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Motion reconstruction provides essential inputs for analyzing human movement through musculoskeletal simulations. To reconstruct joint angles from motion capture data, several multibody kinematic optimization methods have been developed. However, a computationally efficient method yet simple to implement while ensuring consistent kinematics at all levels is lacking. Here, we propose a potential field method generated by virtual spring-dampers connecting measured-derived skin markers to segment-fixed model points to reconstruct motion in a forward dynamic manner by solving the equations of motion. The virtual spring-damper forces move the mechanical system to minimize the elastic potential and the distance between markers during the motion. Several evaluation strategies are performed which demonstrate that the potential field method is computationally fast (2.5ms per frame) with comparable accuracy to the well-established least squares method in terms of reconstructed marker trajectories and joint angles (RMSE < 0.37 mm, 1.87°) and with low marker residuals (< 18.7 ± 12.6 mm) in line with reported ranges. Furthermore, soft tissue artifacts are compensated well compared to the simulated true values (RMSE < 1.66 mm, 3.69°). Sternoclavicular, scapulothoracic and glenohumeral rotations were reconstructed well the major trends and magnitudes of experimental measurements. We anticipate our method will pave the way for complex applications that demand reliable and rapid large-scale biomechanical analysis of human movement.

Für motorisch inkomplette Querschnittgelähmte ist eine Verbesserung der Gehfunktion ein wichtiges Ziel im Rehabilitationsprogramm. In den spezialisierten Behandlungszentren dienen der 6‑Minuten-Gehtest, der 10-Meter-Gehtest oder der „Timed-up-and-go“-Test als standardisiertes Messinstrument zur Erfassung der Gehfähigkeit. Diese Tests sind jedoch nicht in der Lage, die Qualität des Gehens zu beurteilen. Mithilfe der markerbasierten Bewegungsanalyse kann das Gangbild reliabel erfasst und die Qualität der Bewegung beurteilt werden. Dies ermöglicht eine objektive Bewertung der Gangqualität über den Verlauf der Jahre oder kann unterstützend für die Therapieplanung eingesetzt werden. Am Beispiel von zwei Fällen wird der Nutzen einer solchen Analyse vorgestellt.

For motor incomplete spinal cord injured patients, improvement of walking function is an important aim in the rehabilitation program. In specialized treatment centers, the 6‑minute walking test, the 10-meter walking test or the timed-up-and-go test are used as an assessment tool to determine walking ability, but these tests are not able to assess the quality of gait. Marker-based movement analysis can be used as a reliable method to evaluate the gait pattern. This allows an objective assessment of gait quality over time or can be used to support therapy planning. The benefit of such an analysis is presented by means of two case studies.

Zusammenfassung Für motorisch inkomplette Querschnittgelähmte ist eine Verbesserung der Gehfunktion ein wichtiges Ziel im Rehabilitationsprogramm. In den spezialisierten Behandlungszentren dienen der 6‑Minuten-Gehtest, der 10-Meter-Gehtest oder der „Timed-up-and-go“-Test als standardisiertes Messinstrument zur Erfassung der Gehfähigkeit. Diese Tests sind jedoch nicht in der Lage, die Qualität des Gehens zu beurteilen. Mithilfe der markerbasierten Bewegungsanalyse kann das Gangbild reliabel erfasst und die Qualität der Bewegung beurteilt werden. Dies ermöglicht eine objektive Bewertung der Gangqualität über den Verlauf der Jahre oder kann unterstützend für die Therapieplanung eingesetzt werden. Am Beispiel von zwei Fällen wird der Nutzen einer solchen Analyse vorgestellt.

Für motorisch inkomplette Querschnittgelähmte ist eine Verbesserung der Gehfunktion ein wichtiges Ziel im Rehabilitationsprogramm. In den spezialisierten Behandlungszentren dienen der 6‑Minuten-Gehtest, der 10-Meter-Gehtest oder der „Timed-up-and-go“-Test als standardisiertes Messinstrument zur Erfassung der Gehfähigkeit. Diese Tests sind jedoch nicht in der Lage, die Qualität des Gehens zu beurteilen. Mithilfe der markerbasierten Bewegungsanalyse kann das Gangbild reliabel erfasst und die Qualität der Bewegung beurteilt werden. Dies ermöglicht eine objektive Bewertung der Gangqualität über den Verlauf der Jahre oder kann unterstützend für die Therapieplanung eingesetzt werden. Am Beispiel von zwei Fällen wird der Nutzen einer solchen Analyse vorgestellt.