Fuzzy-Logik zur Unterstützung der Interpretation des muskulären Koordinationsmusters

Problemstellung

Das Koordinationsmuster verschiedener Muskeln oder Muskelgruppen liefert wichtige Informationen für die Diagnostik und Therapieplanung bei Patienten mit funktionellen Bewegungsstörungen. Erfasst werden kann das muskuläre Koordinationsmuster mittels der Oberflächen-Elektromyographie (EMG), wobei von den an der Bewegung beteiligten Muskeln simultan jeweils ein EMG-Signal abgeleitet wird. Das Problem ist jedoch, dass das EMG selbst von geschultem Personal schwer zu interpretieren ist (Bild 1). Voraussetzung für die Nutzung des Verfahrens in der klinischen Routine ist daher eine intelligente Unterstützung der Interpretation der EMG-Signale und des daraus resultierenden muskulären Koordinationsmusters.

Ansatz zur intelligenten Unterstützung der Interpretation der EMG-Signale

Zur Unterstützung der Beurteilung der EMG-Signale eignet sich ein Expertensystem, das auf der Fuzzy-Inferenz Methode basiert. Diese Methodik erlaubt eine einfache Handhabung unscharfer, komplexer Zusammenhänge mit linguistischen Mitteln. In einem ersten Ansatz wurde die Methodik exemplarisch für das Beispiel der Fußgelenksbewegung während des Gangzyklus umgesetzt. Hierbei wurden von dem Expertensystem die EMG-Signale der drei wesentlichen an der Fußgelenksbewegung beteiligten Muskeln (Tibialis Anterior, Soleus und Gastrocnemius) bewertet. Als Wissensbasis liegt dem System die Information darüber zu Grunde, dass in den Fällen wo Agonist und Antagonist gleichzeitig aktiv sind die Bewegung des Fußgelenks nicht mehr effektiv ist. Ausnahmen bilden die Phasen der Bewegung, in denen das Gelenk aktiv stabilisiert werden muss. Bei der Bewertung der muskulären Koordination werden sowohl unterschiedliche Aktivierungsniveaus der einzelnen Muskeln, der unterschiedliche Beitrag der einzelnen Muskeln zur Bewegung und der Zeitpunkt der Aktivierung im Schrittzyklus berücksichtigt. Diese Information führt zur Definition von insgesamt 15 Regeln auf deren Basis das Fuzzy-System zu einer Aussage über die Effizienz der Bewegung des Fußgelenks während des Schritt-Zyklus kommt.

Validierung der Fuzzy-Bewertung bei Patienten mit spastischer Gangstörung

In Bild 1 ist die Fuzzy-Bewertung der muskulären Koordination eines gesunden Probanden der eines Patienten mit spastischer Gangstörung gegenübergestellt. Vor der Bewertung durch das Fuzzy-Expertensystem wurden die EMG-Signale gleichgerichtet, geglättet und synchronisiert auf den Schrittzyklus und über mehrere Schritte gemittelt. Bei dem spastischen Patienten ist aufgrund der gleichzeitigen Aktivierung von Tibialis Anterior, Soleus und Gastrocnemius zu Beginn der Standphase und am Ende der Schwungphase die muskuläre Koordination ineffektiv. Dies zeigt sich deutlich in der niedrigen Bewertung der Effizienz der Fußgelenksbewegung durch das Fuzzy-System. Die Vorgehensweise lässt sich auf komplexere Systeme erweitern, so dass die Methodik auch zur Interpretation des Koordinationsmusters komplexerer Bewegungsabläufe geeignet ist.