materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 1

Akademia Wychowania Fizycznego

we Wrocławiu

Wydział Wychowania Fizycznego

BIOMECHANICZNE PARAMETRY CHODU CZŁOWIEKA PO REKONSTRUKCJI

WIĘZADŁA KRZYŻOWEGO PRZEDNIEGO

Sławomir Winiarski

promotor

dr hab. Alicja Rutkowska-Kucharska,prof. AWF Wrocław

WprowadzenieBiomechaniczne parametry chodu

Knee kinematics

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 2

Cele

� weryfikacja pośredniej metody pomiaru siły reakcji podłoża w

chodzie patologicznym;

� wyznaczenie znaczących, biomechanicznych parametrów chodu

patologicznego monitorujących postępowanie fizjoterapeutyczne

u osób po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego;

� opracowanie metody badania chodu patologicznego przy użyciu

komputerowego systemu analizy ruchu SIMI Motion w

przestrzeni trójwymiarowej.

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

Hipotezy

� 1. Energia potencjalna szacowana na podstawie pomiaru amplitudy wychyleń środka ciężkości zmniejsza się w czasie trwania procesu fizjoterapii.

� 2. Siła reakcji podłoża uzyskana w pomiarze pośrednim jest istotnym miernikiem ilościowym i jakościowym lokomocji człowieka i jest statystycznie tożsama z pomiarem bezpośrednim.

� 3. Parametry biomechaniczne, tj.: długość kroku, prędkość chodu, czas podparcia, zakres ruchu w stawie kolanowym, amplituda wychyleńpionowych OSC, energia potencjalna, maksymalna siła reakcji, gradient

przyrostu siły i współczynniki asymetrii chodu ulegają istotnym zmianom w procesie fizjoterapii.

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 3

Materiał badawczy(N=161)

Eksperyment pierwszy(osoby zdrowe)

� 23 osoby (mężczyźni)

� wiek 20-25 lat

� masa ciała 62-96 kg

� wysokość ciała 172-190 cm

Grupa eksperymentalna(artroskopowa rekonstrukcja ACL)

� 86 osób (33K, 53 M)

� wiek 17-58 lat

� masa ciała 50-115 kg

� wys. ciała 158-192 cm

Grupa kontrolna(osoby zdrowe)

� 75 osób (31K, 44M)

� wiek 19-33 lat

� masa ciała 46-97 kg

� wys. ciała 158-191 cm

Eksperyment drugi

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

Okresy badawcze monitoringu rehabilitacji:badanie 1: 2-4 tydz., badanie 2: 3-8 tydz., badanie 3: 9-12 tydz.

Stanowisko pomiarowe

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

SIMISIMI®®

Certyfikat Systemu Jakości nr 1374-b/1/2004, PN-EN ISO 9001:2001

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 4

Metoda – Przygotowanie osoby badanejModel biomechaniczny

� głowa

� st. ramienny prawy

� st. ramienny lewy

� st. łokciowy prawy

� st. łokciowy lewy

� st. promieniowo-nadgarstkowy prawy

� st. promieniowo-nadgarstkowy lewy

� st. biodrowy prawy

� st. biodrowy lewy

� st. kolanowy prawy

� st. kolanowy lewy

� st. skokowy prawy

� st. skokowy lewy

� pięta prawa

� pięta lewa

� palce prawe

� palce lewe

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

znaczniki

Metoda – obliczenia wstępne

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 5

� Kartezjańskie składowe wektora GRF

� pionowa

� przednio-tylna

� boczna

Metoda Siła reakcji podłoża – metoda bezpośrednia

Siła reakcji podłoża – metoda pośrednia

oF++=⋅ QRam ( )gagaR +⋅=⋅+⋅= mmmg

gaR[BW]

gm

R +==

⋅

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 6

Siła reakcji podłoża – metoda pośrednia

( )gagaR +⋅=⋅+⋅= mmm

g

gaR[BW]

+=

( )

( )

≤<−⋅−

<≤−⋅−

≤≤⋅+⋅

=

323

23

2z

100

01

1z

21

z

tt t, dla tttt

)(tR

ttt, dla tttt

)(tR

ttdla ta(t), mgm

(t)R

Sato i Andrew (2002) (dla chodu prawidłowego)

Biomechaniczne parametry chodu – w monitoringu fizjoterapii ACL

� Parametry przestrzenne

� długość kroku podwójnego (m);

� długość kroku pojedynczego (m);

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 7

� Parametry czasowe� czas postawienia pięty (s);

� czas oderwania palców (s);

� czas trwania cyklu (s);

� czas trwania podporu (s);

� czas trwania wymachu (s);

� czas trwania pojedynczego podporu (s);

� czas trwania początkowego podparcia (s);

,

Parametry

� Parametry pochodne� częstotliwość kroczenia (kr.\s);

� prędkość chodu (m\s);

� względny czas podporu (%);

� względny czas wymachu (%);

� względny czas podporu pojedynczego (%);

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 8

Parametry� Kinematyka stawu kolanowego:

� w momencie pierwszego kontaktu stopy (kHS);

� maksymalnego zgięcia na początku podparcia (k1) oraz czas wystąpienia k1 (tk1);

� największego wyprostu w czasie pojedynczego podparcia (k2) oraz czas wystąpienia wartości k2 (tk2);

� w momencie oderwania palców na końcu podporu (kTO);

� maksymalnego zgięcia podczas fazy przeniesienia kończyny (k3) oraz czas wystąpienia maksimum (tk3);

180 - αααα

� maksymalnego wyprostu w fazie

przygotowawczej (k4) oraz czas

wystąpienia maksymalnego

wyprostu (tk4);

� zakres ruchu (Z);

)k,min(kkZ423

−=

Parametry� Trajektoria ogólnego środka ciężkości

� wartość położenia pionowego OSC w momencie pierwszego kontaktu (hmin1) oraz czas wystąpienia hmin1 (thmin1);

� największa wartość w czasie podporu pojedynczego (hmax1) oraz czas wystąpienia hmax1 (thmax1);

� najmniejsza wartość w czasie końcowego podwójnego podparcia (hmin2) oraz czas wystąpienia hmin2 (thmin2);

� największa wartość w czasie wymachu (hmax2) oraz czas wystąpienia hmax2 (thmax2);

� amplituda wychyleń pionowych OSC;

� energia potencjalna;

( ) ( )

H

hhh

w

−∆=∆

−= min2min1max2max1 h,hminh,hmax∆h

Lgm

EE

hgmE

p

wp

p

⋅⋅=

∆⋅⋅=

,

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 9

Parametry� Siła reakcji podłoża

� wartość siły reakcji na końcu początkowego podwójnego podparcia (FTO);

� maksymalna wartość siły (F1) oraz czas wystąpienia F1 (tF1);

� minimalna wartość siły (F2) oraz czas wystąpienia F2 (tF2);

� maksymalna wartość siły (F3) oraz czas wystąpienia F3 (tF3);

� wartość siły na początku końcowego podwójnego podparcia (FHS);

� gradient przyrostu maksymalnej wartości siły reakcji F1 (LR);

� gradient ubytku maksymalnej wartości siły reakcji F3 (ULR);

3

3

1

1

tt

FULR

t

FLR

St

F

−−=

=

Parametry

� Współczynniki asymetrii chodu:

� Robinson i wsp., 1987; Herzog i wsp., 1989; White i wsp., 1999:

� Chen, 2005:

( )100%

XX2

1

XXW1

PL

PL⋅

+⋅

−=

( )100%

X,Xmax

XXW2

norm..

norm..⋅

−=

pat

pat

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 10

Procedury

normalizacyjne

Pierrynowski i Galea (2001)Stansfield i wsp. (2006)

Wyniki

1. Weryfikacja metody pośredniej szacowania siły reakcji (test istotności różnic t-Studenta)

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 11

Wyniki

2. Monitoring fizjoterapii osób po rekonstrukcji ACL

� Parametry przestrzenne

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

(ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR)

� Parametry czasowe:

Wyniki - 2. Monitoring fizjoterapii

bad.1

bad.2

bad.3

(ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR)

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 12

Wyniki - 2. Monitoring fizjoterapii

� Kinematyka stawu

kolanowego:

(ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR)

Wyniki - 2. Monitoring fizjoterapii

� Trajektoria

ogólnego

środka ciężkości:

(ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR)

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 13

Wyniki - 2. Monitoring fizjoterapii

� Siła reakcji

podłoża:(metoda pośrednia)

(ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR)

Wnioski

1. Parametry biomechaniczne podstawowe (tj. przestrzenne: długość kroku pojedynczego kończyny rekonstruowanej długość kroku podwójnego i asymetria kroczenia; czasowe: średnia prędkość chodu, względny czas podparcia na kończynie rekonstruowanej, względny czas podparcia pojedynczego na kończynie rekonstruowanej i asymetria podporu; kątowe: kąt maksymalnego zgięcia w podporze pojedynczym, kąt maksymalnego wyprostu w podporze pojedynczym, kąt maksymalnego zgięcia w wymachu, asymetria zginania i prostowania, zakres ruchu w stawie kolanowym i asymetria zakresu ruchu) i dodatkowedodatkowe (tj. energetyczne: minimalne pionowe obniżenie OSC, maksymalne pionowe uniesienie OSC, amplituda wychyleń pionowych OSC, asymetria wychyleń pionowych, względna energia potencjalna i asymetria energii potencjalnej, oraz dynamiczne: maksymalna siła na początku pojedynczego podparcia (F1), szybkość narastania siły maksymalnej, minimum lokalne siły na środku podparcia pojedynczego, maksymalna siła na końcu pojedynczego podparcia i szybkość ubywania siły maksymalnej na końcu podwójnego podparcia) istotnie różnicują chód osób po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego.

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 14

Wnioski

2. Biomechaniczne parametry chodu zmieniają się istotnie w trakcie procesu fizjoterapii, a w szczególności:

� istotnie rośnie: długość kroku pojedynczego kończyny rekonstruowanej; długość kroku podwójnego; względny czas podparcia na kończynie rekonstruowanej; średnia prędkość chodu; względny czas podparcia pojedynczego na kończynie rekonstruowanej; kąt maksymalnego zgięcia w podporze pojedynczym; kąt maksymalnego wyprostu w podporze pojedynczym; kąt maksymalnego zgięcia w wymachu; zakres ruchu w stawie kolanowym; maksymalne pionowe uniesienie OSC; amplituda wychyleńpionowych OSC; maksymalna siła na początku pojedynczego podparcia; szybkość narastania siły maksymalnej; maksymalna siła na końcu pojedynczego podparcia; szybkość ubywania siły maksymalnej na końcu pojedynczego podparcia;

� istotnie maleje: asymetria kroczenia; asymetria podporu; asymetria zginania i prostowania; minimalne pionowe obniżenie OSC; asymetria wychyleńpionowych; względna energia potencjalna; asymetria energii potencjalnej; minimum lokalne siły na środku podparcia pojedynczego;

Wnioski

3. Wydatek energetyczny (względna energia potencjalna) szacowany na podstawie pionowych wychyleń OSC człowieka zmniejsza się istotnie w kolejnych tygodniach fizjoterapii i może być parametrem determinującym chód naturalny człowieka.

4. Siła reakcji podłoża uzyskana w pomiarze pośrednim (z kinematyki ruchu OSC) jest tożsama z pomiarem bezpośrednim i może być użyta w pomiarze dynamiki chodu.

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego

materiały pochodzą ze strony

www.biofizyka.awf.wroc.pl

Autor: dr inż. S.Winiarski 15

Zalecenia

� Propozycja 13. parametrów istotnych w procesie fizjoterapii osób po rekonstrukcji ACL i istotnych w zdeterminowaniu chodu prawidłowego:

� parametry podstawowe:

(1) długość kroku pojedynczego kończyny rekonstruowanej;(2) asymetria długości kroku; (3) względny czas podparcia na kończynie rekonstruowanej;

(4) asymetria podporu;(5) średnia prędkość chodu;

(6) zakres ruchu w stawie kolanowym;(7) asymetria zakresu ruchu;

� parametry dodatkowe:(8) amplituda wychyleń pionowych OSC;

(9) asymetria wychyleń pionowych OSC;(10) względna energia potencjalna;(11) asymetria energii potencjalnej;

(12) maksymalna siła na początku pojedynczego podparcia; (13) szybkość narastania siły maksymalnej.

Biomechaniczne parametry chodu człowieka po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego