Bewegingsanalyselaboratorium: voedingsbodem voor zorginnovaties

Hoe loopt een mens zonder om te vallen? (Hoe) optimaliseert een mens bewegingen? Kun je de belasting op gewrichten verlagen met een inlegzool of looptraining? Kun je voorspellen of een kind na operatie opnieuw een klompvoet zal ontwikkelen? Wanneer is een voetballer met kruisbandletsel weer klaar om terug te keren naar de sport? Het is dit type vragen dat aanleiding is om meer te weten te komen over achterliggende processen bij de ontwikkeling en controle van motorische vaardigheden.

Met het meten van bewegingen, krachten, spieractiviteit en energieverbruik kunnen we de motorische competentie gedetailleerd bestuderen en intrinsieke factoren identificeren die bijdragen aan herstelprocessen (Roggio et al, 2021). Hierbij is het van belang om zowel de gezonde als aangedane mens te onderzoeken; de combinatie van deze twee kan leiden tot een beter begrip van de oorzaken van beperkingen in beweging bij patiënten en kan helpen bij het ontwikkelen van effectieve revalidatiestrategieën.

Bewegingsanalyse kan ook worden gebruikt om de voortgang van revalidatie te monitoren. Door regelmatig te meten gedurende de revalidatie wordt inzichtelijk in hoeverre patiënten vooruitgang boeken en of de behandeling moet worden aangepast. Optimalisatie en/of individualisatie van behandeling kan leiden tot een sneller herstel en een betere kwaliteit van leven voor patiënten (WHO, 2023; Tech for Good, 2021).

Daarnaast kan bewegingsanalyse blessures helpen voorkomen. Door te begrijpen hoe het bewegingsapparaat zich tijdens verschillende activiteiten houdt onder invloed van belasting, en welk spier- en energieverbruik hiermee gepaard gaan, kunnen risicofactoren voor blessures worden geïdentificeerd. Bewegingsanalyses kunnen leiden tot specifieke, individueel gebonden preventieve maatregelen om blessures te voorkomen.

Bewegingsanalyse biedt dus veel meerwaarde voor revalidatie. Het maakt achterliggende processen bij motorische vaardigheden inzichtelijk, helpt voortgang van revalidatie te monitoren, kan blessures helpen voorkomen en draagt bij aan het toepassen en ontwikkelen van effectieve revalidatiestrategieën. Het bewegingslab binnen Fontys Paramedisch (fysio- en podotherapie, logopedie, Mens en techniek – orthopedische (schoen)technologie en medische beeldvorming en radiotherapeutische technieken) is een broedplaats van innovatie, waar het gehele instrumentarium wordt gebruikt door multidisciplinaire teams die werken aan vraagstukken uit de praktijk ten behoeve van de praktijk.

Het instrumentarium van het bewegingslab

Het bewegingslab van Fontys Paramedisch richt zich op onderzoek en onderwijs in samenwerking met het werkveld. Het lab biedt een breed scala aan meetinstrumenten, waaronder hoogwaardige en gebruikersvriendelijke instrumenten voor de registratie van bewegingen, krachten, spieractiviteit, ademgasanalyse en medische beeldvorming. Een deel van het instrumentarium kan worden geïntegreerd tot één systeem voor het vastleggen van een rijke databundel. Het doel is om paramedisch professionals op te leiden, om kritisch te reflecteren op hun eigen handelen, wetenschappelijke inzichten te implementeren en bij te dragen aan praktijkgericht onderzoek.

Kinematica: 2D/3D-bewegingsregistratie

Bij het bestuderen van bewegingen gebruiken we high speed videocamera’s en markers op gewrichtscentra om geautomatiseerd gewrichtshoeken, afstanden, (hoek)snelheden en (hoek)versnellingen te meten. Tweedimensionale bewegingsregistratie is snel, goedkoop en gemakkelijk te interpreteren, maar is ontoereikend voor complexe bewegingen die zich in meer dan een vlak manifesteren, of waarbij een hele keten van gewrichten is gemoeid.
In het lab gebruiken we daarom vaak 3D-bewegingsregistratie om een gedetailleerder analyse van bewegingen mogelijk te maken en bewegingen in drie dimensies vast te leggen en te analyseren. We hebben twee technieken tot onze beschikking: een infraroodsysteem waarbij infrarood LED-lampjes op het lichaam worden geplaatst, en een videosysteem waarbij machinelearning de beelden van acht high speed camera’s vertaalt naar een volwaardige 3D-analyse. Beide systemen leveren per gewricht bewegingsuitslagen, weergegeven in 3 dimensies. Door normatieve datasets als referentiekader te gebruiken, kunnen we afwijkingen snel en nauwkeurig vaststellen en specifieke problemen identificeren. Dit kan helpen bij het bepalen van de meest effectieve behandeling en kan worden ingezet ter monitoring van de voortgang van revalidatie. 3D-bewegingsregistratie wordt steeds meer gebruikt als een standaard hulpmiddel bij klinische bewegingslaboratoria in revalidatiecentra en academische ziekenhuizen (Houdijk et al, 2013).

1) Infraroodsysteem

De huidige gouden standaard voor 3D-bewegingsregistratie maakt gebruik van infraroodcamera’s en markers. Vaak wordt bij zo’n systeem gebruikgemaakt van reflectiebolletjes (passieve markers) die door infraroodlampen worden beschenen en door de camera’s worden opgepikt. Het systeem in ons lab maakt echter gebruik van infrarood-LED-lampjes (actieve markers) die op de huid worden bevestigd en zichtbaar zijn voor twaalf infraroodcamera’s. Door het lichaam strategisch te beplakken met markers op geijkte anatomische posities kunnen de gewrichtscentra en oriëntatie van de segmenten tussen die gewrichten nauwkeurig worden bepaald. Wanneer een marker door minimaal drie camera’s wordt gedetecteerd, worden de x/y/z-coördinaten van de marker in het lab tot op de millimeter nauwkeurig vastgesteld.

2) Machine learning-systeem

Een alternatief op het infraroodsysteem is het zogenaamde ‘markerless motion capture’-systeem. Acht high speed videocamera’s zijn rondom het lab geplaatst en op elkaar uitgelijnd via een korte kalibratie. Na het filmen van een persoon (of meerdere tegelijkertijd!) zoekt een machinelearning algoritme beeld voor beeld uit of het een persoon herkent en detecteert daarin anatomische punten (‘landmarks’) die het nodig heeft om locaties van gewrichtscentra en segmentoriëntaties te schatten. Wanneer dezelfde landmark vanuit drie of meer cameraperspectieven wordt gedetecteerd dan worden hier de x/y/z-coördinaten uit bepaald. Voordelen van dit systeem zijn dat markers niet geplaatst worden (een zeer tijdrovende bezigheid), de kleren aangehouden mogen worden (meestal onmogelijk bij infraroodsystemen), dat schoenen de analyses niet verstoren waardoor de dagdagelijkse werkelijkheid vaak dichter wordt benaderd, en dat full body analyses minutenwerk is geworden. Markerless motion capture wordt steeds beter, benadert in kwaliteit de gouden standaard (Kanko et al, 2021) en is vanwege lagere kosten laagdrempeliger in gebruik.

Dit systeem heeft voordelen ten opzichte van het infraroodsysteem: er zijn geen markers nodig, de kleren kunnen aanblijven, schoenen verstoren de analyses niet en de meting kan in zo’n twee à drie minuten plaatsvinden. Markerless motion capture wordt steeds beter en is vanwege de lagere kosten laagdrempeliger in gebruik.

Kinetica: Krachtenplaat

Driedimensionale bewegingsregistratie wordt interessanter wanneer het gecombineerd wordt met krachtopnemers zoals krachtenplaten. Onze krachtenplaat gebruikt rekstrookjes om de grootte, richting en locatie van grondreactiekrachten en momenten te meten. De elektrische weerstand van een rekstrookje veranderd evenredig met de vervorming ten gevolge van belasting. Die weerstandsverandering wordt gemeten door de elektrische brug, die de verandering in kracht berekent.
Deze krachtdata worden gecombineerd met 3D-bewegingsregistratie om diverse vormen van belasting op het lichaam te meten. Hierdoor kunnen we de mate van spieractiviteit rond gewrichten schatten en bepalen in hoeverre interventies (schoeisel, braces, protheses, et cetera) effect hebben op het krachtenspel rond specifieke gewrichten of een keten van gewrichten.

Spieractiviteit: surface EMG

Met 3D-bewegingsregistratie stellen we bewegingen vast, met krachtenplaten onderzoeken we de krachten die hiermee gemoeid zijn en met de toevoeging van oppervlakte-elektromyografie kunnen we ook nog inzicht krijgen in de spieren die verantwoordelijk zijn voor deze bewegingen en krachten. ‘Elektro’ verwijst naar de elektrische signalen die ons zenuwstelsel produceert. ‘Myo’ is Grieks voor ‘spier’, en ‘grafie’ komt van het Griekse ‘grafein’, wat ‘schrijven’ of ‘tekenen’ betekent. Een elektromyogram is dus een grafische weergave van de elektrische signalen waarmee spieren worden aangestuurd. Wij hanteren oppervlakte-EMG (surface EMG, ofwel sEMG) waarbij sensoren op de huid worden geplaatst die vervolgens via zilveren elektroden elektrische signalen detecteren, afkomstig uit ondergelegen spieren. Een versterker en hard- en softwarematige filters vormen het signaal om tot een realtime inzichtelijke datastroom. Hieruit wordt opgemaakt wanneer en hoe lang een spier wordt geactiveerd, in hoeverre spieren tegelijkertijd actief zijn of onderling zijn gecoördineerd, en ook informatie over vermoeidheid kan worden afgeleid uit het EMG-signaal.

Medische beeldvorming: Echografie (MSK)

Echografie is een non-invasieve beeldvormende techniek die wordt gebruikt om inzicht te krijgen in de morfologie van weefsels of functionele spiereigenschappen (dikte, doorsnedeoppervlak, beweeglijkheid, etc.). Deze techniek maakt gebruik van hoogfrequente geluidsgolven die worden uitgezonden door een transducer en die worden weerkaatst door de weefsels in het lichaam. De teruggekaatste geluidsgolven worden opgevangen door de transducer en omgezet in beelden die in realtime worden weergegeven op een monitor. Het grote voordeel van echografie is dat de data zich in een gemakkelijk te interpreteren vorm presenteert: een beeldweergave van een tweedimensionale dwarsdoorsnede van de interne structuren van het lichaam. Deze techniek wordt bijvoorbeeld gebruikt in het lab om meer te leren over spierweefsel en spierfuncties van bijvoorbeeld voetspieren, de schoudergordel, en halsspieren die betrokken zijn bij slikstoornissen.

Wetenschappelijk en praktijkgericht onderzoek

Binnen Fontys Paramedisch onderzoeken we vanuit Team TECH (“Technology to Enable people in the Context of Health”) hoe de paramedische beroepen ondersteund kunnen worden middels technologie. Onze focus ligt op:

• Sensoren & Data: sensoren en digitale (meet)instrumenten worden steeds geavanceerder en kunnen hierdoor laagdrempeliger en niet-invasief worden ingezet. Data kan slim worden ingezet om de zorg beter te laten functioneren, bijvoorbeeld met draagbare sensoren, nieuwe analysetechnieken ondersteund door AI en in het bewegingslab.
• Innovatieve toepassing van (nieuwe) technologieën: we dragen bij aan technologische ontwikkelingen in de paramedische praktijk middels het ontwerpen, onderzoeken en inzetten van nieuwe vormen van technologie. Bijvoorbeeld kunstmatige intelligentie (AI), 3D-scantechnologie, exergaming en robotica.

Enkele treffende voorbeelden waarbij gebruik wordt gemaakt van apparatuur uit het bewegingslab zijn hieronder te vinden.

De krachten van combineren

In het bewegingslab wordt multidisciplinaire samenwerking gestimuleerd om technologieën te combineren, bestaande met nieuwe technologieën te integreren en innovaties buiten het lab te implementeren. Paramedici, onderzoekers (zoals bewegingstechnologen en -wetenschappers), docenten en het werkveld werken samen om dit te bereiken. Deze samenwerking kan leiden tot kruisbestuivingen tussen verschillende disciplines en technologieën, die nog niet eerder zijn toegepast.

Een voorbeeld van samenwerking tussen logopedie, medische beeldvorming en bewegingswetenschappen is het gebruik van echografie en sEMG bij mensen met slikstoornissen. Echografie maakt diagnostiek van slikstoornissen mogelijk zonder het lichaam bloot te stellen aan invasieve technieken of straling. Door het toevoegen van sEMG kan informatie worden verkregen over de aard van de slikstoornis, zoals krachtsverlies, verstoorde coördinatie, vermoeidheid, of gebrekkige neurale aansturing. Met deze informatie kunnen mogelijk trainingen worden aangepast aan het individu en specifieker worden gemaakt.

In de fysiotherapie, podotherapie en medische beeldvorming combineren we echografie met een sensorsysteem om belasting op benen te meten. Via sensoren kunnen de belasting en schokdemping in de benen tijdens dagelijkse activiteiten worden gemeten, maar het effect van hielweefselcompressie op deze schokken kan zo niet worden gemeten. Daarom ontwikkelden we een verhoogde ‘walkway’ met daarin verzonken een echotransducer, zodat er overheen gelopen kan worden. Uit gelijktijdige metingen met sensoren en echografie bleek dat er een sterk verband bestaat tussen de compressie van weefsels in de hiel en de schokdemping in het been, wat nog niet eerder experimenteel was vastgesteld op deze manier.

Conclusie

Revalidatie wordt ondersteund vanuit kennis verworven in het bewegingslab. Het gaat hierbij om de ontwikkeling van bewijslast ten behoeve van evidence based practice (de wetenschappelijke basis waarop klinisch handelen berust), het inzichtelijk maken van de kwaliteit van het bewegingsapparaat op groepsniveau of per individu, het ondersteunen van diagnostiek of het selecteren van behandelstrategieën, monitoring van de behandeling, en preventie.
De combinatie van beschikbare medische technologieën maakt het bewegingslab tot een broedplaats voor nieuwe ideeën, (onderzoeks)projecten, multidisciplinaire samenwerking, en biedt ons instituut een authentieke leeromgeving voor studenten, clinici, docenten en onderzoekers.

Referenties

• Houdijk, J. H. P., Buurke, J., Doorenbosch, C. A. M., Groen, B., Hallemans, A., & Van de Walle, P. (2013). Klinische bewegingsanalyse: een expertise binnen de revalidatie. Nederlands Tijdschrift voor Revalidatiegeneeskunde, 35(1), 9-12.
• Kanko, R.M., Laende, E.K., Davis, E.M., Selbie, W.S., & Deluzio, K.J. (2021). Concurrent assessment of gait kinematics using marker-based and markerless motion capture. J Biomech, 127, 110665. doi: 10.1016/j.jbiomech.2021.110665.
• Roggio, F., Ravalli, S., Maugeri, G., Bianco, A., Palma, A., Di Rosa, M., & Musumeci, G. (2021). Technological advancements in the analysis of human motion and posture management through digital devices. World Journal of Orthopedics, 12(7), 467–484. https://doi.org/10.5312/wjo.v12.i7.467.
• Tech For Good magazine. (2021, September 22). How motion capture technology can transform patient recovery. https://medium.com/tech-for-good-magazine/how-motion-capture-technology-can-transform-patient-recovery-7dcee4fa357.
• World Health Organization. (2023, January 30). Rehabilitation. Fact sheet. Retrieved from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/rehabilitation.