Titel: Måling af Ground Reaction Force under gang. Emne: Medikoteknisk Instrumentering. Projektperiode: 3. semester, efterår 2007

GroundReacti onforceundergang måli ngaf Sundheds t eknol ogi S3Gruppe.374 2007

Institut for Sundhedsvidenskab og teknologi Aalborg Universitet, Sundhedsteknologi Fredrik Bajersvej 7 9220 Aalborg Øst http://www.hst.aau.dk Titel: Måling af Ground Reaction Force under gang Emne: Medikoteknisk Instrumentering Projektperiode: 3. semester, efterår 2007 Projektgruppe: S3 374 Deltagere: Mikkel Frank Andresen Behamin Bakhshaie Brian Korsholm Flaskager Ann-Sofie Holm Henriksen Grethe Kiehn Kristensen Nikolaj Børty Nielsen Vejleder: Jonas Emborg Oplagstal: 9 Sidetal: 102 Bilagsantal og -art: 2, Appendiks Afsluttet den: 19. december 2007 Synopsis: Hvert år rammes ca. 12.000 patienter i Danmark af apopleksi pga. blodpropper i hjernen eller hjerneblødninger. Blandt mange følgevirkninger lider 67 % af disse patienter af hemiparese, en halvsidig lammelse, der medfører patologisk gang, fordi hjernen har mistet de lagrede informationer om gang. Gangfunktionen skal derfor genoptrænes. Denne rapport beskriver, hvordan måling af vertikal ground reaction force under gang kan bruges til at karakterisere en persons gang. Til denne måling konstrueres et analogt system med fire kraftfølsomme sensorer placeret under foden. Databehandlingen foretages i MatLab, hvor en grafisk brugergrænseflade præsenterer målingerne af fodens kraftafsæt i form af kraftkurver fra hver af de fire sensorer samt tilhørende summerede kurver. Det er krævet af systemets bruger, at denne har en indgående indsigt i patologisk gang og selv kan analysere, hvorledes den patologiske gang afviger fra normalen og hvad dette skyldes, men systemet opfylder alle de opstillede krav og virker efter hensigten. Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

v Forord Denne rapport er et 3.semesterprojekt udarbejdet af gruppe 374 på civilingeniøruddannelsen i Sundhedsteknologi i perioden 3. september til den 19. december 2007. Temaet for 3. semester har været Medikoteknisk Instrumentering, hvor formålet med selve S3-projektperioden er at gøre de studerende i stand til at løse instrumenteringsopgaver relateret til måling af elektrofysiologiske variabler under hensynstagen til patientsikkerhed. Rapportens målgruppe er medstuderende på Sundhedsteknologi, vejledere ved Aalborg Universitet samt andre interesserede. Rapporten er udarbejdet af: Ann-Sofie Holm Henriksen Behamin Bakhshaie Brian Korsholm Flaskager Grethe Kiehn Kristensen Mikkel Frank Andresen Nikolaj Børty Nielsen

vi Læsevejledning For at skabe overblik er rapporten delt op i tre dele. Del I er problemanalysen, hvor apopleksi, den menneskelige gang og ground reaction force (GRF) beskrives. Problemanalysen leder til problemformuleringen. Del II er problemløsningen, hvor der opstilles kravspecifikationer til det ønskede system. Derudover bliver de enkelte blokke i systemet udarbejdet og testet i forhold til de opstillede krav. Del III indeholder test af systemet, diskussion, konklusion og perspektivering. Bagerst i rapporten findes appendiks i form af komponentliste og kredsløbsdiagram. Appendiks er materiale udarbejdet af projektgruppen. Derudover er en CD-ROM vedlagt med kilder, rapporten, kredsløbsdiagram og et softwareprogram. Kilderne i rapporten er struktureret efter Vancouver-metoden, hvor [1] henviser til [1] i litteraturlisten osv. Figurer, formler og tabeller er nummereret med fortløbende numre i hvert kapitel med tilhørende forklarende tekst og kildehenvisning. Når kildehenvisningen står inden for et punktum betyder det, at kilden kun henviser til pågældende sætning. Hvis kildehenvisningen står efter et punktum, refererer kilden til afsnittet.

Indhold 0.1 Indledning...................................... 1 I Problemanalyse 5 1 Den menneskelige gang 7 1.0.1 Baggrund for gang: Fra signal i hjernen til muskelsammentrækning.. 9 1.0.2 Aktive muskler under gang........................ 11 1.1 Kræfter under gang................................. 13 1.1.1 Fodens knogleopbygning.......................... 15 1.1.2 Anatomiske landemærker for vertikal ground reaction force...... 16 1.2 Kinematik...................................... 18 1.3 Patologisk gang................................... 20 1.3.1 Stance-fasen................................. 20 1.3.2 Swing-fasen................................. 21 2 Problemformulering 23 II Problemløsning 25 3 Systembeskrivelse 27 3.1 Systemets funktionalitet.............................. 27 3.2 Systemets opbygning................................ 28 3.3 Systemets bruger.................................. 28 4 Kravspecifikation 29 4.1 Sensorer....................................... 29 4.2 Forstærker...................................... 29 4.3 Filter........................................ 30 4.4 Summationsforstærker............................... 31 4.5 Analog til Digital Converter............................ 31 4.6 Galvanisk adskillelse................................ 31 4.7 Brugergrænseflade................................. 32 4.8 Spændingsforsyning................................ 32 5 Sensorer 33 5.1 Krav......................................... 33 5.2 Design........................................ 33 vii

viii Indhold 5.3 Implementering................................... 36 5.4 Test......................................... 37 5.5 Delkonklusion.................................... 37 6 Forstærker 39 6.1 Krav......................................... 39 6.2 Design........................................ 39 6.3 Implementering................................... 43 6.4 Test......................................... 44 6.5 Delkonklusion.................................... 45 7 Filter 47 7.1 Krav......................................... 48 7.2 Design........................................ 48 7.3 Implementering................................... 53 7.4 Test......................................... 53 7.5 Delkonklusion.................................... 54 8 Summationsforstærker 57 8.1 Krav......................................... 57 8.2 Design........................................ 57 8.3 Implementering................................... 59 8.4 Test......................................... 60 8.5 Delkonklusion.................................... 60 9 Analog til Digital Converter 61 9.1 Krav......................................... 61 9.2 Design........................................ 61 9.3 Implementering................................... 63 9.4 Test......................................... 63 9.5 Delkonklusion.................................... 64 10 Galvanisk adskillelse 65 10.1 Krav......................................... 65 10.2 Design........................................ 65 10.3 Implementering................................... 66 10.4 Test......................................... 66 10.5 Delkonklusion.................................... 66 11 Brugergrænseflade 67 11.1 Krav......................................... 67 11.2 Design........................................ 67 11.3 Implementering................................... 71 11.4 Test......................................... 74 11.5 Delkonklusion.................................... 74 12 Spændingsforsyning 77 12.1 Krav......................................... 77 12.2 Design........................................ 77

ix 12.3 Implementering................................... 78 12.4 Test......................................... 79 12.5 Delkonklusion.................................... 79 III Vurdering 81 13 Test af det samlede system 83 13.1 Testens forløb.................................... 83 13.2 Kalibrering..................................... 83 13.3 Dataanalyse..................................... 84 13.4 Delkonklusion.................................... 87 14 Diskussion og konklusion 89 15 Perspektivering 93 Litteratur 97 Appendiks A - B 99

0.1. Indledning 1 0.1 Indledning For mange mennesker er gang en selvfølge. Fra barnsben lærer kroppen at koordinere kropsbevægelserne og sætte det ene ben foran det andet. Balanceevnen trænes og gangen bliver efterhånden glidende, ubesværet og føles næsten automatisk. Dette skyldes, at gangmønstret efter gentagne gange bliver lagret i hjernen og derved kan genanvendes. Det er hjernen, der styrer og koordinerer alle kroppens bevægelser. Rammes hjernen af apopleksi kan det medføre alvorlige konsekvenser for gangen og alle de lagrede informationer om denne. Apopleksipatienter kan derved miste evnen til at gå.[1][2][3] Apopleksi kaldes også et slagtilfælde og dækker over patienter ramt af en hjerneblødning eller en blodprop i hjernen. Hvert år bliver ca. 12.000 patienter ramt af apopleksi og mellem 30.000-40.000 lever med følgerne heraf [3][4]. Den hyppigste årsag til apopleksi er blodpropper i hjernen, heraf ca. 85% af tilfældende. Ved en sådan blodprop er en arterie i hjernen blevet ramt af en stenose, hvorfor der opstår iskæmi. Hjernecellerne er afhængig af en konstant blodgennemstrømning med transport af ilt og næringsstoffer. Hvis gennemstrømningen af blod til en del af hjernen mindskes eller helt stopper, vil hjernecellerne dø og den pågældende del af hjernen vil ophøre med at fungere normalt.[3] 15% af apopleksitilfældende skyldes hjerneblødninger. En hjerneblødning opstår ved en blødning i hjernevævet, hvilket giver et forøget tryk på de omkringliggende arterier, fordi blodet optager plads. Trykket fra blodet kan stige indtil de hosliggende arterier mister iltforsyningen, så hjernecellerne også i dette tilfælde begynder at dø.[3] Ved apopleksi dør det iskæmi-ramte område af hjernen og dermed de lagrede informationer i dette område. Alt efter placering og størrelse af slagtilfældet er følgevirkningerne af apopleksi forskellige. Disse følgevirkninger opdeles i adskillige funktionelle og neuropsykologiske følgevirkninger: 2/3 af patienterne bliver ramt af hemiparese (halvsidig lammelse) og 50% har en eller flere neuropsykologiske følgevirkninger. Som eksempel har 40% afasi (tale- og forståelsesforstyrrelser) og 10% apraksi (forstyrrede handlesekvenser). Alt efter hvor i hjernen apopleksipatienterne med hemiparese, også kaldet hemiplegikere, er ramt af slagtilfældet, vil det være den modsatte side af kroppen, som vil være ramt af lammelsen. Figur 0.1 viser denne sammenhæng.[3][5][6] For alle apopleksipatienter kan følgevirkninger i teorien mindskes ved genoptræning, men resultatet afhænger af apopleksiens initiale sværhedsgrad. Selvom de beskadigede hjerneceller aldrig kommer tilbage, kan de resterende celler i området trænes til at overtage deres funktioner. Genoptræning er en lang og krævende proces og vil ofte involvere daglig træning med fysioterapeut, ergoterapeut og evt. neuropsykolog, støtte fra pårørende og forskellige hjælpemidler - samt viljestyrke hos patienten. Det er meget vigtigt, at genoptræningen tilpasses til hver enkel patient, idet problemerne kan være forskellig fra individ til individ. Direkte træning af funktioner er en Figur 0.1: Højre hjernehalvdel styrer venstre side af kroppen, og venstre hjernehalvdel styrer højre del af kroppen.[3]

2 Indhold strategi, der ofte anvendes ved genoptræning af afgrænsede områder som eksempelvis besværet gang. Ideen bag er, at kroppen kan genvinde en bestemt funktion ved gentagelse af en bestemt bevægelse. Det er forskelligt, om patienterne opnår fuldstændig, næsten fuldstændig eller ingen remission. Apopleksiens initiale sværhedsgrad opdeles i let, moderat, svær og meget svær. Genoptræning gavner alle uanset alder, køn, apopleksiens type og sværhedsgrad. Patienter med let apopleksi har 95% chance for remission, hvorimod patienter med moderat apopleksi har 80% chance, efterfulgt af patienter med svær apopleksi med 40% chance og til sidst kun 20% chance for fuldstændig remission for patienter med meget svær initierende apopleksi. På samme måde hænger remissionshastigheden også sammen med apopleksiens initierende sværhedsgrad. Gennemsnitligt opnåes den maksimalt mulige neurologiske remission hos 95% af patienterne inden for 11 uger efter patienten er blevet ramt af apopleksi. Figur 0.2 viser remissionshastigheden for patienter med let, moderat, svær og meget svær initierende apopleksi. Dette gælder for de neuropsykologiske følgevirkninger. De funktionelle, herunder gang, er i gennemsnit to uger længere om at blive genoptrænet til det maksimalt mulige.[7][5][3][8][9][4] Figur 0.2: Kumulerede andel (%) af apopleksipatienter, der opnår maksimalt funktionsniveau relateret til tid (uger) fra apopleksidebut.[7] Studier har vist, at forbedringerne gennem genoptræning er klart størst de første tre måneder, hvorfor genoptræningen sættes i gang hurtigst muligt. Initielt har kun 1/3 af apopleksipatienterne en selvstændig gangfunktion, men efter genoptræning har 2/3 af de overlevende patienter, en selvstændig gangfunktion. I dag opnår godt 40% af apopleksipatienter funktionel selvhjulpenhed, hvorimod de sidste 60% er afhængige af hjælp i dagligdagen. 20% af patienterne har så svær apopleksi, at de dør på hospitalet. Dødeligheden er faldet inden for de seneste årtier, hvilket skyldes at rehabiliteringsbehandlingen er blevet bedre koordineret og især specialiserede apopleksiafsnit forbedrer raten i forhold til hospitaler, hvor der ikke findes en apopleksi-rehabiliteringsenhed. På disse apopleksiafsnit foregår der et tværfagligt samarbejde mellem specialtrænede sygeplejersker, fysioterapeuter og ergoterapeuter og dette bevirker, at den enkelte patient får de bedste forudsætninger for at få behandlet sine følgevirkninger og bl.a. få normaliseret sin gang bedst muligt.[7][5][3][8][9][4] Projektgruppen har valgt at interessere sig for apopleksipatienters gangfunktion. Dermed er fokus placeret ved hemiplegikere, da det er denne undergruppe af apopleksipatienter, der er forbundet med gangforstyrelser. For at få den bedste genoptræning af gangen, er det vigtigt at vide præcist hvordan gangen afviger, så genoptræningen kan blive udført korrekt. Pro-

0.1. Indledning 3 jektgruppen er interesseret i, om det er muligt at sige noget generelt om patologisk gang: om der er nogle fællestræk, som er karakteristiske for hemiplegikere. Projektgruppen stiller således følgende initierende spørgsmål: Er det muligt at karakterisere hemiplegikeres patologiske gang? I den følgende problemanalyse vil problemstillingen blive analyseret og det vil blive forsøgt at besvare det opstillede spørgsmål. Problemanalysen vil føre til projektets problemformulering og probemafgrænsning.

Del I Problemanalyse 5

Kapitel 1 Den menneskelige gang I det følgende afsnit vil den menneskelige gang blive analyseret. Afsnittet bruger en udefra og ind -struktur ved først at se på gang som en sammenhæng og derefter gå i flere detaljer ved at opdele gangen i forskellige faser og flere bestanddele. Herefter beskrives hvordan gangen starter som bevægelsessignaler oppe i hjernens motor cortex og bevæger sig ned igennem kroppen til de resulterer i forskellige bevægelser - altsammen for at skabe en glidende gang. I afsnittet vil der blive beskrevet, hvilke muskler der er særligt aktive ved gang samt en beskrivelse af disse funktioner og vigtighed. Denne gennemgang har til formål at sætte læseren i stand til at forstå, hvad der karakteriserer normal gang, så der senere i rapporten kan tages fat på, hvordan patologisk gang afviger fra dette. Et menneskets gang er grundlæggende en kontinuerlig veksel-bevægelse af benene, hvor én fod altid er i kontakt med underlaget. Normalt er gang glidende og sammenhængende og ser ubesværet ud, men gangen består af flere faser og begivenheder som i alt giver en gangcyklus, der efterfølgende fortsætter med at blive gentaget. En gangcyklus kan f.eks. starte når højre fods hæl først rammer underlaget og fortsætter til højre hæl igen får kontakt med underlaget. Dvs. fra udgangsstilling tilbage til udgangsstilling. Ved en gennemført gangcyklus går højre fod igennem to faser: stance-fasen og swing-fasen. I løbet af stance-fasen er foden i kontakt med underlaget, hvorimod den kontralaterale fod i swing-fasen er hævet fra jorden, mens det svinger fremad og forbereder sig på, at foden igen skal have kontakt med underlaget. Figur 1.1 viser, hvordan en gennemført stance- og swing-fase ser ud. Figuren deler ligeledes stance-fasen op i tre underfaser: 1. Første dobbeltstøtte - når begge fødder har kontakt med underlaget. 2. Enkeltbens-stance - når kun den ipsilaterale fod har kontakt med underlaget er den kontralaterale fod er i swing-fasen. 3. Anden dobbeltstøtte - når begge fødder igen har kontakt med underlaget. Gang kan herudover inddeles i otte forskellige begivenheder - fem i stance-fasen og tre i swingfasen. Begivenhederne tager udgangspunkt i føddernes bevægelser og positioner. Figur 1.2 viser, hvordan begivenhederne ser ud, som her beskrives: 1. Heel-strike. Begge fødder har kontakt med underlaget: Forrest er den ipsilaterale fods hæl i stance-fasen og bagerst er tæerne fra den kontralaterale fod i swing-fasen. Hver fod 7

8 Kapitel 1. Den menneskelige gang Figur 1.1: En gangcyklus er opdelt i en stance- og swing-fase.[10] påtrykker således en kraft på underlaget. Stance-benets hofte er flexeret, mens knæet er extenderet. Kroppens tyngdepunkt er bag stance-benet, så kraften, der påtrykkes underlaget fra dette ben, er begrænset. 2. Foot-flat. Hele fodens flade har kontakt med underlaget. Kraften fra foden øges. 3. Mid-stance. Den kontralaterale fod passerer den ipsilaterale fod. Hoften extenderes og knæet flexeres svagt. I mid-stance er kroppens position yderst stabil. 4. Heel-off. Hælen mister kontakten med underlaget og det ipsilaterale stance-ben forbereder sig på at skubbe fra underlaget. Knæet extenderes mens hoften hyper-extenderes og kroppen lænes frem over stance-benet. 5. Toe-off. Dette er enden på stance-fasen, idet foden slipper underlaget og indleder swingfasen. Foden, især storetåen, påfører underlaget en sidste kraft, som er med til at sikre kroppens fremdrift. 6. Acceleration. Starten på swing-fasen begynder, når foden mister kontakten til underlaget. Det ipsilaterale bens hofte og knæ flexeres og accelerer således benet fremad. Fodens ankel dorsiflexeres for at undgå at foden rammer mod underlaget. 7. Mid-swing. Det ipsilaterale ben passerer det lodrette punkt direkte neden for kroppens midte og falder således sammen med det kontralaterale stance-bens mid-stance. 8. Deceleration. Beskriver musklernes virkning på det ipsilaterale swing-ben, der sænker dets hastighed og stabiliserer foden som forberedelse på næste heel-strike. Dette sker ved at hoften flexeres yderligere, mens knæet er extenderet. Når hælen igen rammer underlaget er fødderne tilbage ved udgangsstillingen og en gangcyklus er gennemført. De otte begivenheder i gangcyklusen kan ses på figur 1.2, der også viser en procentsats for stance- og swing-fasen. Disse værdier angiver, hvor lang tid det enkelte ben normalt bruger i de to faser ud af tiden brugt på en hel cyklus.[10][11] Ovenfor er gang blevet inddelt med fokus på bevægelse og position af fødderne i forhold til den samlede gangcyklus, som ses i forhold til tiden. En anden måde at se på gangen kan være ved at se på en persons fodaftryk, som giver gode mål for gangs længde-parametre. En sådan

1.0.1. Baggrund for gang: Fra signal i hjernen til muskelsammentrækning 9 Figur 1.2: Figuren viser underbenenes placering og bevægelser til de i alt otte forskellige begivenheder i stance- og swing-fasen.[10] parameter er stride-length, der angiver en persons tilbagelagte afstand ved en stride(eller gangcycklus). Stride-length kan måles som afstanden fra første heel-strike til anden heel-strike fra den samme fod. En stride kan inddeles i venstre og højre step-length, der sammenlagt giver en stride. Figur 1.3 viser disse længde-parametre og angiver samtidig en anden parameter, nemlig step-width, som angiver midterafstanden mellem fødderne. Ydermere viser figuren en foot angle, som angiver fodens vinkel i forhold til fremdriftsretningen og dette beskriver således et bens indre eller ydre rotation.[10] Figur 1.3: Figuren viser en persons fodaftryk, hvorudfra nye gang-parametre om længde kan tilføjes ganganalysen.[10] 1.0.1 Baggrund for gang: Fra signal i hjernen til muskelsammentrækning Gangen er blevet inddelt i faser og begivenheder. Følgende beskriver hvordan en bevægelseskommando i hjernen omdannes til effektfuld sammentrækning af en af kroppens muskler. Følgende underafsnit beskriver derfor overordnet, hvordan forskellige processer i hjernen danner et bevægelsessignal, som baner sig vej gennem kroppens nervesystem og bliver til en bevægelse i en udvalgt muskel.

10 Kapitel 1. Den menneskelige gang Cerebrum (storhjernen) består af to symmetriske hjernehalvdele kaldet hemisfærer. En storhjernehemisfære er underopdelt i de fire hjernelapper: Pandelappen, isselappen, tindingelappen og nakkelappen. Alle kroppens bevægelser har deres oprindelsespunkt på pandelappen, som er placeret forrest på den cerebrale hemisfære. På pandelappen sidder primary motor cortex og premotor cortex som vist på figur 1.4. Disse arbejder sammen om at styre kroppens frivillige bevægelser. Primary motor cortex indeholder neuroner, som er forbundet til forskellige muskler, men primary motor cortex kan intet udrette alene. Neuronerne i primary motor cortex skal stimuleres af neuroner fra andre steder i cerebrum. Disse stimuleringer bliver formidlet af premotor cortex, som på den måde står for koordineringen. Når en bevægelse med dertilhørende muskelsammentrækninger er blevet gentaget tilstrækkeligt mange gange, bliver det nødvendige stimuleringsmønster lagret i premotor cortex. Denne evne Figur 1.4: Et lateralt billede af hjernen. Figuren viser placeringen af primary motor cortex, premotor cortex og supplementary motor area, hvoraf sidstnævnte er særligt aktiv ved planlægning af mere komplekse bevægelser som ved bevægelse af bægge hænder samtidig.[12] til at lagre stimuleringsmønstre gør det muligt at udføre mere glidende og ubesværede bevægelser, i forhold til at skulle stimulere hvert enkelt neuron.[1, kap. 14][13] Som nævnt skal neuronerne i primary motor cortex stimuleres fra andre steder i cerebrum alt efter hvilken muskel, der skal aktiveres. Figur 1.5 viser, hvor på pandelappens motor cortex kroppens lemmer styres. Afhængigt af hvor meget plads de forskellige lemmer optager, som indikeret ved homunculus på figur 1.5, vil motor cortex kunne bevæge lemmerne finere og mere præcist. Størrelsen på de forskellige kropsdele er ikke proportionale med den plads de optager i hjernebarken. Den ekstra hjernekapacitet, der eksempelvis benyttes til munden og hænderne, gør det muligt at udføre komplicerede bevægelser såsom tale og finmotorik. Det er stadig muligt at udføre komplicerede bevægelser med andre legemsdele, da den andel af hjernebarken, der varetager den pågældende legemsdel, kan udvide sit område på hjernebarken, hvis den stimuleres med tilstrækkelig træning. Denne evne kaldes hjernens plasticitet og udnyttes eksempelvis ved Figur 1.5: Oversigt over hvor forskellige legemesdele er styret fra i motor cortex.[12] genoptræning af patienter, der har mistet evnen til at udføre en bestemt handling. Ved genoptræning af patienter med en hjerneskade, kan disse patienter træne en anden del af hjernebarken til at varetage den pågældende handling.[12][1, kap. 14] Andre områder i hjernen kan have en indirekte effekt på styringen af muskler. Det er eksempelvis muligt for cerebellum (lillehjernen) at finjustere bevægelser og korrigere for eventuelle

1.0.2. Aktive muskler under gang 11 fejl, ved at tage højde for forandringer i det miljø kroppen bevæger sig i. Dette gør den udfra de sensoriske input den modtager via høre-, syns- og følesansen. En skade på cerebellum kan medføre upræcise bevægelser i f.eks gangen samt gøre musklerne svage.[1][12] Et bevægelsessignal er en lille elektrisk impuls kaldet et aktionspotentiale. For at et aktionspotentiale kan sendes fra pandelappens neuroner til musklerne, er det nødvendigt at inddrage det centrale nervesystem (CNS). Udover at være forbundet med hjernen forgrener CNS sig ned langs rygmarven i rygsøjlen. Når primary motor cortex udsender aktionspotentialer via neuroner for at give besked til en bestemt muskel, bevæger aktionspotentialet sig gennem CNS ned til rygmarven, hvor såkaldte motor-neuroner sørger for at sende aktionspotentialet videre. Motorneuronerne leder aktionspotentialet gennem det perifere nervesystem (PNS), som deles op i en afferentog efferent afdeling. Den afferente afdelings opgave er at aflevere sanseinformationer til CNS, hvorimod den efferente afdeling sørger for at aflevere bevægelsessignaler til muskler. Den efferente afdeling deles igen op i det somatiske nervesystem (SNS) og det autonome nervesystem (ANS), hvor SNS styrer skeletmuskelsammentrækninger og ANS styrer glatmuskulatur og hjertet. Motor-neuroner er altså forbundet til musklerne via SNS, som er en del af det efferente PNS. Sammenfattende viser figur 1.6 bevægelsessignalets vej fra neuron i pandelappen til bevægelse.[1][12] Figur 1.6: Figuren viser et bevægelsessignals vej fra primary motor cortex i cerebrum til muskelbevægelse via det perifere nervesystem.[10] 1.0.2 Aktive muskler under gang I det følgende beskrives nogle af de muskler, som spiller en vigtig rolle i menneskets gang. Det kan være en omfattende opgave at beskrive alle de aktive muskler i menneskets gang, fordi de mange forskellige muskler i hvert ben alle har en større eller mindre indflydelse på gangen. Musklerne deles op i tre funktionsgrupper: 1. Muskler til bevægelse af låret 2. Muskler til bevægelse af underbenet 3. Muskler til bevægelse af foden og tæerne. I hvert ben findes der 15 muskler til bevægelse af låret, 9 muskler til bevægelse af underbenet og 7 muskler til bevægelse af foden. Dette gør en fuld beskrivelse af gangens muskelsammensætning og virkning kompleks. Den følgende beskrivelse af de aktive musklers primære funktion ved gang, vil derfor være begrænset til de største og vigtigste muskelgrupper. Følgende muskler/muskelgrupper er derfor valgt ud: 1. Gluteus maximus - primær muskel for extentsion og lateral rotation af hoften.

12 Kapitel 1. Den menneskelige gang 2. Gluteus medius - bidrager med abduktion og medial rotation af hoften. 3. Adductor magnus - skaber enten adduktion og flexion eller adduktion og extension af hoften, alt efter hvordan musklen stimuleres. 4. Quadriceps femoris - sammensat af fire muskler; de tre vastus muskler og rectus femoris-musklen. Flexerer hovedsagligt knæet men assisterer også med flexion af hoften. 5. Haserne (eng. hamstrings) - sammensat af biceps femoris, semimembranosus og semitendinosus. Sammentrækning af disse kan give flexion af knæet og extension af låret 6. Tibialis anterior - udfører dorsiflexion af anklen. 7. Triceps surae - sammensat af den tohovede gastrocnemius og soleus. Skaber plantarflexion ved anklen og medial rotation af foden Disse syv muskelgrupper er groft placeret jf. nummereringen ovenfor på figuren 1.7. Denne figur viser muskelaktiviteten af de valgte muskler ved de tidligere gennemgåede begivenheder i gang. En muskel med mørk farve er mest aktiv, en skraveret er middel aktiv og en hvid muskel er i hvile. Figur 1.7: Figuren viser de syv udvalgte muskler/muskelgruppers aktivitet ved otte vigtige gangbegivenheder. Figuren viser både en posterior og lateral vinkel af gangpositionerne.[10] Udfra figuren kan det ses, at de fleste af de store muskler er aktive ved eller omkring både heel-strike og toe-off. Det er her, at kroppen er ved at flytte vægten fra fod til fod og benene er i deceleration- eller accelerationsperioden. Når et menneskets gang observeres, er det under mid-stance og mid-swing, at kroppen bevæger sig mest. Alligevel er det under disse to begivenheder, at de fleste muskler (bortset fra gluteus medius og triceps surae i stance-fasen og tibialis anterior under swing-fasen) er i hvile. Under mid-stance arbejder gluteus medius med at trække hofte indad mod midten af kroppen for at stabilisere kroppen, når det modsatte ben er i swing-fasen. Samtidig er det triceps suraes opgave at undgå overdreven dorsiflexion af anklen og gøre klar til at skubbe personen fremad. På det svingende ben sørger tibialis anterior for tilstrækkelig dorsiflexion, så tæerne ikke kommer til at slæbe langs jorden. [1][10]

1.1. Kræfter under gang 13 1.1 Kræfter under gang Dette afsnit beskriver de kræfter, som er forbundet med ganganalyse, herunder især ground reaction force (GRF). Herefter følger et afsnit med fodens knogleopbygning og dernæst et afsnit om anatomiske landemærker for vertikal GRF. Kraft kan beskrives som en vektor med en størrelse og en retning. Ifølge Newtons tredje lov optræder kræfter altid i par, som er modsatrettede. Derfor vil en person, som står på gulvet, eksempelvis påføre gulvet en kraft (aktionskraft) og netop denne kraft vil korrespondere med kraften, som leveres tilbage til personen fra gulvet (reaktionskraft). Denne kraft kaldes GRF.[14] GRF er en tredimensionel kraft, som kan opdeles i en vertikal og to horisontale kræfter. Ved normal gang korresponderer den vertikale GRF med en reaktions-kraft på størrelse med den nedadgående kraft, som benet påfører gulvet. De horisontale kræfter er forskydningskræfter i form af friktion og kan deles op i en anterioposterior -retning og en mediolateral -retning. Den horisontale kraft med anterioposterior -retning kan virke enten forlæns eller baglæns, alt efter om foden lander på eller sætter af fra underlaget. Uden denne friktionskraft ville foden glide forlæns så snart den fik kontakt med underlaget, ligesom det er tilfældet på f.eks. isbelagte overflader. Den horisontale friktionskraft med mediolateral -retning opstår pga. fodens naturlige rotation i disse retninger under gang.[15] Figur 13.3 viser en graf med den vertikale reaktions-kraft og den horisontale anterioposterior - Figur 1.8: Standardiseret GRF-graf for normal gang.[2] friktionskraft, som de ser ud for en fod igennem stance-fasen ved normal gang. På figuren starter gangcyklusen med heel-strike. Her stiger den vertikale kraft til en topværdi, der er større end kropsvægten, fordi foden rammer underlaget med en vis fart, der er opnået efter afsættet i forbindelse med fodskiftet. Efter heel-strike flexerer knæet under mid-stance og den vertikale kraft aftager og bliver mindre end kropsvægten. Inden toe-off aktiverer kroppen plantar-flexions-musklerne omkring anklen, så foden får et afsæt. Dette giver udslag i, at den vertikale kraft igen stiger og bliver større end kropsvægten. Herefter falder den pågældende fods afsatte vertikale kraft til nul, idet foden påbegynder sin swingfase og den kontralaterale fod overtager kroppens vægt. Modsat den vertikale kraft, bliver den horisontale kraft negativ ved heel-strike. Dette antyder at underlaget påfører foden

14 Kapitel 1. Den menneskelige gang en friktionskraft i posterior retning. Omkring mid-stance bliver den horisontale kraft positiv, fordi underlaget påfører foden friktionskraft i anterior retning omkring afsættet.[15] Det er væsentligt at vide, at kraften under foden ikke er ligeligt fordelt og derfor varierer afhængigt af, hvor på foden denne måles. Derfor beregnes gennemsnittet af kræfterne, så GRF kan udtrykkes som én kraft i et punkt. Dette punkt bliver kaldt for center of pressure (COP), se figur 1.9. Normalt er COP omkring 5-6 cm ventral for ankelleddet ved almindelig stand uden fremdrift og kommer sjældent dorsalt for anklen. COP vil på figur 13.3 starte ved hælen, idet det er hælen, der først rammer underlaget. Herefter vil COP bevæge sig fremefter mod stødpuderne og tæerne til foden slipper underlaget.[15][16] Figur 1.9: Øverst: Den normale kraftfordeling under foden ved kontakt med underlag. Nederst: Pilen viser placeringen af COP ved stilstand. Under gang er COP dynamisk, dvs flytter sig alt efter hvilken del af foden, der har kontakt med underlaget.[16] Ud over GRF påvirkes gang betydeligt af interne og eksterne kræfter. De interne kræfter kan være muskelsaktiviteter, ligamenter og friktioner i muskler og kroppens led. Når et ben løftes, danner de kontraherende muskler eksempelvis en opadgående kraft. Ligamenter og friktioner vil i tilfældet begrænse bevægeligheden ved at korrespondere med en reaktions-kraft. Eksterne kræfter findes i omgivelserne og kan komme fra et andet legeme eller objekt, eksempelvis vindmodstanden eller tyngdekraften, som påvirker alle kroppens dele. Ved ganganalyse kan denne påvirkning fra tyngdekraften erstattes af en samlet kraft som virker i et enkelt punkt kaldet center of mass (COM). COM er dynamisk og flytter sig alt efter ændringer i kroppens position, som vist på figur 1.10. For at opnå en så energibesparende gang som muligt, skal COM bevæge sig fremad i en så lige linje som muligt. Hvis COM afviger fra denne rette linje, vil personen svinge fra side til side i gangen.[17][18] Projektionen af COM på jorden kaldes center of gravity (COG). Det er vigtigt for balancen, at COG er inden for kroppens base of support, som er der, hvor fødderne har kontakt med underlaget. Ved gang lænes kroppen forsætligt forover til en ustabil (faldende) situation, indtil musklerne på det ipsilaterale ben aktiveres og benet placeres, så balancen genoprettes og faldet undgås. Denne type gang kræver meget lidt energi at opretholde, fordi gangens fart og tyngdekraften bruges til at sikre fremdriften.[17][18] Figur 1.10: Placeringen af COM i kroppen og punktets bevægelse under gang.[18]

1.1.1. Fodens knogleopbygning 15 1.1.1 Fodens knogleopbygning Nedenstående afsnit beskriver fodens opbygning, samt hvordan trykket fordeler sig under foden ved normal gang. Denne viden er nødvendig for at kunne karakterisere, hvordan normal og patologisk gang er forskellige fra hinanden ved kraftfordeling. Fodens knogleopbygning bliver gennemgået ud fra figur 1.11, der både viser fodens knogler fra en superior og en medial vinkel. Hælknoglen calcaneus støder op til talus, cuboid-knoglen og den naviculare knogle, hvoraf sidstnævnte hænger sammen med de tre kileknogler (cuneiform knogler). Herefter sidder de fem lange metatarsal-knogler og endeligt sidder tåknoglerne, som for hver tå består af mellem 2-3 knogler (proximal, medial og distal tåknogle).[1] Figur 1.11: Fodens knogleopbygning fra en superior og medial vinkel.[1] I forbindelse med GRF-analyse er det ofte målet at finde ud af, hvordan et individ fordeler kraften fra kropsvægten gennem forskellige områder på foden over en given tid som f.eks. en hel stance-fase i en gangcyklus. I et forsøg fra Japan var formålet at se, hvordan trykket forskellige steder på foden ændrede sig når testpersonens ganghastighed ændredes [19]. Figur 1.12 A viser placeringen af fem sensorer på forsøgspersonens fod: (a) hælen, (b) 5. metatarsal, (c) 3. metatarsal, (d) 1. metatarsal og (e) storetåen. Som vektor X angiver på figuren, blev transducer (b) og (d) anvendt til at detektere trykskift fra den laterale til den mediale side af foden og vektor Y til posterioanterior trykskift via transduceren på hælen og transducer (c). Forsøget viste, at ved forsøgspersonens normale gang på 2 km/t landede hælen først, 84 ms senere rørte 5 metatarsal, derefter 3. metatarsal ved 108 ms, så 1. metatarsal ved 176 ms og endeligt storetåen 196 ms efter heel-strike. Denne kontaktrækkefølge blev

16 Kapitel 1. Den menneskelige gang Figur 1.12: (A) viser placeringen af de fem sensorer. (B) viser kraftkurver for de fem målepunkter ved hastigheder på 2, 4 og 8 km/t.[19] observeret for alle ganghastighederne. Figur 1.12 B viser repræsentative kraftkurver fra 10 målinger på de fem transducere ved hastighederne 2, 4 og 8km/t. Kraftkurven for hælen ved heel-strike viser en skarpere stigning ifht de fire andre målepunkter ved alle ganghastigheder. På de fire andre målepunkter er stigningen relativt langsom, og top-værdierne indtræder i modsætning til målepunktet på hælen først sidst i stance-fasen.[19] 1.1.2 Anatomiske landemærker for vertikal ground reaction force Der er forskel på, hvor stor GRF foden bliver påført på forskellige punkter under gang. Dette afsnit beskriver denne forskel og fastsætter hvilke punkter under foden, der bliver påført mest vertikal GRF under gang. I Schweiz lavede en forskergruppe et forsøg med det formål at bestemme tryk- og kraftfordelingskarakteristika under en normal fod i løbet af toe-off fasen i gang. [20] Forsøgets 42 testpersoner blev undersøgt med et system, der kunne måle med 2736 sensorer under foden og foretage 50 scanninger per sekund i hele stance-fasen. Foden blev inddelt i 10 interesseområder, se figur 1.13, hvor alle kræfterne blev beregnet ud fra de målte trykværdier. Jf forsøgets formål, var det kun data fra interesseområderne på den forreste del af foden (8 ud af 10 interesseområder på hele foden), der blev anvendt til videre analyse og derfor også kun data fra denne del, som bliver berettet om her. I litteraturen er det dog kendt, at hælen (calcaneus) er et vigtigt målepunkt til detektering af heel-strike i stance-fasen og bliver påført en betydelig vertikal GRF under gang [21][19], hvilket figur 1.12 også viser. De otte interesseområder svarer til de otte målepunkter, som er angivet i tabel 1.1, hvor metatarsalhoved 1-5 (MTH1-MTH5) findes distalt på metatarsalknoglen (1.11). MTH1 sidder posterior for storetåen og MTH5 sidder posterior for lilletåen. Som trykværdierne i tabellen viser, afsætter

1.1.2. Anatomiske landemærker for vertikal ground reaction force 17 Figur 1.13: Foden er inddelt i 10 interesseområder.[20] Målepunkt Gennemsnitsværdi (kpa) Resultatområde (kpa) MTH1 372,8 145-1180 MTH2 435,2 80-1220 MTH3 340,7 40-655 MTH4 213,5 35-425 MTH5 128,5 0-335 Storetå 462,4 170-1140 Tå 2 214,9 30-520 Tæerne 3-5 139,6 10-335 Tabel 1.1: Resultattabel fra en Schweizisk undersøgelse af trykkraft under foden ved normal gang. Tabellen angiver gennemsnitsværdier fra udvalgte målepunkter samt resultatområdet for de målte værdier.[20] storetåen det største tryk i fodens afsæt (anden topværdi på kurven figur 13.3) efterfulgt af trykket fra MTH2 og tæt derefter trykket fra MTH1. Pga. den store spredning på de målte værdier, er det vigtigt at være kritiske overfor gennemsnitsværdier især fra MTH2, men også andre undersøgelser viser, at MTH2 bærer en stor del af vægten i den forreste del af foden ved toe-off. Undersøgelsen viste desuden, at vægten på den laterale del af foden faldt, når vægten på den mediale del steg. Det er derfor vigtigt at måle både medialt og lateralt på foden, idet trykfordelingen på foden kan variere fra person til person.[21][19]

18 Kapitel 1. Den menneskelige gang 1.2 Kinematik Udtrykket kinematik bruges til at beskrive de bevægelser, der sker i kroppen ved f.eks. gang. Kinematik ser fuldstændigt bort fra de indre og ydre kræfter, der er med til at lave gangbevægelserne.[2] Ved beskrivelse af kinematik bruges tre forskellige variable, nemlig position, hastighed og acceleration. Deles kroppen i 15 segmenter (fødder, ben, lår, overarme, underarme, hænder, hoved, overkrop og bækkenet) rummer kroppen i alt 135 variabler, som kan anvendes til en fuldstændig beskrivelse af en gangcyklus. De 135 variable kaldes absolutte og ud fra dem kan relative variable beregnet, som giver ledvinklerne og vinkelhastigheden.[2] For at undgå en for omfattende beskrivelse med for mange variable, begrænser følgende afsnit sig til at fokusere på den nederste del af kroppen i gang. Således deles kroppen op i syv segmenter (fødder, ben, lår og overkroppen), som svarer til 63 variable[2]. Ved en kinematisk beskrivelse, hvor de 63 variable bestemmes, vil det være muligt at konstruere en lang række grafer, hvor forskellige led og positioner er i fokus. Som eksempel viser figur 1.14, hvordan ledvinklerne ved knæ, hofte og ankel ændres ved forskellig kadence. I forsøget blev middelkadencen, altså den normale ganghastighed, målt til 105 ± 6 skridt/minut, hvor de hurtigst- og langsomst-gående forsøgspersoner havde hhv. 20 skridt/minut mere eller mindre end normalen, se figur 1.14.[2] Figur 1.14: Figuren viser ledvinklen ved langsom, normal og hurtig kadence ved hhv. hofte, knæ og ankel samt en sidste graf hvor resultaterne er lagt sammen. [2] Den fuldtoptrukne linje på de tre første kurver viser gennemsnittet af målingerne, hvorimod de stiplede linjer angiver yderpunkterne ved målingerne. På graferne viser den øverste kurve forandringen i hoftens ledvinkel, den midterste viser forandringen i knæets ledvinkel og den nederste kurve viser forandringen i anklens ledvinkel. Den fjerde graf viser som sagt forskellen. Nederst ses en meget snæver forskel på anklens ledvinkel, hvorimod knæet og hoftens ledvinkel viser en lidt større forskel fra langsom til hurtig kadence.[2] I studiet af den menneskelige gang anvendes kinematiske data, som ofte indeholder mange detaljerede og nøje beskrivende målinger af ledvinkler under gang, til at vurdere hvordan en normal gangcyklus ser ud. Som figur 1.15 viser, kan kinematiske data om gang og positur bruges til at vurdere, hvornår i en gangcyklus testpersonen er mest skrøbelig. Normalt er

1.2. Kinematik 19 den mindste afstand i swing-fasen fra gulvet til tåen 0,55 cm og farten 4,6 m/s. På dette tidspunkt ligger al støtten på støttefoden.[2] Figur 1.15: Kroppens positur når afstanden fra tå til gulv er mindst i en swing-fase.[2] COG på figur 1.15 er placeret ved eller foran storetåen på støttefoden, så personen er afhængig af at foden i svingfasen svinges frem og bruges til at genvinde balancen. En meget lav forhindring kan derfor resultere i, at personen snubler, idet svingbenet således aldrig når frem og hjælper med at genvinde balancen. En kendt følgevirkning af apopleksi er dropfod. Dropfod er karakteriseret ved, at patienten ikke er i stand til at løfte tæerne fri fra underlaget under gang. Under gangen lander patienten først med forfoden i stedet for hælen, og dette gør personen meget sårbar overfor faldulykker. Personer med dropfod forsøger ofte at kompensere for dette ved at øge afstanden til gulvet, hvilket uddybes i næste afsnit.[2][22]

20 Kapitel 1. Den menneskelige gang 1.3 Patologisk gang Patienter med hemiparese viser almindeligvis en afvigelse i kinematikken i forhold til normal gang. Målet her i afsnittet er at forklare, hvilke konsekvenser disse afvigelser har for patienten. For en begrundet årsag til disse kinematikse afvigelser henvises til kilderne:[23][24]. Da der findes mange kinematiske afvigelser specificeres kun de væsentlige. En væsentlig afvigelse er en afvigelse, som kan forringe gangudførelsen markant. Typiske væsentlige afvigelser i stance-fasen er: Formindsket maksimal hofte-extension i late-stance. Formindsket eller forøget maksimal lateral bækken-forskydning. Formindsket eller forøget knæ-extension før eller i mid-stance. Formindsket plantarflexion ved toe-off. I swing-fasen er de typiske væsentlige afvigelser: Formindsket maksimal hofte-flexion. Formindsket maksimal knæ-flexion. Formindsket knæ-extension for heel-strike. Formindsket ankel-dorsiflexion. Afsnittet sammenligner disse afvigelser i forhold til langsom kadence, da patienter med hemiparese normalt går langsommere efter deres hændelse.[23][24] 1.3.1 Stance-fasen Nedsat hofte-hyperextension er en almindelig kinematisk afvigelse hos patienter med hemiparese. Normalt hyperextenderes hoften i slutningen af stance-fasen for at forskyde overkroppen frem mod stå-benet og derved bidrage til den kontralaterale skridtlængde. Afhængig af hvilken årsag afvigelsen skyldes, udnytter patienter med hemiparese forskellige gangstrategier: De roterer overkroppen usædvanligt meget fremad i late-stance-fasen for at øge den kontralaterale skridtlængde en smule. De undgår at lade COM komme for langt anterior for anklen. De forsøger at begrænse hofte-hyperextensionen. [23] En anden almindelig afvigelse er forøget eller formindsket lateral bækken-forskydning. Ved normal gang er fødderne placeret en smule forskudt i forhold til hinanden, altså med en given step-wídth forskellig fra 0. Hvis balancen skal holdes er det nødvendigt, at kroppen forskyder sig side til side over mod stå-benet, så COM holder sig indenfor basen. Denne bevægelse kan nemt observeres på bækkenet i stance-fasen. Afhængig af hvilken årsag afvigelsen skyldes, udnytter patienter med hemiparese forskellige gangstrategier: De ændrer deres gang på en måde, så en lateral bækken forskydning undgås.

1.3.2. Swing-fasen 21 De øger deres step-width, så COM ikke kommer ud af basen eller lateral til foden. De bøjer overkroppen til siden hastigt mod den afficerede side, for at forskyde overkroppens COM mod benet vægten står på. De tillader at bækkenet forskydes usædvanligt meget lateral, indtil vævet passivt holder den tilbage. Derved efterfølger en kontralateral hofte-flexion af overkroppen mod den ikke afficerede side for at holde COM over basen. [23] Knæ-hyperextension er en af de mest almindelige kinematiske afvigelser blandt patienter med hemiparese. Den skyldes ofte en kompensation for en formindsket styrke i knæets extensionsmuskler. For at kunne præstere enkeltbens-stance uden knæets extensionsmuskler på det afficerede ben, extenderes knæet vha. lårets vægt og flexion i hoften hvor overkroppen bøjes frem. Derved forskydes COM for låret og overkroppen anterior for knæet, som herved bliver extenderet og i nogle tilfælde hyperextenderet. Passive strukturer og væv i knæet forhindrer, at knæet kollapser og på denne måde kan denne strategi bruges som kompensation for knæets extensionsmuskler.[23] Usædvanligt meget knæ-flexion blandt patienter med hemiparese er også almindeligt. Knæets flexion kan formindske den kontralaterale step-length, medmindre denne er kompenseret på en anden måde.[23] Blandt patienter med hemiparese ses tillige ofte en formindsket ankel-plantarflexion ved toe-off. Normalt hjælper plantarflexion med dynamikken og fremdrivningen af COM. Disse patienter kan ikke få COM tilstrækkeligt anterior for anklen på det tidspunkt, hvor plantarflexion er stærkest. Derfor skubbes benet tilbage istedet for at løfte hælen op og dette besværliggører fremdriften af kroppen. Af denne grund undgår nogle patienter plantarflexion lige før toe-off.[23] 1.3.2 Swing-fasen Patienter med hemiparese indikerer formindsket eller forøget maksimal hofte-flexion i swingfasen. Benets svingning afhænger blandt andet meget af hoftens extension i late-stance. Patienter bruger afhængigt af årsagen gangstrategier såsom at bøje overkroppen og bækken bagover i slutningen af swing-fasen, hvor dette hjælper dem med at få den svingende fod foran hoften og derved forlænge deres step-length. Det er muligt at patienten dorsiflexerer den kontralaterale ankel og flexerer det kontralaterale knæ usædvanligt meget for yderligere at øge deres step-length. Hvis patienten har problemer med at extendere knæet, udnytter patienten en anden gangstrategi, som går ud på at øge hofte-flexionen i slutningen af swingfasen for at øge step-length.[24] Nedsat maksimal knæ-flexion i swing-fasen er ikke usædvanligt. Patienter, der mangler evnen til at flexere knæet tilstrækkeligt i starten af swing-fasen, skraber foden hen ad gulvet i swing-fasen. For at kompensere for dette bruger disse patienter en gangstrategi, som går ud på at øge afstanden mellem gulvet og foden, f.eks. ved at hæve bækkenet i det svingende bens side. Dette medfører, at overkroppen bliver bøjet kontralateralt.[24] Indimellem har patienter med hemiparese formindsket knæ-extension før heel-strike. Hvis knæet ikke extenderes i slutningen af swing-fasen vil patientens step-length forkortes bety-

22 Kapitel 1. Den menneskelige gang deligt, medmindre det er kompenseret for med en gangstrategi. Afhængig af årsagen kan gangstrategier fokusere på at øge kadancen, extendere den kontralaterale hofte usædvanligt meget eller flexere det kontralaterale knæ i stance facen usædvanligt meget.[24] Formindsket ankel-dorsiflexion eller dropfod, er et almindeligt problem blandt patienter med hemiparese. Normalt plantarflexerer anklen før toe-off og ved ca. 66 procent af gangcyklusen dorsiflexerer anklen en smule indtil heel-strike. Hvis anklen ikke dorsiflexerer, rammer foden gulvet idet hoften flexerer og knæet extenderes. Patienter kompenserer for dette ved at bruge en gangstrategi, hvor afstanden mellem foden og gulvet øges som beskrevet under nedsat knæ-flexion.[24]

Kapitel 2 Problemformulering Hvert år rammes 10.000-12.000 patienter af apopleksi, hvoraf 2/3 bliver gangbesværet på grund af hemiparese[3][5]. Hemiparese rammer apopleksipatienten hvis det område i hjernen, som er ansvarlig for lagring af bevægelser, bliver beskadiget. Det er hjernens plasticitet, der er afgørende for, om genoptræning af gangen er muligt, idet andre hjerneceller uden for det ramte område kan trænes til at overtage de beskadigede hjernecellers funktion.[1]. En tabt funktion kan genindlæres et nyt sted i hjernen ved at lave den mistede bevægelse gentagne gange. Det er vigtigt for en patients genoptræning, at træning er målrettet ifht. den enkelte patients individuelle bevægelsesproblemer, da patologisk gang er forskellig alt efter hvor i hjernen og hvor stort et område, der er ramt. Studier viser, at forbedringer af gang er størst de første tre måneder, hvorfor genoptræningen bør sættes i gang hurtigst muligt. Skal genoptræningen effektiviseres, er det nødvendigt at klarlægge de specifikke funktioner, der skal genoptrænes, hurtigst muligt.[7] Indenfor ganganalyse anvendes begrebene COG, COM, COP samt GRF, der beskriver den kraft, som gulvet påvirker gangen med. Ved ganganalyse anvendes også kinematik, som fokuserer på måling af ledvinklerne under gang og herudfra vurderer, om og i givet fald hvorledes den pågældende gang afviger fra normen. Disse begreber anvendes til at analysere den menneskelige gang. Patologisk gang kan afvige fra normal gang på adskillige måder. I litteraturen bygger disse observationer på den viden og de værktøjer beskrevet i problemanalysen. Det kan derfor konkluderes, at hemiplegikeres patologiske gang er karateriserbar. Projektgruppen er interesseret i, hvordan denne karakterisering af hemiplegikeres patologiske gang kan opnås, ved at analysere den vertikale komponent af GRF ved gang. Dette har ført til nedenstående problemstilling: Er det muligt at udvikle et system, der ved hjælp af måling på den vertikale komponent af GRF kan hjælpe genoptræningspersonalet med at analysere, hvorledes hemiplegikeres patologiske gang afviger fra normen? Kan det udviklede system anvendes til at detektere hvilke gangbegivenheder, der indtræder på hvilke tidspunkter og med hvilken kraft dette sker? 23