D21 2D/3D-Kinematik

Thema

Diese kinematische Analyse beschreibt allgemein die finale Geometrie der Bewegung dieses Athleten – also seine Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und alle Gelenkwinkel – ohne die einwirkenden Kräfte zu berücksichtigen. Sie bildet daher die Grundlage aller nachfolgenden biomechanischen Diagnosen, einschließlich der Identifizierung des dynamischen Modus, der bereits durch ein anderes Modell innerhalb dieses Datensatzes ermittelt wurde.

Ein dreidimensionales Bewegungserfassungssystem, beispielsweise mit einer Infrarotkamera, die einen reflektierenden Marker am Körper des Athleten verfolgt, oder mit einem direkt am Körper angebrachten Inertialsystem, zeichnet die Endposition jedes Markers im Raum über die Zeit mit einer hohen Abtastrate auf – genau dasselbe dreidimensionale Bewegungsanalysesystem, das bereits durch ein anderes Modell innerhalb dieses Datensatzes etabliert wurde.

Die numerische Differenzierung dieser gemessenen Positionen liefert sowohl die Geschwindigkeit als auch die Endbeschleunigung jedes Markers für diesen Athleten über die Zeit. Diese numerische Differenzierung führt jedoch zu zusätzlichem Rauschen, das vor der eigentlichen Analyse herausgefiltert werden muss. Ein Butterworth-Tiefpassfilter eliminiert dieses hochfrequente Rauschen, ohne das zugrundeliegende Bewegungssignal wesentlich zu verzerren. Dabei wird für typische menschliche Bewegungen eine deutlich niedrigere Grenzfrequenz verwendet als für einen kurzen, plötzlichen Aufprall auf denselben Athleten. Durch diese noch niedrigere Grenzfrequenz des Butterworth-Filters wird ein noch größerer Anteil dieses hochfrequenten Rauschens eliminiert, allerdings auf Kosten einer gewissen Glättung des eigentlichen Bewegungssignals.

Der endgültige Gelenkwinkel jedes Gelenks dieses Athleten wird aus dem Segmentvektor jedes an dieses Gelenk angrenzenden Körpersegments berechnet. Mithilfe dieser inversen Kinematik lässt sich die endgültige Position jedes inneren Gelenks dieses Athleten allein anhand der Position der auf seiner Haut angebrachten externen Marker schätzen, ohne das innere Gelenk direkt messen zu müssen.

Dieses Modell, das auf der Bewegungsgeometrie des Athleten basiert und ursprünglich entwickelt wurde, gewährleistet, dass die finale dreidimensionale Position jedes Markers den finalen Gelenkwinkel, die Winkelgeschwindigkeit, die lineare und Winkelbeschleunigung, die finale Schrittlänge, die Schrittfrequenz und die finale Trajektorie des Körperschwerpunkts bestimmt – genau die gleiche Körperschwerpunktvariable, die bereits in einem anderen Modell dieser Reihe ermittelt wurde. Die Erfassung dieser dreidimensionalen Markerposition mit einer noch höheren Abtastfrequenz macht all diese Werte für die biomechanische Diagnose, für die dieses Modell ursprünglich entwickelt wurde, noch präziser.

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