Simulatie van driedimensionele gangkinematica van het onderste lidmaat met behulp van plantaire voetdrukken : een innovatie voor plantaire drukmeetsystemen met klinische implicaties -TETRA-project 50118- VOORTGANGSVERSLAG november 2007 TECHNISCH VERSLAG De technische activiteiten van de laatste maanden reflecteren de activiteiten van mei tot en met oktober van 2007. Dit zijn zes in plaats van de 4 gebruikelijke maanden. Dit komt omdat het project 2 maanden opgeschort is wegens een lange en ernstige ziekte van één der projectmedewerkers. Dit impliceert dat het project officieel tot eind februari 2008 loopt. Uitgevoerde activiteiten 1. Stand van zaken: kinematisch onderzoek van de voet en onderste ledematen In het verleden werden al verschillende malen, naarmate de metingen vorderden, de kinematische resultaten gepresenteerd. Die waren telkens zeer gelijkend (cf. voortgangsverslag van mei) Nu alle normale proefpersonen gemeten zijn, kunnen globale referentiekurven voor de kinematica der onderste ledematen gepresenteerd worden. Deze zullen in het eindverslag van het project opgenomen worden. Wat de prothesedragers betreft, zijn er al 17 mensen opgenomen. Dit aantal moest dan verder aangevuld worden met enkele bijkomende opnames met het CODA-systeem van het KHK in Geel. Hierbij was het de bedoeling, voortgaand op de beloftes van de CODA-constructeur, dat het tweede, reeds bestelde, toestel er op tijd zou komen. Dit tweede toestel is er nodig om op een coherente manier, zonder veel problemen driedimensionale opnames te realiseren met dezelfde markeropstelling dat bij het Vicon-systeem gebruikt werd om zo vergelijkbare kinematische resultaten te bekomen. Het is namelijk de bedoeling, zoals vroeger reeds gesteld, de komende jaren op het huidig Tetra-project verder te bouwen en de daar gehanteerde meetmethodes in het MOBILAB-centrum te Geel op basis van het CODA-meetsysteem verder te gebruiken en te verfijnen. Helaas is dit tweede toestel er niet gekomen zodat we onverichterzake op zoek moesten gaan naar een ander markeropstelling dat met slechts één enkele CODA-systeem bruikbaar is en waarmee toch nog equivalente kinematica als met het Vicon-systeem kunnen geproduceerd worden.
Een beschrijving van de markeropstelling met één enkel CODA-systeem vindt u in appendix 1. Resultaten met deze opstelling zullen op de gebruikerscommissie gepresenteerd worden en nadien als addendum in dit verslag opgenomen worden. Met deze opstelling zullen een paar prothesedragers die met het Vicon-systeem werden opgenomen, dan ook met het CODA-systeen opgenomen worden. Deze opnamen zullen dan de brug tussen de twee opnamesystemen vormen zodat de overeenkomst ertussen, en ook eventuele verschillen, kunnen gecontroleerd en gedocumenteerd worden. Ook de mensen met spierdisfuncties zullen met deze opstelling opgenomen worden. Uiteindelijk hebben de contacten met het Academisch Ziekenhuis van Maastricht tot een akkoord geleid en zijn er concrete afspraken gemaakt. Het heeft allemaal langer geduurd dan verwacht daar er nog administratieve horden moesten genomen worden, i.h.b. met de interne medische commissie van het ziekenhuis. Maar de opnames zijn nu gepland voor deze en volgende maand. Hiermee zullen dan alle opnames zoals in projectvoorstel gepland, gerealiseerd zijn. De kinematische resultaten zullen dan in een versneld tempo afgewerkt moeten worden en zullen dus in het eindverslag voorgesteld worden. 2. Statistische relatie tussen kinematica der onderste gewrichten en plantaire drukken. In het vorig voortgangsverslag werd reeds aangetoond 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. Wat er verder nog kon geprobeerd worden, is de referentiepopulatie in functionele deelgroepen (clusters) te scheiden zoals bijvoorbeeld aangegeven door De Cock et al (Gait & Posture 23, 3, p. 339-347, 2006,). K-means analyses laten weliswaar resultaten met hogere voorspellingswaarden R 2 zien, maar de links-rechts-consistentie blijft zoek. Anderzijds werd er ook geopperd dat de introductie van alternatieve drukvariabelen zoals bijvoorbeeld deze die betrekking hebben op de Center-of- Pressure (CoP), eventueel betere voorspellingen kunnen opleveren. Deze benadering heeft echter evenmin tot positievere resultaten geleid (zie Appendix 2). Alleen de beginwaarde voor de inversie van de hallux bij hielimpact correleerde goed (voorspellingscoefficiënt R 2 > 0.5 en zowel links als rechts ) met een maximale mediale excursie van het Centre-of-Pressure ( = variabele min x in de tabellen). Een even goede correlatie was ook zichtbaar tussen het tijdstip van
maximale inversie van de laterale middenvoet en het tijdstip van hiellift (= variabele tho in de tabellen). De eerste bevinding betreffende de inversie van de hallux is moeilijk in biomechanisch functionele zin te interpreteren, De tweede lijkt heel wat logischer daar het algemeen geweten is dat op het moment van hiellift de middenvoet normaal reeds in supinatie staat. Het is dan ook niet verwonderlijk dat men bij de mediale middenvoet dezelfde correlatie terug vindt, alleen hier vrij zwak (R 2 =.120). Vermeldenswaardig is ook dat bij de hiel het tijdstip van minimale inversie (dus maximale eversie) overeenkomt met het moment van hiellift. Maar ook hier is probabiliteit te laag (R2=.29) om betrouwbare voorspellingen te geven en uiteindelijk in een Footscan-algoritme opgenomen te worden. Algemeen besluit Men kan dit hoofdstuk dan ook afsluiten met te stellen dat het voorspellen van kinematische variabelen van de voet aan de hand van plantaire voetdrukken met behulp van statistische regressietechnieken) correlatiecoëfficiënten produceren die ofwel te laag of te inconsistent (afhankelijk van links-rechts-symmetrie of van al dan niet automatische maskingtechniek) zijn om bruikbaar te zijn voor het opstellen van bruikbare algoritmes in de Footscan-software. De hoop om dit toch te kunnen realiseren ligt bij het gebruik van artificiële neurale netwerken die blijkbaar beloftevoller zijn (zie verder). 3. Opstellen van een biomechanisch model ter simulatie van voetbewegingen. Het was de oorspronkelijke bedoeling het bestaande voetmodel toe te passen op de prothesedragers. Maar in een interne vergadering op 22 augustus 2007 met de mensen van RSscan, het belangrijkste lid van de gebruikerscommissie, werd echter besloten prioriteit te geven aan het ontwikkelen van een visueel voetmodel. Dit model dat in de Footscan-software zelf geïntegreerd wordt, zal rechtstreeks aangedreven worden door met de Footscan-plaat opgemeten drukken. Zo zou direct na het meten van voetdrukken, de Footscan-software door middel van dit model het mogelijk maken, quasi on-line een simulatie van de driedimensionale beweging van de voet op het computerscherm weer te geven (cf. figuur hieronder). Gedetailleerde informatie over de huidige stand van het visueel voetmodel vindt u in appendix 3.
4.Verband tussen plantaire voetdrukken en voetkinematica door middel van artificiële neurale netwerkanalyses. Olivier Pareit is nu geruime tijd bezig met het ontwikkelen van een artificieel netwerk teneinde plantaire voetdrukken te relateren aan voekinematica. De eerste resultaten waarbij discrete drukwaarden (zoals begin- en eindwaarden, maxima en minima) als input werden gebruikt, leken niet veelbelovend. Na een bezoek aan Prof. Wit van de Universiteit Warschau, werd het plan opgevat tijdsreeksen, i.p.v. geselecteerde discrete waarden als input te gebruiken. Het resultaat hiervan vind u in appendix 4. Hier zijn, in tegenstelling tot de resultaten bekomen met statistische regressietechnieken, duidelijk enkele successen geboekt. De voorspelling van de absolute flexie-extensie van de hiel (zie figuur hieronder waar enkele individuele krommen worden getoond) kan als geslaagd gekenmerkt worden
Dit is, in mindere mate, ook waar voor de eversie-inversie van de hiel (cf. appendix 4). 5. Onderzoeksplanning voor de volgende en laatste maanden - Verdere afwerking van de kinematica van prothesedragers. De data van de bestaande opnames moeten verder verwerkt worden zodat het tijdsverloop van de voetkinematica voor elke specifiek individu of groep prothesedrager kan uitgezet en eventueel vergeleken worden met de referentie van de normale proefpersonen. - Opnamen en dataverwerking van de spierdisfunctiepatiënten. Deze zullen met het CODA-systeem te Geel met de aangepaste markeropstelling voor gebruik met één toestel. opgenomen worden. De verwerking zal dan verder op de gebruikelijke wijze gebeuren, zoals dit voor de normale populatie en de prothesedragers gebeurd is. - Visueel voetmodel Zoals hoger gesteld wordt dit model verder uitgewerkt zodat voetdrukken met een Footscanplaat gemeten, quasi direct in een visuele simulatie van de voetkinematica kunnen omgezet worden.
Aldus zullen gebruikers van de Footscan-software in de toekomst een visuele kinematische interpretatie krijgen van het drukpatroon van de voet dat net daarvoor met een drukplaat gemeten werd. - Exploratie van de dubbele contactfase in het biomechanisch en statistisch model. Variabelen die de dubbele en enkele contactfase van de gang beschrijven zullen ook nog een statistische behandeling krijgen. Indien hieruit nuttige resultaten voortvloeien, kunnen die eventueel in de Footscan-software opgenomen worden. MANAGEMENTVERSLAG - Meetinstrumentatie Zoals hoger reeds vermeld zullen de opnames van de spierdisfunctiepatiënten in Geel met het CODA-systeem gebeuren. Er was hierbij de sterke hoop dat het tweede aangekochte systeem nog op tijd zou geleverd worden. Maar dit was helaas niet het geval. Er zal verder met één enkel CODA-toestel gewerkt waarbij dan een alternatieve markeropstelling moest gezocht worden, equivalent aan de VICON-opstelling zodat de kinematische vergelijkingen vergelijkbaar blijven. Dit laatste is ondertussen gerealiseerd, maar heeft wel voor de nodige vertragingen gezorgd. - Personeelsbeleid Er zijn geen specifieke problemen te melden. - Prestatietabel is terug te vinden in appendix 5 VALORISATIEVERSLAG Op vrijdagnamiddag 14 december organiseert de KHK in Geel, zoals tijdens de vorige gebruikerscommissie reeds afgesproken, een symposium Technologie in revalidatie en biomedische signaalverwerking. Die studiedag is gericht naar orthopedisten/orthopedisch instrumentmakers, podologen, onderzoekers. artsen/kinesitherapeuten, biomedische ingenieurs, R&D-verantwoordelijken uit de orthopedische industrie, enz Hierin komt het onderzoek van het huidig projectn bod via lezingen van onze medewerkers Bart Van Gheluwe (over plantaire voetdrukmetingen), Friso Hagman
(over biomechanische voetmodellen), Stijn Van Melckebeke en Koen Janssens (over bewegingsonderzoek in de praktijk). Vooral in de laatste presentatie wordt extra nadruk gelegd op de verwezenlijkingen en resultaten van het huidig project. Verdere informatie over het symposium is in Appendix 6 te vinden of op de webstek van het project (http://simkinpres.vub.ac.be) of van Mobilab (http://www.khk.be/khk04/studiedagmobilab) Geïnteresseerden die wensen zich in te schrijven kunnen dit door het formulier in appendix 7 in te vullen en op te sturen. APPENDICES APPENDIX 1. Overzichtstabellen met de best voorspellende sets van drukvariabelen die betrekking hebben op het Center-of-Pressure en de respectievelijke voorspellingscoëfficiënt R 2 voor alle te voorspellen kinematische variabele. Markeringen in geel duiden op variabelen die zowel links als rechts voorkomen. en op een Voorspellingscoëfficiënt hoger dan.5 zijn in vet aangegeven. APPENDIX 2. Beschrijving van de equivalente markeropstelling voor ganganalyse met één enkel CODA-systeem. APPENDIX 3. Beschrijving van het visueel voetmodel: stand van zaken APPENDIX 4. Rapport over de eerste positieve resultaten van de toepassing van artificiële neurale netwerken op voetkinematica en drukvariabelen. APPENDIX 5. Prestatietabel van de werkzaamheden in de maand mei tot oktober 2007. APPENDIX 6. Folder van het symposium Technologie in revalidatie en biomedische signaalverwerking dat op vrijdag 14 december op het KHK in Geel plaats vindt APPENDIX 7. Inschrijfformulier voor het symposium Technologie in revalidatie en biomedische signaalverwerking