Im Dienst der Wissenschaft: Auf neuen Wegen durch virtuelle Welten
Neues Ganganalyse-Labor der TU Chemnitz ermöglicht Grundlagen- und Anwendungsforschung innerhalb einer interaktiven Echtzeit-Virtual-Reality-Umgebung - TV-Beitrag verfügbar
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Prof. Dr. Claudia Voelcker-Rehage, Inhaberin der Professur Sportpsychologie (mit Schwerpunkt in Prävention und Rehabilitation) der TU Chemnitz, instruiert im Ganganalyse-Labor einen Probanden über erscheinende Hinweisreize bei einem Spaziergang in einer virtuellen Großstadt. Die virtuelle Welt wird auf einen 240 Grad „curved Screen“ projiziert. Damit der Proband während der Ganganalyse auf dem Laufband nicht stürzt, ist er mit einem Gurt gesichert. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller -
Ein Proband mit Unterschenkel-Prothese wird auf eine virtuelle Hängebrücke versetzt. Das typische Schwanken wird über das um zwei Achsen bewegbare Laufband simuliert. Die Sicherung des Probanden mit einem Gurt und die gut kontrollierten Bedingungen während der Ganganalyse ermöglichen eine präzise Messung der Bewegungsleistung der Testperson in einer realitätsnahen und dennoch ungefährlichen Umgebung. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller -
Ein Proband wird im Ganganalyse-Labor von Prof. Dr. Georg Jahn, Inhaber der Professur Angewandte Gerontopsychologie der TU Chemnitz, in eine komplexe Bewegungsaufgabe eingewiesen, die auch die Gedächtnisleistung der Testperson beansprucht. Die Sicherung des Probanden erfolgt mit einem Gurt. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller -
Das komplexe System des „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ an der TU Chemnitz besteht aus einem hydraulisch um zwei Achsen bewegbaren Laufband und zehn hochauflösenden Bewegungskameras. Das in eine virtuelle Welt integrierte Ganganalyse-System wird über einen Kontrollterminal gesteuert. Die Versuchspersonen werden von Operatoren instruiert. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller -
Prof. Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer, Inhaber der Professur Physik kognitiver Prozesse der TU Chemnitz, bereitet eine Probandin auf einen Test im Ganganalyse-Labor vor. Er justiert einen Eyetracker, mit dem während der Ganganalyse Blickbewegungen aufgezeichnet werden. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller -
Eine Probandin absolviert im „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ der TU Chemnitz eine komplexe Bewegungsaufgabe, bei der neben dem Gang auch die Blickbewegungen analysiert werden. Die Sicherung der Probandin erfolgt mit einem Gurt. Foto: TU Chemnitz/Jacob Müller
Die Fakultät für Human- und Sozialwissenschaften und die Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz haben ein interaktives Labor zur Echtzeit-Ganganalyse eingeworben und nun in Betrieb genommen. Das sogenannte „Gait Real-time Analysis Interactive Lab“ (kurz: GRAIL) wird durch den Freistaat Sachsen und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit etwa 650.000 Euro gefördert. „Dieses Großgerät ist deutschlandweit nahezu einzigartig“, sagt Prof. Dr. Claudia Voelcker-Rehage, Inhaberin der Professur Sportpsychologie (mit Schwerpunkt in Prävention und Rehabilitation). Lediglich an der Universität Rostock gäbe es ein vergleichbares System.
Sechs Professuren gehen dem Gehen auf den Grund
Die Forschenden an der TU Chemnitz profitieren insbesondere von der Möglichkeit, unter realitätsnahen Gang- und Umgebungsbedingungen mit gleichzeitiger experimenteller Kontrolle über alle beim Gehen und Laufen relevanten Variablen ausüben zu können – und das in Echtzeit. Hierbei liegen die Forschungsschwerpunkte der beteiligten Professuren in unterschiedlichen Bereichen der Motorik, Sensorik und Kognition mit einem spezifischen Fokus auf gesundes Altern und Patientengruppen. Das GRAIL wird aktuell von sechs Professuren der TU Chemnitz genutzt. Neben der Professur von Voelcker-Rehage sind dies die Professuren Bewegungswissenschaft (Prof. Dr. Thomas Milani), Forschungsmethoden und Analyseverfahren in der Biomechanik (Prof. Dr. Christian Maiwald), Angewandte Gerontopsychologie (Prof. Dr. Georg Jahn), Struktur und Funktion kognitiver Systeme (Prof. Dr. Alexandra Bendixen) sowie Physik kognitiver Prozesse (Prof. Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer). Neun ausgebildete und zertifizierte Operatoren haben bereits mit der ersten Testphase des GRAIL-Systems begonnen.
Bewegungsanalysen auf virtuellen Hügeln und Hängebrücken
GRAIL bietet eine hochauflösende, interaktive Laborumgebung für Echtzeit-Ganzkörper-Bewegungsanalysen in verschiedenen virtuellen Realitäten (VR) und ermöglicht den Arbeitsgruppen, ihre Untersuchungen unter realitätsnahen und dennoch sicheren und standardisierten Bedingungen durchzuführen und gleichzeitig die Anzahl an Variablen sowie deren Messgenauigkeit zu erhöhen. „So können im Labor künftig die Rolle des gesunden Alterns sowie die Effekte diverser Krankheitsbilder weitaus besser als bisher über Fächergrenzen hinweg untersucht werden“, erklärt Voelcker-Rehage. Hierbei werden die Versuchspersonen auf einem hydraulisch und um zwei Achsen bewegbaren Laufband in virtuelle Welten versetzt, in denen sie unterschiedliche Bewegungsaufgaben wie Gehen und Laufen oder verschiedene Balanceaufgaben bis hin zu Mehrfachaufgaben mit unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden ausführen. Ein 3D Bewegungsanalysesystem und unter der Lauffläche des Laufbands befindliche Kraftsensoren ermöglichen es, alle Bewegungen der Versuchspersonen präzise und in Echtzeit aufzuzeichnen und diese mit dreidimensionalen biomechanischen Mensch-Modellen vor dem Hintergrund aufgabenspezifischer Veränderungen der Bewegung zu analysieren. Die VR kombiniert eine auf eine visuelle 240°-Projektionsfläche projizierte VR mit einem Soundsystem – und sie wird spürbar, indem das Laufband beispielsweise anfängt zu schwanken, wenn die Versuchsperson über eine projizierte Hängebrücke läuft. Und auch Hügel und Kurven eines virtuellen Waldweges können realitätsgetreu simuliert werden. Die Laufbandgeschwindigkeit passt sich an die Ganggeschwindigkeit der Versuchsperson automatisch an und alle Aufgaben können für die individuellen Fähigkeiten der Versuchspersonen justiert werden.
Von der Gangschulung bis zur Sturzprophylaxe
Wozu eignet sich das neue Ganganalyse-Labor noch? „Untersuchungen von Fehlbelastungen beim Gehen und Laufen können beispielsweise zur Verletzungsprophylaxe bei älteren Menschen beitragen“, sagt Prof. Dr. Thomas Milani, Leiter der Professur Bewegungswissenschaft. So können der Gang gezielt „gestört“ oder das rechte und linke Bein jeweils unterschiedlich angesteuert werden, was insbesondere zur Ganganalyse, Gangschulung und Sturzprophylaxe sehr relevant sei – beispielsweise nach einer Prothesen-Versorgung oder im Rehabilitationsprozess. „Menschen, die etwa an Gleichgewichts- und Bewegungsstörungen leiden, oder Menschen, die durch eine Beinprothese in ihren Bewegungen eingeschränkt sind, können auch in unsere Studien einbezogen werden“, fügt Voelcker-Rehage hinzu. Damit die Probanden während der Ganganalysen nicht stürzen, werden sie mit einem Gurt gesichert.
Sich ständig verändernde Situationen im Straßenverkehr können ebenfalls simuliert werden. Bewegungsabhängig sind auch komplexe Geräusche erzeugbar, die das Laufen beeinflussen können. Von großem Vorteil ist, dass das GRAIL mit externen Messinstrumenten kombinierbar ist. „Trotz Eigenbewegung der Probanden können psychophysiologische Messmethoden, wie Eye-Tracking, Nahinfrarotspektroskopie, Elektroenzephalographie und Elektromyographie, eingesetzt und damit unter sehr realitätsnahen Bedingungen Daten gewonnen werden“, fügt Prof. Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer, Inhaber der Professur Physik kognitiver Prozesse, hinzu. Die Messung von Bewegungen im dreidimensionalen Raum ist für den gesamten Körper möglich, so dass auch interaktive Aufgaben in frei programmierbaren virtuellen Umgebungen realisiert werden können, die Armbewegungen wie beispielsweise Zeigegesten während des Gehens einschließen. Laut Prof. Dr. Georg Jahn erlaubt dies Studien zu visueller Aufmerksamkeit in bewegten Szenen und zu räumlichem Gedächtnis bei eigener Fortbewegung durch den Raum.
Forschung kann Krankheiten vorbeugen und Heilungsverläufe positiv beeinflussen
Die interaktiven realitätsnahen zeitlich hoch aufgelösten Eigenschaften des GRAIL sind zum einen ein großer Gewinn für die Grundlagenforschung an der TU Chemnitz, zum Beispiel im Bereich Bewegungsanalysen und der Erforschung von Sensorik, Kognition, Motorik und deren Zusammenhänge. Zum anderen bietet das neue Uni-Labor zahlreiche Ansätze für die anwendungsorientierte Forschung im Bereich Prävention und gesundes Altern sowie Neurorehabilitation; werden doch hier Rehabilitations- und Präventionsmaßnahmen weiterentwickelt, was langfristig positive Effekte auf Krankheits- und Krankheitsfolgekosten haben kann.
Multimedia: Zur Eröffnung des Ganganalyse-Labors "GRAIL" ist ein TV-Beitrag im YouTube-Kanal der TU Chemnitz verfügbar: bit.ly/GRAIL_TUC
Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Claudia Voelcker-Rehage, Telefon 0371 531-31889, E-Mail claudia.voelcker-rehage@hsw.tu-chemnitz.de
Mario Steinebach
05.12.2018
