Kraftplattform

Kraftmessplatten sind Messinstrumente , die die Bodenreaktionskräfte erfassen , die von einem darauf stehenden oder sich darüber bewegenden Körper erzeugt werden, um Gleichgewicht , Gang und andere biomechanische Parameter zu quantifizieren . Die häufigsten Anwendungsgebiete sind Medizin und Sport.

Die einfachste Kraftmessplatte ist eine Platte mit einem einzelnen Sockel, der mit einer Kraftmessdose ausgestattet ist. Verbesserte Ausführungen bestehen aus zwei rechteckigen Platten (dreieckige Platten sind aber auch möglich), die übereinander angeordnet sind und zwischen denen an den Ecken Kraftmessdosen oder triaxiale Kraftaufnehmer angebracht sind . ^{[ 1 ]}

Ähnlich wie Einzelkraftmessplatten können auch Doppelkraftmessplatten zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit bei beidbeinigen Tests sowie von Kraft- und Leistungsasymmetrien bei einseitigen Sprung- und isometrischen Tests eingesetzt werden. Darüber hinaus liefern sie aber auch zusätzliche Informationen zum neuromuskulären Status, indem sie die Kraftverteilung zwischen den Gliedmaßen während beidbeiniger Tests erfassen und so wichtige Erkenntnisse über Kraftasymmetrien und Kompensationsstrategien liefern.

Die einfachsten Kraftmessplatten erfassen lediglich die vertikale Kraftkomponente im geometrischen Zentrum der Plattform. Fortgeschrittenere Modelle messen die dreidimensionalen Komponenten der auf die Oberfläche und ihren Angriffspunkt ( Druckmittelpunkt , CoP) wirkenden Kraft sowie das vertikale Kraftmoment . ^{[ 2 ]} Zylindrische Kraftmessplatten wurden auch zur Untersuchung der Fortbewegung von Baumbewohnern , einschließlich des Schwingens, konstruiert .

Kraftmessplatten lassen sich in Ein- und Mehrpunktplatten sowie nach dem verwendeten Kraftaufnehmer (Kraft- und Momentenaufnehmer) einteilen : Dehnungsmessstreifen , piezoelektrische Sensoren , kapazitive Sensoren, piezoresistive Sensoren usw., wobei jede Art ihre Vor- und Nachteile hat. ^{[ 3 ]} Einpunktplatten, auch Wägezellen genannt, eignen sich für Kräfte, die auf eine kleine Fläche wirken. Für Bewegungsstudien, wie z. B. die Ganganalyse, werden Kraftmessplatten mit mindestens drei, üblicherweise vier Auflagepunkten verwendet, um Kräfte zu erfassen, die sich über die Platte verteilen. Beispielsweise wirken beim Gehen Bodenreaktionskräfte von der Ferse bis in die Nähe der Großzehe. ^{[ 2 ]}

Kraftmessplattformen sind von Druckmesssystemen zu unterscheiden, die zwar ebenfalls den Druckmittelpunkt quantifizieren, aber nicht direkt den einwirkenden Kraftvektor messen. Druckmessplatten eignen sich zur Quantifizierung der Druckverteilung unter dem Fuß im Zeitverlauf, können jedoch keine horizontalen oder Scherkräfte erfassen . ^{[ 2 ]}

Die Messwerte einer Kraftmessplatte können entweder isoliert oder in Kombination mit anderen Daten, wie z. B. der Gliedmaßenkinematik, analysiert werden, um die Prinzipien der Fortbewegung zu verstehen. Führt ein Organismus einen Standabsprung von einer Kraftmessplatte aus, genügen die Daten der Platte allein, um Beschleunigung , Arbeit , Leistung , Absprungwinkel und Absprungweite mithilfe grundlegender physikalischer Prinzipien zu berechnen. Gleichzeitige Videoaufnahmen der Beingelenkwinkel und der Kraftmessplattenwerte ermöglichen die Bestimmung von Drehmoment, Arbeit und Leistung an jedem Gelenk mithilfe der sogenannten inversen Dynamik .

Technologische Fortschritte haben Kraftmessplatten eine neue Rolle in der Kinetik eröffnet. Herkömmliche Laborkraftmessplatten waren aufgrund ihrer hohen Kosten (meist mehrere Tausend Euro) für den klinischen Alltag unpraktisch. Nintendo revolutionierte jedoch 2007 mit der Einführung des Wii Balance Board (WBB) (Nintendo, Kyoto, Japan) die Funktionsweise von Kraftmessplatten. Bereits 2010 erwies sich das WBB als valides und zuverlässiges Instrument zur Messung der Gewichtsverteilung, insbesondere im direkten Vergleich mit der als Goldstandard geltenden Laborkraftmessplatte, und das zu einem Preis von unter 100 US-Dollar. ^{[ 4 ]} Dies wurde zudem sowohl an gesunden als auch an klinischen Probanden bestätigt. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Möglich wird dies durch die vier Kraftaufnehmer in den Ecken des WBB. Diese Studien werden mithilfe von speziell entwickelter Software wie LabVIEW (National Instruments, Austin, TX, USA) durchgeführt, die in das Board integriert werden kann, um die Körperschwankung oder die Weglänge des Druckmittelpunkts (CoP) während der Zeitmessung zu erfassen. Ein weiterer Vorteil eines Posturographiesystems wie dem WBB ist seine Portabilität. Dadurch können Kliniker weltweit die Körperschwankung quantitativ messen, anstatt sich auf die derzeit üblichen subjektiven klinischen Gleichgewichtsbeurteilungen zu verlassen.

Laut Digital Trends wurden Nintendos Wii und ihr Nachfolgemodell Wii U im März 2016 eingestellt. Dies verdeutlicht eines der Probleme, die durch die Verwendung preiswerter, handelsüblicher Konsumprodukte für medizinische Messungen entstehen. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich aus den Regulierungs- und Normungsgremien weltweit. Kraftmessplatten zur Messung von Gleichgewicht und Mobilität werden von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA als Medizinprodukte der Klasse I eingestuft. Daher müssen sie gemäß den Qualitätsstandards der ISO 9001 (Qualitätsmanagementprinzipien) oder ISO 13485 (Qualitätsmanagementsysteme für Medizinprodukte) hergestellt werden. Auch die EU-Medizinprodukterichtlinie (MDD) stuft Kraftmessplatten für medizinische Messungen als Medizinprodukte der Klasse I ein und verlangt für die Einfuhr und Verwendung in der EU eine CE-Kennzeichnung. Ein bemerkenswerter neuerer Standard, ASTM F3109-16 „Standard Test Method for Verification of Multi-Axis Force Measuring Platforms“, bietet Herstellern und Anwendern einen Rahmen zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Kraftmessplattformen über deren gesamte Arbeitsfläche. Solche Standards werden von Herstellern medizinischer Kraftmessplattformen verwendet, um sicherzustellen, dass Messungen an Patienten genau, reproduzierbar und zuverlässig sind. Kurz gesagt: Preisgünstige Unterhaltungselektronik ist aufgrund der mangelnden Produktkonsistenz und ihrer möglicherweise unzureichenden Eignung für medizinische Anwendungen – sei es aus rechtlichen, regulatorischen oder qualitativen Gründen – unter Umständen ungeeignet. ^{[ 7 ]}

Kraftmessplatten werden häufig im Sport eingesetzt, um die Kraftentwicklungsfähigkeit, die Stärke und eventuelle muskuläre Dysbalancen eines Athleten zu erfassen [1] . Ein Trainer kann eine Kraftmessplatte nutzen, um den Trainingsbedarf, die Trainingsbereitschaft und den Wiedereinstieg ins Wettkampftraining zu beurteilen.

Typische Kraftplattenmessungen im Sport umfassen den Countermovement Jump (CMJ), den Squat Jump (SJ), den Drop Jump (DJ), den Countermovement Rebound Jump und den isometrischen Mid Thigh Pull (IMTP).

Anwender haben oft Schwierigkeiten, die richtigen Messgrößen bei der Verwendung von Kraftmessplatten auszuwählen. Ein führender Biomechaniker der Universität Chichester hat ein System zur einfachen Auswahl von Messgrößen für Kraftmessplatten entwickelt. Dieses System trägt den Namen „ODSF-System“ von Dr. Jason Lake.

Chronologie

•1976• Advanced Mechanical Technology, Inc. (AMTI) konstruierte die erste kommerziell erhältliche Kraftmessplatte mit Dehnungsmessstreifen für die Ganganalyse im Biomechaniklabor des Boston Children's Hospital. ^{[ 8 ]}

•2017• Hawkin Dynamics entwickelte die erste drahtlose Kraftmessplattform und mobile App.

• Ganganalyse
• Posturographie