Berührungslose Messsysteme in der Bewegungsanalyse: Stand der Technik

Der Begriff „berührungslose Messsysteme“ wird in der Bewegungsanalyse großzügig verwendet — und dabei regelmäßig auf Verfahren angewendet, die es nicht sind. Ein optoelektronisches Kamerasystem misst optisch, benötigt aber Marker auf der Haut. Ein Inertialsensor wird am Körper befestigt. Beide werden trotzdem gelegentlich als kontaktlos vermarktet.

Diese Unschärfe ist mehr als eine Begriffsfrage. Sie führt zu Erwartungen, die keine Technologie einlöst. Dieser Beitrag ordnet die Verfahren ein, nennt die belegten Genauigkeiten und markiert die Grenze, an der berührungslose Messung endet.

Was tatsächlich berührungslos ist

Die Trennlinie verläuft nicht zwischen „optisch“ und „nicht optisch“, sondern zwischen präparationsfrei und präparationsbedürftig.

Verfahren	Berührungslos?	Was es erfasst
Markerlose Videoanalyse (Mehrkamera)	ja	Gelenkwinkel, Zeit-Weg-Parameter
Markerlose Analyse per Smartphone	ja	Gelenkwinkel sagittal, Zeit-Weg-Parameter
Tiefenkamera (RGB-D)	ja	Zeit-Weg-Parameter, grobe Kinematik
Radar (FMCW)	ja	Zeit-Weg-Parameter
3D-Oberflächenscan	ja	statische Geometrie
Optoelektronik mit Hautmarkern	nein	Gelenkwinkel, Kinetik (mit Kraftmessplatte)
Inertialsensoren (IMU)	nein	Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit
Oberflächen-EMG	nein	Muskelaktivität
Druck- und Kraftmessplatten	nein	Druckverteilung, Bodenreaktionskraft

Markerlose Bewegungsanalyse: was die Zahlen sagen

Hier liegt der eigentliche Kern des Themas — und die Antwort ist deutlich differenzierter, als es Produktbroschüren nahelegen.

Eine systematische Übersicht mit Meta-Analyse über 22 Studien und 379 Teilnehmende verglich markerlose mit markerbasierter Ganganalyse [1]. Das Ergebnis lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Zeit-Weg-Parameter sind vergleichbar, die Kinematik nur teilweise.

• Räumlich-zeitliche Parameter (Ganggeschwindigkeit, Schrittlänge, Kadenz): Intraklassenkorrelationen von 0,81 bis 0,98 — belastbar.
• Hüfte und Knie in der Sagittalebene: ICC 0,86 bis 0,96 — valide und reliabel.
• Hüfte in der Frontalebene: ICC 0,49 — eingeschränkt.
• Hüfte in der Transversalebene: ICC 0,07 bei einer Korrelation von r = 0,09 — praktisch keine Übereinstimmung.

Eine Übersicht über 51 Arbeiten zu einem verbreiteten Smartphone-basierten System bestätigt das Muster mit konkreten Fehlerwerten: sagittal liegt der mittlere quadratische Fehler bei Hüfte 5,99°, Knie 6,07° und Sprunggelenk 7,30°; für die obere Extremität dagegen zwischen 13,81° und 52,17° [2].

Eine Studie an 12 Gesunden und 34 Patientinnen und Patienten mit neuro-orthopädischen und orthopädischen Diagnosen zeigt, was das klinisch bedeutet [3]: Die meisten Winkel erreichten bei Gesunden Fehler unter 5°, die Innenrotation von Hüfte und Knie aber rund 9° bei Korrelationen um null — die Werte sind dort nicht interpretierbar. Bei den Patientinnen und Patienten lagen alle Fehler höher. Die Autoren formulieren es unmissverständlich: markerlos und markerbasiert sind nicht austauschbar.

Smartphone oder Kamerasystem?

Die zugängliche Variante markerloser Analyse läuft inzwischen über zwei bis vier Smartphones. Die Entwickler eines verbreiteten Open-Source-Systems berichten für 18 rotatorische Freiheitsgrade einen mittleren Fehler von 4,5° gegenüber der markerbasierten Referenz, bei einer Erhebungsdauer von etwa fünf Minuten pro Person [15]. Bodenreaktionskräfte wurden mit 6,2 Prozent Körpergewicht vorhergesagt.

Das klingt nach einem sehr günstigen Verhältnis von Aufwand zu Ergebnis — mit einer wichtigen Einschränkung: In dieser Validierung simulierten Gesunde pathologische Bewegungsmuster. Echte Patientinnen und Patienten waren nicht beteiligt, und die Reproduzierbarkeit wurde nicht formal geprüft.

Ob mehr Kameras automatisch besser sind, ist überraschenderweise nicht eindeutig. Ein direkter Vergleich von Einzelkamera-, Mehrkamera- und markerbasierter Ganganalyse an 16 Personen fand für die Hüfte in der Sagittalebene sogar leicht bessere Werte bei der Einzelkamera (6,15° gegenüber 7,32°), am Sprunggelenk dagegen einen deutlichen Einbruch: Die Plantarflexion wich bei der Einzelkamera um 17,66° ab, bei der Mehrkameralösung nur um 5,83° [16].

Die Erklärung ist geometrisch: Eine einzelne Kamera ohne echte 3D-Kalibrierung rechnet Pixel in Meter um und wird damit tiefenabhängig ungenau — was sich vor allem an distalen, kleinen Gelenken auswirkt. Für proximale Gelenke in der Bewegungsebene reicht sie oft aus.

Praktische Konsequenz: Für Verlaufsdokumentation an Hüfte und Knie in der Sagittalebene ist die Smartphone-Variante eine ernstzunehmende Option. Sobald das Sprunggelenk oder Bewegungen außerhalb der Sagittalebene interessieren, führt kein Weg an einem kalibrierten Mehrkamera-Setup vorbei — und auch das löst die Transversalebene nicht.

Der Referenzstandard ist selbst nicht exakt

Ein Punkt, der in Vergleichsdiskussionen fast immer fehlt: Das markerbasierte System, gegen das gemessen wird, ist kein wahrer Wert.

Eine Studie verglich Hautmarker direkt mit Dual-Fluoroskopie, also mit der tatsächlichen Knochenbewegung [4]. Die Marker verschoben sich gegenüber dem Knochen im Mittel um 0,3 bis 5,4 cm. Die daraus berechneten Hüftwinkel wichen um bis zu 5,8° in der Rotation ab, und das Bewegungsausmaß wurde um bis zu 21,8° unterschätzt.

Daraus folgt eine sprachliche Konsequenz, die dieser Beitrag konsequent einhält: Markerlose Systeme weichen von der markerbasierten Referenz ab — nicht vom wahren Wert. Wie groß der Fehler gegenüber der echten Knochenbewegung ist, weiß derzeit niemand.

Tiefenkameras und Radar

Tiefenkameras liefern für Zeit-Weg-Parameter brauchbare Werte. Eine Untersuchung an 47 Personen — 27 Gesunde, 20 nach Schlaganfall — erreichte gegenüber einem optoelektronischen System Genauigkeiten von 93 bis 96 Prozent für Schrittlänge, Schrittzeit, Ganggeschwindigkeit und Kadenz; die Doppelunterstützungsphase lag mit 82 Prozent deutlich darunter [5]. Gelenkwinkel wurden in dieser Arbeit gar nicht untersucht; die Autoren verweisen darauf, dass die Kinematik solcher Sensoren in der Literatur nur begrenzt genau ist. Sie positionieren das Verfahren ausdrücklich als Zwischenlösung, wo Goldstandardsysteme nicht verfügbar sind.

Radar ist der jüngste Ansatz. Eine Laborstudie mit einem 77-GHz-System erzielte gegenüber einem Kamerasystem mittlere Fehler unter 0,004 Sekunden bei den Zeitparametern und unter 0,002 Metern bei den Schrittlängen [6]. Das klingt beeindruckend — die Stichprobe umfasste allerdings neun junge Gesunde, es wurden ausschließlich Zeit-Weg-Parameter erfasst, keine Gelenkkinematik, und gemessen wurde nur in direkter Sichtlinie. Als klinisch validiertes Verfahren für Bewegungsanalyse taugt Radar nach heutiger Datenlage nicht.

Wo berührungslose Messung endet

Zwei Größen lassen sich nicht berührungslos erfassen. Das ist keine Frage der Gerätegeneration, sondern der Physik.

Muskelaktivität

Es existiert kein Verfahren, das Muskelaktivität berührungslos misst. Was es gibt, sind modellbasierte Schätzungen aus der Kinematik — also Rechengrößen, keine Messwerte.

Die einzige gefundene Einzelkamera-Arbeit zur Muskelkraftschätzung berichtet Korrelationen von 0,84 bis 0,92 für die Hauptmuskeln, aber −0,20 bis 0,72 für die Stabilisatoren [7]. Entscheidend ist die Einschränkung: In dieser Studie wurde überhaupt kein EMG gemessen. Verglichen wurde ein Modell mit einem anderen Modell. Über die Übereinstimmung mit tatsächlicher Muskelaktivität sagt das nichts.

Wer wissen will, ob ein Muskel zu spät einsetzt, zu schwach arbeitet oder kompensatorisch mitspannt, braucht Elektroden auf der Haut.

Kräfte und Drücke

Auch hier gilt: geschätzt, nicht gemessen. Aus markerlosen Daten lassen sich Bodenreaktionskräfte vorhersagen — eine Arbeit berichtet eine mittlere Abweichung von 0,75 N/kg über alle Achsen, im schlechtesten Fall 7,89 Prozent der Maximalkraft beim Laufen [8]. Eine zweite Arbeit an 146 Personen erreichte für den vertikalen Kraftverlauf Korrelationen über 0,96, für den medial-lateralen Druckmittelpunkt aber relative Fehler bis 27,64 Prozent [9]. Beide Modelle wurden ausschließlich an jungen Gesunden trainiert; die Autoren der zweiten Arbeit weisen ausdrücklich darauf hin, dass sie bei Personen mit Funktionsstörungen möglicherweise nicht zutreffen.

Für die plantare Druckverteilung — also Spitzendrücke, Druck-Zeit-Integrale und regionale Belastung — existiert nach aktueller Literaturlage überhaupt keine berührungslose Schätzung. Wie diese Messung funktioniert, steht im Beitrag dazu, wie eine Druckmessplatte funktioniert.

Berührungslose Messsysteme im Praxisbetrieb: was wirklich stört

Kameraanzahl. Mehr hilft — aber weniger, als man denkt. Eine Untersuchung mit zwei, vier und acht Kameras fand beim Sprung eine Verbesserung des Translationsfehlers von 19,6 auf 12,4 mm, beim Rotationsfehler dagegen nur von 7,9° auf 7,3° [10]. Auch mit acht Kameras blieben in 9 von 21 Freiheitsgraden signifikante Abweichungen. Die Autoren führen das auf den Algorithmus zurück, nicht auf die Optik.

Verdeckung. Selbstverdeckung und Hilfsmittel wie Gehstützen führen zu fehlenden oder falsch zugeordneten Gelenkpunkten. Räumliche Abweichungen liegen beim Gehen im Mittel unter einem Zentimeter, können im Einzelfall aber bis 20 cm erreichen [11].

Kleidung. Hier ist die Nachricht besser als erwartet: Ein Vergleich an 30 Personen zwischen Laborkleidung und normaler Laufkleidung fand keinen signifikanten Unterschied, der maximale mittlere Fehler blieb unter 4° [12]. Für die Sagittalebene beim Laufen ist Kleidung also kein Ausschlusskriterium.

Rüstzeit. Markerlose Datenerhebung dauert etwa 5 bis 10 Minuten pro Person [11]. Das ist der belegte Wert. Konkrete Zeitersparnis-Prozentsätze gegenüber markerbasierten Systemen kursieren zwar, stammen aber aus Entwicklerangaben; eine kontrollierte Vergleichsmessung beider Verfahren am selben Kollektiv existiert nicht.

Es fehlt ein Standard

Ein Punkt, den man vor einer Investition kennen sollte: Für markerlose Bewegungsanalyse existiert kein Konsens- oder Standardisierungspapier. Die International Society of Biomechanics führt Empfehlungen zu Gelenk-Koordinatensystemen, inverser Dynamik und Fußkinematik — sämtlich bezogen auf hautmarkerbasierte Systeme [13].

Mehrere Übersichtsarbeiten benennen dieses Fehlen ausdrücklich als Haupthindernis [1][14]. Praktisch heißt das: Zwei markerlose Systeme können denselben Gang unterschiedlich beschreiben, und es gibt keine verbindliche Referenz, an der sich das klären ließe.

Welches Verfahren wofür

Ihre Frage	Passendes Verfahren	Berührungslos?
Wie schnell, wie lang, wie oft? (Zeit-Weg-Parameter)	markerlose Videoanalyse, Tiefenkamera	ja
Wie bewegt sich Knie und Hüfte in der Sagittalebene?	markerlose Mehrkameraanalyse	ja
Wie sind die Rotationen in der Transversalebene?	markerbasiert — markerlos trägt das nicht	nein
Welche Fußform liegt vor?	3D-Oberflächenscan	ja
Wo entsteht welcher Druck unter dem Fuß?	Druckmessplatte oder Messsohle	nein
Wie hoch ist die Bodenreaktionskraft?	Kraftmessplatte	nein
Arbeitet der Muskel zum richtigen Zeitpunkt?	Oberflächen-EMG	nein

Die untere Hälfte dieser Tabelle beschreibt genau den Bereich, in dem berührungslose Verfahren nicht weiterhelfen. Für die Fußgeometrie decken die Materialise 3D-Fußscanner den berührungslosen Teil ab; für Druck und Muskelaktivität führen die Wege zu footscan Druckmessplatten und zur EMG-Messtechnik.

Interessant wird es bei der Kombination. Ein Übersichtsartikel zur Verbindung von markerloser Bewegungsanalyse mit EMG und Kinetik hält fest, dass diese Integration ein deutlich vollständigeres Bild liefert als Kinematik allein — aber auch, dass es dafür noch keine Standardprotokolle gibt und die unterschiedlichen Abtastraten ein reales Synchronisationsproblem darstellen: EMG arbeitet typischerweise mit 1000 Hz, markerlose Systeme oft mit 60 Hz [14].

Fazit

Berührungslose Messsysteme haben in den letzten fünf Jahren einen erheblichen Sprung gemacht — und ihre Stärken liegen präzise dort, wo man sie messen kann: Zeit-Weg-Parameter sind belastbar, sagittale Gelenkwinkel an Hüfte und Knie brauchbar.

Ebenso klar sind die Grenzen. Rotationen in der Transversalebene liefern Werte, die mit der Referenz praktisch nicht korrelieren. Die obere Extremität ist mit Fehlern bis über 50° nicht einsatzfähig. Ein Standard fehlt. Und der Referenzstandard selbst ist wegen des Weichteilartefakts kein wahrer Wert.

Die wichtigste Einordnung für die Ausstattungsentscheidung ist aber diese: Muskelaktivität und Druckverteilung sind nicht berührungslos erfassbar — weder heute noch mit der nächsten Gerätegeneration, weil es sich um andere physikalische Größen handelt. Was aus Video errechnet wird, ist eine Schätzung aus Bewegung, keine Messung.

Berührungslose Verfahren beschreiben also, wie sich jemand bewegt. Warum — ob ein Muskel zu spät einsetzt, ob eine Region überlastet wird — beantworten sie nicht.

Wenn Sie prüfen möchten, welche Kombination zu Ihrer Fragestellung passt, fragen Sie eine kostenlose Beratung an — wir gehen mit Ihnen durch, welche Größe Sie tatsächlich brauchen und welches Verfahren sie liefert.

Häufige Fragen

Quellen

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• Zhang M, Mao D, Shang H, Ma L, Jia J, Yu J, Zhang M. Validations and applications of markerless motion capture using OpenCap: a scoping review. Frontiers in Digital Health. 2026;8:1882536. DOI: 10.3389/fdgth.2026.1882536
• D’Souza S, Siebert T, Fohanno V. A comparison of lower body gait kinematics and kinetics between markerless and marker-based models in healthy subjects and clinical patients. Scientific Reports. 2024;14:29154. DOI: 10.1038/s41598-024-80499-8
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