Gait sonification for rehabilitation: adjusting gait patterns by acoustic transformation of kinematic data

Abstract

To enhance motor learning in both sport and rehabilitation, auditory feedback has emerged as an effective tool. Since it requires less attention than visual feedback and hardly affects the visually dominated orientation in space, it can be used safely and effectively in natural locomotion such as walking. One method for generating acoustic movement feedback is the direct mapping of kinematic data to sound (movement sonification). Using this method in orthopedic gait rehabilitation could make an important contribution to the prevention of falls and secondary diseases. This would not only reduce the individual suffering of the patients, but also medical treatment costs. To determine the possible applications of movement sonification in gait rehabilitation in the context of this work, a new gait sonification method based on inertial sensor technology was developed. Against the background of current scientific findings on sensorimotor function, feedback methods, and gait analysis, three studies published in scientific journals are presented in this thesis: The first study shows the applicability and acceptance of the feedback method in patients undergoing inpatient rehabilitation after unilateral total hip arthroplasty. In addition, the direct effect of gait sonification during ten gait training sessions on the patients’ gait pattern was revealed. In the second study, the immediate follow-up effect of gait sonification on the kinematics of the same patient group is examined at four measurement points after gait training. In this context, a significant influence of sonification on the gait pattern of the patients was shown, which, however, did not meet the previously expected effects. In view of this finding, the effect of the specific sound parameter loudness of gait sonification on the gait of healthy persons was analyzed in a third study. Thus, an impact of asymmetric loudness of gait sonification on the ground contact time could be detected. Considering this cause-effect relationship can be a component in improving gait sonfication in rehabilitation. Overall, the feasibility and effectiveness of movement sonification in gait rehabilitation of patients after unilateral hip arthroplasty becomes evident. The findings thus illustrate the potential of the method to efficiently support orthopedic gait rehabilitation in the future. On the basis of the results presented, this potential can be exploited in particular by an adequate mapping of movement to sound, a systematic modification of selected sound parameters, and a target-group-specific selection of the gait sonification mode. In addition to a detailed investigation of the three factors mentioned above, an optimization and refinement of gait analysis in patients after arthroplasty using inertial sensor technology will be beneficial in the future.

Akustisches Feedback kann wirkungsvoll eingesetzt werden, um das Bewegungslernen sowohl im Sport als auch in der Rehabilitation zu erleichtern. Da es weniger Aufmerksamkeit als visuelles Feedback erfordert und die visuell dominierte Orientierung im Raum kaum beeinträchtigt, kann es während einer natürlichen Fortbewegung wie dem Gehen sicher und effektiv genutzt werden. Eine Methode zur Generierung akustischen Bewegungsfeedbacks ist die direkte Abbildung kinematischer Daten auf Sound (Bewegungssonifikation). Ein Einsatz dieser Methode in der orthopädischen Gangrehabilitation könnte einen wichtigen Beitrag zur Prävention von Stürzen und Folgeerkrankungen leisten. Neben dem individuellen Leid der Patienten ließen sich so auch medizinische Behandlungskosten erheblich reduzieren. Um im Rahmen dieser Arbeit die Einsatzmöglichkeiten der Bewegungssonifikation in der Gangrehabilitation zu bestimmen, wurde eine neue Gangsonifikationsmethodik auf Basis von Inertialsensorik entwickelt. Zu der entwickelten Methodik werden, vor dem Hintergrund aktueller wissenschaftlicher Erkenntnisse zur Sensomotorik, zu Feedbackmethoden und zur Ganganalyse, in dieser Thesis drei in Fachzeitschriften publizierte Studien vorgestellt. Die erste Studie beschreibt die Anwendbarkeit und Akzeptanz der Feedbackmethode bei Patienten in stationärer Rehabilitation nach unilateraler Hüftendoprothetik. Darüber hinaus wird der direkte Effekt der Gangsonifikation während eines zehnmaligen Gangtrainings auf das Gangmuster der Patienten deutlich. In der zweiten Studie wird der unmittelbare Nacheffekt der Gangsonifikation auf die Kinematik der gleichen Patientengruppe zu vier Messzeitpunkten nach dem Gangtraining untersucht. In diesem Zusammenhang zeigte sich ein signifikanter Einfluss der Sonifikation auf das Gangbild der Patienten, der allerdings nicht den zuvor erwarteten Effekten entsprach. Aufgrund dieses Ergebnisses wurde in einer dritten Studie die Wirkung des spezifischen Klangparameters Lautstärke der Gangsonifikation auf das Gangbild von gesunden Personen analysiert. Dabei konnte ein Einfluss von asymmetrischer Lautstärke der Gangsonifikation auf die Bodenkontaktzeit nachgewiesen werden. Die Berücksichtigung dieses Ursache-Wirkungs-Zusammenhangs kann einen Baustein bei der Verbesserung der Gangsonifikation in der Rehabilitation darstellen. Insgesamt wird die Anwendbarkeit und Wirksamkeit von Bewegungssonifikation in der Gangrehabilitation bei Patienten nach unilateraler Hüftendoprothetik evident. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen das Potential der Methode, die orthopädische Gangrehabilitation zukünftig effizient zu unterstützen. Ausschöpfen lässt sich dieses Potential auf Grundlage der vorgestellten Ergebnisse insbesondere anhand einer adäquaten Zuordnung von Bewegung zu Sound, einer systematischen Modifikation ausgewählter Soundparameter sowie einer zielgruppenspezifischen Wahl des Modus der Sonifikation. Neben einer differenzierten Untersuchung der genannten Faktoren, erscheint zukünftig eine Optimierung und Verfeinerung der Ganganalyse bei Patienten nach Endoprothetik unter Einsatz von Inertialsensorik notwendig.