VOORTGANGSVERSLAG mei De technische activiteiten van de laatste maanden reflecteren de activiteiten van de eerste 4 maanden van 2007

Transcriptie

1 Simulatie van driedimensionele gangkinematica van het onderste lidmaat met behulp van plantaire voetdrukken : een innovatie voor plantaire drukmeetsystemen met klinische implicaties -TETRA-project VOORTGANGSVERSLAG mei 2007 TECHNISCH VERSLAG De technische activiteiten van de laatste maanden reflecteren de activiteiten van de eerste 4 maanden van 2007 Uitgevoerde activiteiten 1. Meting derde cohorte proefpersonen Doordat de 2 e AMTI-krachtplaat met bijhorende drukplaat nu eindelijk geïnstalleerd is, is de meetopstelling nu compleet zoals ze origineel van bij het begin van het project bedoeld was (cf. figuur 1). Indien nodig, kan de tweede druplaat samen met het onderliggend krachtplaat 20cm naar links of naar rechts verschoven worden Spijtig genoeg waren de 6 bijkomende camera s van het Departement Biologie van de Universiteit Antwerpen slechts einde april beschikbaar zodat er weer met een eng tijdsvenster moest gewerkt worden om de derde cohorte onder de camera s te brengen Ondertussen is de referentiepopulatie afgewerkt (89 proefpersonen). Hoewel het alsmaar moeilijker wordt verder prothesedragers bereid te vinden om als proefpersonen te fungeren, hebben we toch nog 8 nieuwe proefpersonen kunnen meten. Dit zijn er in totaal nu 17, dus een drietal minder dan gepland. Maar zoals in het vorig project reeds gesteld, zullen er nog een aantal prothesedragers (4 e cohorte) aan de KHK in Geel gemeten worden. De prothesedragers van de derde cohorte zullen deels ook in Geel opgenomen worden zodat deze overlapping het Fig.1

2 in de toekomst mogelijk zal maken meetresultaten van de VUB te vergelijken met deze van de KHK. MOBILAB aldaar is ondertussen een belangrijk centrum voor orthopedie aan het worden, niet alleen voor het aanpassen en afstellen van prothesen maar tevens voor biomechanisch onderzoek naar de eigenschappen van prothesen. Ook het belang van de bestaande relaties met de commerciële partners mag hierbij niet vergeten worden. Het ligt dus binnen de verwachtingen dat een groot deel van het prothesegebeuren in Vlaanderen en tevens Nederland in de toekomst zich in Geel zal afspelen. In de komende maanden zullen de data van de ganse controlegroep (van de 3 cohorten samen) bijeen gebracht worden, waaruit dan de definitieve referentiekrommen zullen opgesteld worden die als maatstaf zullen dienen om het gangpatroon van de prothesedragers biomechanisch te evalueren. 2. De kinematica van de voet en onderste ledematen De kinematica der onderste gewrichtshoeken van de 2 de cohorte tijdens de gang zijn hieronder in fig.2 terug te vinden. Ze stellen voor de linker heup, knie en enkel de gemiddelde gewrichtshoeken (± 1 standaarddeviatie) rond de drie hoofdassen voor: flexie/extensie rond de breedteas, abductie/adductie rond de diepteas en endo/exorotatie rond de lengteas. Voor de enkel wordt dit laatste eversie/inversie rond de subtalaire as. De intrinsieke gewrichten van de voet zelf, het 1 ste metatarsophalangaal gewricht (van de grote teen of hallux t.o.v. 1 ste metatarsaal beentje), de hoek tussen de mediale/laterale middenvoet en het hielbeen of calcaneus, zijn in fig.3 terug te vinden, elk weer rond de drie hoofdassen. De voorgaande gewrichtshoeken zijn allen relatieve hoeken, van het onderste (distale) segment relatief t.o.v. het hogere (proximale) segment, waarbij voor de opsplitsing van de hoekverplaatsing in drie ruimtelijke anatomische assen de klassieke zogenaamde joint-coordinate-system-conventie wordt gevolgd. Tenslotte wordt ook nog de absolute ruimtelijke oriëntatie van het hielbeen in fig.4 voorgesteld, dus t.o.v. de vaste referentieassen van het gangpad, waarbij de z-as of ad/abductieas vertikaal staat, de y-as of de inversie/eversie as in voorwaartse richting punt en de x-as of flexieas zijwaarts naar rechts gericht is.

3 flexie ( ) inversie ( ) adductie ( ) ENKEL flexie ( ) exorotatie ( ) adductie ( ) KNIE flexie ( ) exorotatie ( ) adductie ( ) HEUP Tijd (genormaliseerd in %) Fig.2. Gemiddelde gewrichtshoeken (± 1 standaarddeviatie) in de enkel, knie en heup (alleen links)

4 flexie ( ) inversie ( ) adductie ( ) 1ste MTPG flexie ( ) inversie ( ) adductie ( ) MEDIALE MIDDEN- VOET flexie ( ) inversie ( ) adductie ( ) LATERALE MIDDEN- VOET Tijd (genormaliseerd in %) Fig.3. Gemiddelde gewrichtshoeken (± 1 standaarddeviatie) in het 1 ste metatarsophalangaal, mediaal en lateraal midtarsaal gewricht (alleen links)

5 flexie ( ) inversie ( ) adductie ( ) HiIELBEEN (CALCANEUS) Tijd (genormaliseerd in %) Fig.4. Ruimtelijke oriëntatie van het hielbeen (gemiddelde gewrichtshoeken ± 1 standaarddeviatie - alleen links) Ter vergelijking zijn de gelijknamige hoeken van de 1 ste cohorte in appendix 1 opgenomen. Bij het vergelijken van de twee cohorten is er een uitstekende gelijkenis tussen de gelijknamige kurven te zien. Dit is geruststellend en geeft aan dat de gebruikte opname protocols en verwerkingssoftware consistente resultaten opleveren en dus betrouwbaar zijn. 3. Statistische relatie tussen kinematica der onderste gewrichten en plantaire drukken. De drukdata van de 1 e cohorte werden opgemeten met een automatische maskingprocedure waarvan de meetvelden vrij groot waren en waardoor meer gemiddelde drukken dan piekdrukken werden gemeten (fig.5). Om het piekkarakter van de drukken meer te respecteren, werden de drukdata met een fijner gemaasde, weliswaar manuele masking hermeten. De statistische correlatie- en regressieresultaten van de relatie tussen deze plantaire drukdata en de kinematica, zijn in Appendix 2 terug te vinden. De voorstelling en interpretatie hiervan is dezelfde als in het vorig verslag. Fig.5. Automatische (links) en manuele (rechts) masking

6 Ter herinnering. De afhankelijke (dus te voorspellen) kinematische variabelen zijn de startwaarde (bij hielimpact), het maximum, het minimum en de maximale bewegingsuitslag (range of motion) in flexie/extensie, inversie/eversie en ab/adductie van het 1 ste MTP-gewricht, de laterale en mediale middenvoet (respectievelijk LMV en MMV), de hiel, de enkel, de knie en de heup. Voor de hiel zijn dat de hoeken t.o.v. de referentieassen van het labo. Dit zijn dezelfde gewrichten waarvan het bewegingsverloop tijdens grondcontact in het verslag van september 2006 gepresenteerd werd. De onafhankelijke (voorspellende) variabelen zijn de klassieke drukvariabelen, zoals de duur van de hielcontact-, midstand- en propulsiefase, de maximale druk (= Max) en belastingssnelheid (=LoadR_Max) van hallux, tenen, metakop 1 tot 5, mediale en laterale hiel en de respectievelijke tijden tot deze maxima (=Max_Time en LoadR_Max_Time). De afkortingen tussen haakjes zijn deze gebruikt in de tabellen met het overzicht van de resultaten van de regressieanalyse. Voor deze regressieanalyse werd zoals vorige maal geopteerd voor een zogenaamde forward -benadering (cf. voortgangsverslag) Overzichtstabellen met de voorspellende drukvariabelen en de respectievelijke voorspellingscoëfficiënt R 2 voor elke (te voorspellen) kinematische variabele, zijn zowel voor de linker- als de rechterzijde, en zowel voor de vroegere automatische masking als de nu gebruikte fijnere manuele masking, in Appendix 2 samen gebracht. Lege cellen in een tabel betekenen weer dat de voorspellingswaarde laag, t.t.z. onder de 50% ligt. Dezelfde vastsstelingen, zoals die destijds voor de automatische masking gemaakt werden, blijken nu ook voor de manuele masking te gelden: vrij hoge voorspellingscoëfficiënten, maar geen consistentie tussen de linkse en rechtse variabelen, dus ook niet bij de fijnere, manuele masking waarbij de piekdrukken meer tot hun recht komen. Op te merken valt dat er ook geen consistentie bestaat tussen de manuele en de automatische masking: er zijn slechts weinig voorspellende variabelen die zowel bij de automatische als de manuele masking voorkomen. Deze zijn in de tabellen van Appendix 2 in het lichtblauw aangegeven en zijn hieronder nog eens vermeld: - inversie van de hiel bij grondcontact (start inversion) met de verhouding van de maximale druk op de hallux tot de maximale druk van de 1 ste metakop (Max(T)/Max(M1)) - dorsiflexie van de enkel bij grondcontact (start dorsiflexion) met maximale druk van de 3 e metakop (Max (M3)) - tijd tot maximale dorsiflexie (Tmax dorsiflexion) met de duur van de propulsiefase - tijd tot minimale abductie ( T min abduction) van de mediale middenvoet

7 met tijd tot maximale druk op M3 (Time_Max(M3)) Deze laatste zijn geselecteerd op basis van de volgende criteria: - een voorspellingscoëfficient R 2 hoger dan.50 - bij de automatische of manuele masking zowel links als rechts voorkomend - zowel bij automatische of manuele masking, zij het links of rechts. aanwezig Ook het gebruik van relatieve kinematische variabelen (relatief t.o.v. de beginwaarde bij grondcontact) leverde geen consistentere correlaties op (cf. Appendix 3) Deze analyse met de fijnere, manuele masking, werd nog eens overgedaan met 1 e en 2 e cohorte samen, maar dit heeft het beeld van de boven geschetste resultaten niet echt veranderd, behalve dat er nog minder significant voorspellende sets opduiken. De resultaten van deze analyse vindt u in Appendix 4. Algemeen besluit Uit de hoger vermelde resultaten blijkt dus duidelijk dat een statistische correlatieanalyse met behulp van regressietechnieken waarbij gepoogd wordt aan de hand van klassieke drukvariabelen, de kinematica van voet en hogere gewrichten te voorspellen, geen echt consistente relaties oplevert. De hoger gehanteerde drukvariabelen zijn dus niet echt geschikt om als voorspellers van de beweging van voet of onderste ledematen te functioneren. Daarbij speelt het meetoppervlak waarover de druk gemeten wordt (gemiddelde of piekdrukken) geen rol. Men mag hier wel niet vergeten dat alleen die voorspellende sets werden weerhouden met een voorspellingscoëfficiënt R 2 hoger dan 0.5 (of een correlatiefactor hoger dan 0.7). Dit mag hoog lijken, maar gezien het uiteindelijk de bedoeling is resultaten om te zetten in algoritmes die bruikbaar moeten zijn voor klinische toepassingen van drukmetingen, zijn lage voorspellingswaarden niet echt bruikbaar en eigenlijk ook niet verantwoord. Dit klinisch karakter gebiedt ook dat voorspellingen evengoed links als rechts moeten gelden daar symmetrie van het gangpatroon is in biomechanische gangevaluatie en vooral gangcorrectie nog altijd een belangrijk criterium. Naar RSscan toe betekent het dat klassieke drukdata niet erg geschikt zijn als voorspellers van voetkinematica. Toekomstig werk Tot nu toe is de volledige controlepopulatie in de statistische analyse hierboven meegenomen. Misschien zijn er betere en consistentere correlatieresultaten te bekomen door de referentiepopulatie in functionele deelgroepen te scheiden zoals bijvoorbeeld aangegeven door De Cock et al (Gait & Posture 23, 3, p , 2006,). Anderzijds kan de introductie van alternatieve drukvariabelen zoals bijvoorbeeld

8 deze die betrekking hebben op de Center-of-Pressure, eventueel betere voorspellingen opleveren. Verdere data mining blijft dus aan de orde. Dit is dan de volgende stap in de exploratie van statistische regressietechnieken voor het voorspellen van gangkinematica door plantaire voetdrukken. 3. Opstellen van een biomechanisch model ter simulatie van voetbewegingen. Het was de bedoeling het bestaande model nu toe te passen op de prothesedragers. Maar aangezien deze opnames nu pas achter de rug zijn en eerst de opnamedata moeten verwerkt worden, is de aanpassing van het biomechanisch voetmodel voor de prothesedragers naar de volgende maanden opgeschoven. De resultaten hiervan komen dus in het volgend verslag in september. 4.Verband tussen plantaire voetdrukken en voetkinematica door middel van artificiële neurale netwerkanalyses. Olivier Pareit is gestart met het ontwikkelen van een artificieel netwerk teneinde plantaire voetdrukken te relateren aan voekinematica. Een verslag is te vinden in Appendix 5. De eerste resultaten waarbij discrete drukwaarden als input worden gebruikt lijken niet veelbelovend. Prof. Wit van de Universiteit Warschau suggereert daarom toch met tijdsreeksen, i.p.v. geselecteerde discrete waarden zoals maxima als input te gebruiken. Dit leidt echter tot een complexer netwerk. Er is daarom gesuggereerd Olivier Pareit bij Prof. Wit te sturen teneinde gezamenlijk dit netwerk op te stellen en tevens meer ervaring op te doen in het gebruik van artificiële neurale netwerken en zo de kwaliteit van Oliviers bijdrage in het project te maximaliseren. Olivier zal hieromtrent een voorstel uitwerken (met inbegrip van reis- en verblijfkosten) om deze korte studiereis mogelijk te maken. 5. Onderzoeksplanning voor de volgende maanden - Uitbreiding en exploratie van de regressieanalyse met alternatieve variabelen ( data mining ) Het is hierbij de bedoeling de drukvariabelen uit te breiden naar Center-of- Pressure gerelateerde variabelen. Tevens zou er met deelpopulaties met typische afrolpatronen kunnen gewerkt worden. - Neutrale netwerkenanalyse van de kinematica van de voet en onderste gewrichten in functie van de plantaire drukken. Zoals hoger juist vermeld, gaat er toch getracht worden voor de plantaire voetdrukken met tijdsreeksen te werken i.p.v. met discrete waarden, zoals door Prof. Wit van de universiteit van Warschau geadviseerd. Om deze samenwerking zo intens en dus zo vruchtbaar mogelijk te maken, is het dan ook de bedoeling

9 om Olivier Pareit enige tijd naar Warschau te sturen om samen met Prof. Wit het neurale netwerk uit te werken en te verfijnen. - Verwerking van de data van de derde cohorte proefpersonen, zowel van controles als van prothesedragers. - Opnames van prothesedragers met verschillende prothesen en mensen met spierdisfuncties. - Toepassing van het biomechanisch model op de prothesedragers - Exploratie van de dubbele contactfase in het biomechanisch en statistisch model. MANAGEMENTVERSLAG - Meetinstrumentatie Eindelijk is nu het tweede AMTI-krachtenplatform geleverd en geïnstalleerd, samen met een tweede drukplaat met bijhorende 3D-synchronisatie-box. De meetinstallatie staat er nu zoals ze van in den beginne gepland was zodat het nu mogelijk wordt tevens de zogenaamde tweede dubbele standfase te registreren, waarbij elke voet op een afzonderlijke drukplaat staat en gemeten kan worden. De derde cohorte, waarbij zowel normale proefpersonen als prothesemensen zaten, is op die wijze gemeten, Het is de bedoeling, zoals in het vorig voortgangverslag reeds gemeld, sommige van deze prothesemensen ook nog eens aan de KHK te Geel op te meten, aan de hand van de daar opgestelde en nu operationele meetinstallatie. Het is immers de bedoeling dat metingen van Brussel (Vicon) en de toekomstige metingen van het KHK (CODA) op een compatibele wijze met elkaar kunnen vergeleken worden zodat alle verdere metingen met prothesedragers dan ook in Geel kunnen gebeuren. - Personeelsbeleid Er zijn geen specifieke problemen te melden. Olivier Pareits is nu, zoals was afgesproken en door het IWT goedgekeurd, voor.40 voltijds op het project aangesteld. Hij is nu actief met het uitwerken van een artificieel neuraal netwerk teneinde verbanden te kunnen leggen tussen de beweging van de voet tijdens de contactfase en de simultane plantaire voetdrukken. Zoals hoger gezegd is het de bedoeling van hem naar Prof Wit van de universiteit van Warschau te sturen teneinde het opstellen van het artificieel neuraal netwerk te versnellen en de kansen op een positief resultaat te vergroten.

10 - Prestatietabel is terug te vinden in appendix 6 VALORISATIEVERSLAG - Samenwerking met het FWO-project Studie van intelligente enkelvoetprothesen aangedreven door biologisch geïnspireerde actuatoren, waarbij kinematische data van het Tetra-project gebruikt zijn om de spierkrachtdistributie van de onderbeenspieren te evalueren met of zonder subtalaire enkelmobiliteit. Dit heeft zijn uitdrukking gevonden in een presentatie Muscular control of the ankle and subtalar joint during gait op het Symposium Foot and ankle biomechanics (Leuven, 20 april 2007) en heeft tevens geleid tot een abstract Muscle forces calculated with and without subtalar joint definition differ significantly voor het jaarlijks congres van de American Society of Biomechanics die in Stanford in de maand augustus doorgaat. Deze abstract is in Appendix 7 te lezen. - In het kader van een eventuele samenwerking met Prof. J. Ambrosio van de Universiteit van Lissabon (zie vorig rapport), is het de bedoeling dat onze kinematica- en drukdata gebruikt zullen worden in een voetmodel dat specifiek de interactie tussen intrinsieke voetbewegingen en plantaire drukken wil bestuderen. Een bondige beschrijving van dit voetmodel is in Appendix 8 te vinden. - Op vrijdagnamiddag 1 juni (12.30u 18.00u) organiseert de KHK de dag van het onderzoek onder de titel Partner in Kennis: onderzoek, dienstverlening, expertise, innovatie en vorming. Zie de volgende link voor programma en details: In de centrale hal (Agora) zal een behoorlijk grote (bemande) stand te zien zijn waarin ook het Simkin project voorgesteld wordt (poster 1x1.2m), en waarin de relatie met andere lopende en/of aangevraagde onderzoeksprojecten en samenwerkingsverbanden geïllistreerd wordt. De stand is interactief opgevat, in die zin dat bezoekers uitgenodigd zullen worden over het drukverdelingsplatform te stappen, zodat zij hun eigen voetafwikkeling real-time kunnen volgen op een dataprojectiescherm. Alle posters (met vermelding van partners en financierende instanties) worden afgedrukt in een gratis (kleuren) brochure die bij ontvangst zal overhandigd worden aan alle deelnemers en bezoekers. Tijdens de workshop sessies die na de plenaire sessies gehouden worden zal het Simkin project tevens voorgesteld worden in een presentatie.

11 APPENDICES APPENDIX 1. Ter vergelijking: grafieken van de kinematica van de voet en onderste ledematen van de 1 e cohorte APPENDIX 2. Overzichtstabellen met de best voorspellende sets van drukvariabelen uit de eerste cohorte proefpersonen en de respectievelijke voorspellingscoëfficiënt R 2 voor elke kinematische (te voorspellen) variabele gebruik makend van de fijner gemaasde, manuele maskingmethode. Ter vergelijking zijn de oude resultaten bekomen met de automatische masking eveneens in de tabel meegenomen. Geel en groene markeringen duiden op gelijke variabelen voor links zowel als voor rechts. Licht blauw duidt erop dat eenzelfde variabele minsten 3 keer voor eenzelfde variabele in de tabel voorkomt, dus zowel links als rechts voor minstens één van de maskingmethodes maar tezelfdertijd ook minstens voor één zijde voor de andere maskingsmethode. APPENDIX 3. Overzichtstabellen met de best voorspellende sets van drukvariabelen uit de eerste cohorte proefpersonen met de automatische maskingmethode maar voor de relatieve kinematische variabelen (relatief t.o.v. de beginwaarde bij grondcontact). Ter vergelijking zijn de absolute waarden erbij gevoegd APPENDIX 4. Vergelijking tussen de best voorspellende sets van drukvariabelen uit de eerste en tweede cohorte. APPENDIX 5. Rapport van Olivier Pareit over de eerste resultaten van de toepassing van artificiële neurale netwerken op voetkinematica en drukvariabelen. APPENDIX 6. Prestatietabel van de werkzaamheden in de maand januari tot april APPENDIX 7. Abstract voor het jaarlijks congres van de American Society of Biomechanics (Stanford, augustus 2007) APPENDIX 8. Bondige beschrijving van het biomechanisch voetmodel van Prof. J. Ambrosio