graphen im Frontpanel angezeigt; Graphen pro Rotationen
(gelb) und pro Translationen (grün). Ein gesamtes Bild pro Bewegungsarten wird auch
erzeugt (blau für die drei Rotationen und schwarz für die drei Translationen). Schließlich wird
die Kinematik in einer Ausgangstabelle gespeichert (rot) (Abb. 49).
Abbildung 49: Der Ausgang des Programms im Blockdiagramm
47
3.5. Validierung
3.5.1. Prinzip
Die Validierung ist dazu da, die verschieden Kinematik-Berechnungen, die im Programm
programmiert werden, zu bestätigen. Zum Beispiel: die Berechnung einer Translation von 10
mm in der X-Achse soll für diese bestimmte Bewegung ein Ergebnis von 10 mm im
Programm ausgeben. Die Validierung wird auf dem „Legostein-Noppe-Prinzip“ absolviert.
Die Tripode werden auf Stützen montiert und dann vereinbarungsgemäß versetzt wie
Legosteine: Die Zylinderstifte der Stütze werden in die entsprechenden Löcher eingefügt.
3.5.2. CATIA-Modellierung
Für die Erstellung der Validierungsteile werden zuerst der Tisch und die zwei Stütze auf
CATIA gezeichnet (Abb. 50). Sie werden danach in „stl“-Format gespeichert, um im 3D-
Drucker gedruckt zu werden.
3.5.3. Aufbau
Abbildung 50: Ansicht der Teile auf CATIA: das Scapula-Tripode- Stütze (1), das Humerus-Tripode- Stütze (2) und der Tisch wo die Stützen eingefügt werden – (rechts) Assembly Design-Umgebung mit Beanspruchungen
und (links) Assembly Design-Umgebung ohne Beanspruchung
1 1
2 2
48
Das Validierungssystem ist in drei Teile geteilt. Auf dem Tisch werden die zwei Stütze in die
Löcher eingefügt (Abb. 51). Er wird so gedruckt, um sich an der rechten Seite des
Schwenkarm-Antriebs einzuklemmen (Abb. 52). Das Humerus-Stütze fügt sich in der rechten
Seite des Tisches und hat drei Stellungen: Neutral, eine Translation auf der X-Achse von 10
mm und eine Translation auf der Y-Achse von ebenfalls 10 mm. Der Scapula-Stütze steht also
auf der linken Seite des Tisches und hat zwei direkte Stellungen und hat zwei indirekte. Die
Stütze kann in einer Neutral-Position sein oder gedreht von 20° um der Z-Achse: dies sind die
direkten Lagen der Scapula-Stütze. Zwei 3D-gedruckten Zusatz-Teile werden in den
zusätzlichen Löchern eingefügt und bilden die zwei indirekten Stellungen. Ein
rechteckförmiger Teil erhöht die Scapula- Stütze von 20 mm auf der Z-Achse. Ein geneigter
Teil kippt die Stütze von 20° Rotation um der X-Achse.
Der Tisch ist in zwei Teile
getrennt: rechts sind die
Löcher für die Versetzung der
Humerus-Stütze in X- und Y-
Richtung; links sind Löcher für
die Drehung in Z-Richtung und
für zwei Zusatzteile.
Abbildung 51 : Der Tisch (oben) und die verschiedenen Stellungsmöglichkeiten der Stützen (unten)
49
Für die Verschiebung und die Rotation der Stütze werden Zylinderstifte benutzt. Die Löcher
werden mit Spielraum in den Tisch gebohrt, um das Einführen und das Herausziehen zu
vereinfachen. Die Löcher unten den Stützen werden ohne Spielraum gebohrt und klemmen
die Stifte. Der Zylinderstift hat eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm.
Alle Löcher sind also 10 mm tief, die Löcher der Stütze haben einen Durchmesser von 4,9
mm und die des Tisches einen Durchmesser von 5,2 mm. Die Maße werden mit einer
Bemaßung von 0,1 bis 0,2 mm in den 3D-Drucker-Parameter reduziert, um während der
Fertigung die Fehler zu kompensieren. Die Löcher werden mit Bohrern angepasst sobald sie
gedruckt sind.
Abbildung 52: Das Validierungssystem rechts am Schwenkarm-Antrieb fixiert
50
4. Ergebnisse von der Kinematik: Simulator und Programm
Die Ergebnisse werden mit dem Validierungssystem hergestellt. Die Humerus-Stütze
verschiebt sich in der X- und Y-Richtung und die Scapula-Stütze verschiebt sich in der Z-
Richtung mittels einem Zusatz-Teil und dreht sich um die X- und Z-Achsen (siehe Anhang 4:
Ergebnisse der Translationen TX, TY und TZ und Anhang 5: Ergebnisse der Rotationen RX und
RZ).
Jede Bewegung wird unabhängig von den anderen getestet. Eine Tabelle wird pro Bewegung
mit der WinData-Software erzeugt.
Für alle Bewegungen werden die gewünschten Werte angegeben:
10 mm für die Translation auf X
10 mm für die Translation auf Y
20 mm für die Translation auf Z
20° für die Rotation um X
20° für die Rotation um Z.
Zurzeit ermöglicht kein Teil die Rotation um die Y-Richtung.
Die Abweichungswerte kommen von der Konstruktion des Teils selbst, vom Spielraum im
Aufbau des Validierungssystems und von zusätzlichen Bewegungen, die auftreten und die
abhängig von der Konstruktion sind.
51
5. Diskussion und Ausblick
Das Ziel dieser Arbeit ist erfolgreich erreicht: Die Kinematik des Schulter-
Bewegungssimulators wird berechnet und die Berechnungen werden mittels des
Validierungssystems bestätigt. Die Berechnungen stimmen und um ein 100%ig validiertes
System zu erlangen, sollte ein Kunststoff-Teil für die Rotation um die Y-Achse gedruckt
werden.
Das erste Bewegungsprogramm funktioniert zurzeit nicht bezüglich der Knochen-
Koordinatensysteme. Die Berechnungen ergeben Ergebnisse, die nicht verwertbar sind: die
Bewegungen werden nicht erkannt. In der Zukunft sollten die relativen Bewegungen
zwischen Humerus und Scapula in Hinblick auf den Humerus- und Scapula-
Koordinatensystemen sein.
Eine Doktor-Arbeit fängt an, Kraftmessungen am Gelenk im Schulter-Bewegungssimulator zu
erarbeiten und versucht, die Kraftstreuung und die Kinematik zu verknüpfen.
Das Steuerprogramm des Bewegungssimulators könnte als Erweiterung, und unter
Berücksichtigung einer Real-Time-Verfolgung, Schulterbewegungen aufwerten, und die
Regelung des Hubzylinders könnte mit einem LabVIEW-Programm geregelt und gesteuert
werden, um eine bessere Anpassung und Regelung die Anpresskraft am Glenoid zu
bekommen.
52
Literaturverzeichnis 1. Ausmüller, Aust, Engele, Kirsch, Maio. Duale Reihe Anatomie. Stuttgart : Georg Thieme
Verlag, 2014.
2. Thorwächter. Bachelorarbeit: Entwicklung eines Schultergelenk-Bewegungssimulators.
2015.
3. Appell, Stang-Voss. Funktionelle Anatomie: Grundlagen sportlicher Leistung und
Bewegung. Heidelberg : Springer Medizin Verlag, 2008.
4. Kapandji. Funktionelle Anatomie der Gelenke. Stuttgart : Georg Thieme Verlag, 2009.
5. Thomann, Schröter, Grosser. Orthopädisch-unfallchirurgische Begutachtung: Praxis der
klinischen Begutachtung. München : Elsevier, Urban & Fischer-Verlag, 2013.
6. Echtermeyer, Bartsch. Praxisbuch Schulter: Verletzungen und Erkrankungen systematisch
diagnostizieren, therapieren, begutachten. Stuttgart : Georg Thieme Verlag, 2005.
7. Hochschild. Strukturen und Funktionen begreifen, Funktionelle Anatomie: Grundlagen zur
Wirbelsäule, HWS und Schädel, BWS und Brustkorb, Obere Extremität. Stuttgart : Georg
Thieme Verlag, 2015.
8. Mütterlein. Handbuch für die Programmierung mit LabVIEW: mit Studentenversion
LabVIEW 2009. Heidelberg : Spektrum Akademischer Verlag, 2009.
9. Georgi, Hohl. Einführung in LabVIEW. München : Carl Hanser Verlag, 2015.
10. Jamal, Hagestedt. LabVIEW - das Grundlagenbuch. München : Addison-Wesley, 2004.
11. Wünsch, Wiesner. CATIA V5 – kurz und bündig: Grundlagen für Einsteiger. Wiesbaden :
Springer Vieweg, 2016.
12. List. CATIA V5 - Grundkurs für Maschinenbauer: Bauteil- und Baugruppenkonstruktion,
Zeichnungsableitung. Wiesbaden : Springer Vieweg, 2015.
13. Festo AG & Co KG. Bedienungsanleitung VPPM-... (LED). Esslingen : Festo AG & Co. KG.
14. Zebris Medical. Messsystem CMS20S. Isny im Allgäu : Zebris Medical GmbH, 2011.
15. Zebris Medical GmbH. WinData 2.22.x für Windows - Programm zur Messdatenerfassung
- Bedienungsanleitung. Isny im Allgäu : s.n., 2006.
16. Ge Wu, van der Helm, Veeger, Makhsous, Van Roy. ISB recommandation on definitions
of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion - Part II:
shoulder, elbow, wrist und hand. Journal of Biomechanics. Elsevier, 2004.
17. Van der Helm. A standardized protocol for the description of shoulder motions.
Proceedings of the First Conference of the ISG. 1997.
53
18. Fayad, Hoffmann, Hanneton, Yazbeck, Lefevre-colau. 3-D scapular kinematics during
arm elevation: Effect of motion velocity. Clinical Biomechanics. Elsevier, 2005.
19. Lothar. Mathematische Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler.
Wiesbaden : Springer Vieweg, 2014.
20. Tillmann. Atlas der Anatomie des Menschen. Heidelberg : Springer-Verlag, 2005.
21. Südkamp, Jaeger. Orthopädie und Traumatologie, Schulter und Schultergürtel -
Luxationen. Freiburg : Universitätsklinikum Freiburg, 2006.
22. Zilles, Tillmann. Anatomie. Heidelberg : Springer-Verlag, 2010.
23. Massimini, Warner, Li. Non-invasive determination of coupled motion of the scapula and
humerus. Journal of Biomechanics. 2011.
24. Schünke, Schulte, Schumacher. Prometheus - LernAtlas der Anatomie: allgemeine
Anatomie und Bewegungssystem . Stuttgart : Georg Thieme Verlag, 2011.
25. Nonnenmacher. Schultergelenk. Symptomat. [Online] 2015.
http://symptomat.de/Schultergelenk.
26. BioReflex. Der Schultergürtel. BioReflex. [Online] 2015.
http://www.bioreflex.de/index.php?id=schulterguertel.
27. Heller. Schulter. Operation endoprothetik. [Online] 2013. http://www.operation-
endoprothetik.de/schulter/.
28. Gottlob, Heidelberg. Körperebenen, Lage- und Richtungsbezeichnungen. Illustration.de.
[Online] 2001. http://www.illustration.de/il/picture?id=84&pic=4267.
29. National Instruments Corporation. Block Diagram. National Instruments. [Online] 2017.
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371361J-01/lvconcepts/blockdiagram/.
30. DocCheck Medical Services GmbH. Scapula. Flexikon DocCheck. [Online] 2017.
http://flexikon.doccheck.com/de/Scapula?utm_source=www.doccheck.com&utm_medium=
web&utm_campaign=DC%2BSearch.
I
Erklärung zur Urheberschaft
Hiermit versichere ich, dass ich die vorgelegte Arbeit selbstständig verfasst und die
verwendeten Quellen und Hilfsmittel vollständig angegeben habe. Ich habe alle vollständig
oder sinngemäß übernommenen Zitate der Arbeit auf jeden Fall unter Angabe der Quelle als
Entlehnung kenntlich gemacht.
Ort und Datum Unterschrift
II
Anhang
Anhang 1: CATIA
Anhang 2: WinData Pointer-Programm
Anhang 3: WinData Bewegungsprogramm
Anhang 4: Ergebnisse der Translationen TX, TY und TZ
Anhang 5: Ergebnisse der Rotationen RX und RZ
III
CATIA
Für die Konstruktion eines 3D-Volumens auf CATIA wird zuerst eine Skizze in Part Design in
zwei Dimensionen gezeichnet und bemessen (Abb. 53).
Die Skizze charakterisiert die Länge und die Breite des Teils. Für die Erzeugung eines 3D-Teils
wird die Höhe mit dem Extrudieren-Tool erzeugt (Abb. 54). Die Höhe wird wie gewünscht
eingestellt, hier 15 mm.
Abbildung 53: Skizze eines Teils mit den Bemaßungen auf CATIA Part Design
Abbildung 54: Extrudieren der Skizze auf einem Volumen mit 15 mm Höhe
IV
Danach wird der Teil mit Bohrungen, Kantenverrundungen oder Zusatzparts ergänzt (Abb.
55).
Der Teil zählt als Einzelteil dazu können andere Teile miteinander aufgebaut werden. Die
Zusammenstellung wird in der Assembly Design-Umgebung weitergeleitet und die
verschiedenen Teile werden mit Kontakt- oder Konzentrizität-Beanspruchung montiert.
Abbildung 55: Fertiger Teil mit Bohrungen, Kanten, Ausrundung
V
WinData Pointer-Programm
Gleichzeitig werden die Landmarker am Knochen mit dem Pointer abgetastet und das
WinData-System wird gestartet, so dass das WinData Pointer-Programm die Daten der
Landmarker übernimmt (Abb. 56). Die Landmarker werden in einer bestimmten Reihenfolge
abgetastet, zuerst die vier Punkte am Humerus und dann die drei am Scapula:
Punkt 1: HA
Punkt 2: HP
Punkt 3: SA
Punkt 4: SP
Punkt 5: AA
Punkt 6: TS
Punkt 7: AI.
Für jeden Punkt wird die Messung des WinData-Programms gestartet et pausiert. Die Punkte
werden in dieser Reihenfolge zwei bis fünf Mal abgetastet, um danach den Mittelwert mit
dem LabVIEW Pointer-Programm zu berechnen.
Abbildung 56: Konfiguration des WinData-Systems für die Messung der Landmarker
VI
Das WinData-System nimmt die Daten der Marker, die im Zebris Grundgerät sind und stellt
sie im WinData-Viewer dar. Für diese Messung sind die Tripode fix, der Schulter-Simulator
bewegt sich nicht, nur der Pointer bewegt sich, um die verschiedenen Landmarker zu
abtasten. Im Viewer werden acht Punkte angezeigt (Abb. 57): die drei Marker von den
beiden Tripoden und die zwei Marker am Abtaststift. Nach der Messung werden die Daten in
eine Excel-Tabelle exportiert.
Abbildung 57: Überblick vom WinData-Viewer – (rechts) Die Darstellung der zwei Tripoden mit seinen drei Marker und der Pointer mit seinen zwei Markern und (links) die Darstellung aller Marker-Daten in Echtzeit
VII
WinData Bewegungsprogramm
Gleichzeitig bewegen sich die Tripode und das WinData-System wird gestartet, so dass das
WinData Pointer-Programm die Daten der Marker übernimmt (Abb. 58). Die Tripode
bewegen sich im Raum mit den Simulator-Bewegungen und der Messaufnehmer verfolgt
also diese Bewegungen.
Das WinData-System nimmt die Daten der Tripode-Marker, die im Zebris Grundgerät sind,
und stellt sie im WinData-Viewer dar (Abb. 59). Im Viewer werden sechs Punkte angezeigt:
jeweils die drei Marker der beiden Tripoden. Nach der Messung werden die Daten in eine
zweite Excel-Tabelle exportiert.
Abbildung 58: Konfiguration des WinData-Systems für das Folgen der Tripoden-Bewegungen
VIII
Abbildung 59: Überblick vom WinData-Viewer – (rechts) Die Darstellung der zwei Tripode mit jeweils seinen drei Markern und (links) die Darstellung aller Marker-Daten in Echtzeit
IX
Ergebnisse der Translationen TX, TY und TZ
Das Graph zeigt keine negativen Werte, deshalb geht die Kurve von 5 bis 0 und wieder auf 5.
Aber 5+5 machen die gewünschte 10 mm Verschiebung auf der X-Achse (Abb. 60).
Die anderen Graphen zeigen keine richtigen Bewegungen, nur kleine Abweichungen von
etwa 3 mm oder 2° (Abb. 60).
Abbildung 60: Die Translation auf der X-Achse
X
Die Kurve geht von 84 bis 74 und ergibt die 10 mm Verschiebung auf der Y-Achse (Abb. 61).
Die anderen Graphen zeigen keine richtigen Bewegungen, nur kleine Abweichungen von
etwa 2 mm oder 3° (Abb. 61).
Abbildung 61: Die Translation auf der Y-Achse
XI
Die Kurve geht von 25 bis 45 und ergibt die 20 mm Verschiebung auf der Z-Achse (Abb. 62).
Die anderen Graphen zeigen keine richtigen Bewegungen, nur kleine Abweichungen von
etwa 2 mm oder 2,5° (Abb. 62).
Der Graph der Y-Translation ergibt einen Wert von 10 mm, weil die Konstruktion des Zusatz-
Teils die zwei Tripode-Auflader auf dem Validierungstisch von einander in Y-Richtung
verschiebt (Abb. 62).
Abbildung 62: Die Translation auf der Z-Achse
XII
Ergebnisse der Rotationen RX und RZ
Die Kurve geht von 0 bis 20 und ergibt die 20° Umdrehung um die X-Achse (Abduktion-
/Adduktion-Bewegung) (Abb. 63).
Die anderen Graphen zeigen keine richtigen Bewegungen, nur kleine Abweichungen von
etwa 3 mm oder 2° (Abb. 63).
Der Graph der Z-Translation ergibt einem Wert von etwa 20 mm, weil die Konstruktion die
Scapula-Stütze in Z-Richtung erhöht (Abb. 63).
Abbildung 63: Die Rotation um die X-Achse
XIII
Die Kurve geht von 3 bis 23 und ergibt die 20° Umdrehung um die Z-Achse (Flexion-
/Extension-Bewegung) (Abb. 64).
Die anderen Graphen zeigen keine richtigen Bewegungen, nur kleine Abweichungen von
etwa 4 mm oder 1.5° (Abb. 64).
Der Graph der X-Translation ergibt einen Wert von etwa 17,5 mm, weil die Konstruktion die
zwei Tripode-Stützen in X-Richtung verschiebt (Abb. 64).
Abbildung 64: Die Rotation um die Z-Achse
