Biomechanika Inżynierska -...

Biomechanika Inżynierska 1

Biomechanika Inżynierska

wykład 6

dr inż. Szymon CyganInstytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej

Politechnika Warszawska


Metody badania ruchu

Badanie ruchu

Datuje się przynajmniej od Arystotelesa

Hamill i Knutzen: Ruch człowieka polega na zmianie położenia, pozycji, postury człowieka w stosunku jakiegoś punktu odniesienia.

Brooke i Whiting:Ruch nie jest jednorodny, posiada wiele warstw i wymaga jednoznacznej identyfikacji i analizy tych warstw. Koncepcyjnie aktywność ruchowa człowieka nie może być rozpatrywana tylko z fizycznego punktu widzenia, lecz w powiązaniu z całym kontekstem tego ruchu. Po uwagę należy wziąć czynniki: socjologiczne, środowiskowe, psychologiczne, mechaniczne, fizjologiczne i anatomiczne.



Znaczenie ruchu

„błędne koło”

A. Godfrey, et.al. Direct measurement of human movement by accelerometry



Badanie ruchu

Ze względu na te liczne powiązania ruch może być źródłem wielu cennych informacji – zarówno w medycynie jak i w innych naukach.



Systemy umożliwiające badanie ruchu

Stykowe Bezstykowe

Obrazowanie wew. Bez organów wew.

Optyczne InneElektrom

ech / El ektroopt

Ultrason ografia

Fluorosk opia

CT

MR

I

Punktow

e

Polow

e

Magnety czne

Akustycz ne

Inercyjne

Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka



Dobór metody badania ruchu

Rodzaj ruchu (np. globalny czy lokalny)

Możliwość ingerencji

Dopuszczalność poszczególnych metod

Wymagana dokładność

Przeznaczenie danych z rejestracji

Powtarzalność

… dostępne środki



Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka

L.p.

Rodzaj systemu pomiarowego

Pozyskiwanie

danych 4D

(x, y, z, t)

Obrazowanie

narządów

wewnętrznych

Brak szkodliw

ego promieniowania

Wymiary objętości pomiaro

wej

Brak utrudnień

ruchu pacjenta

Niepewność

pomiaru

Rozdzielczość

przestrzenna

danych

Rozdzielczość

czasowa sekwencji

1. Rentgenoskopia – + – +/– + + + +

2. Rentgenowska tomografia

komputerowa

– + – +/– – + + –

3. Obrazowanie rezonansu magnetycznego

– + + +/– +/– + + –

4. Ultrasonografia + + + – – +/– + +

5. Systemy optyczne punktowe

+ – + + + + – +

6. Systemy optyczne polowe

+ – + + + + + +/–

7. Systemy wykorzystujące egzoszkielety

+ – + + – + – +

8. Systemy z czujnikami inercyjnymi

+ – + + + – – +

9. Systemy z czujnikami magnetycznymi

+ – + + + – – +

10. Systemy z czujnikami akustycznymi

+ – + + + – – +




Stykowe Bezstykowe



ech / El ektroopt

Ultrason ografia

Fluorosk opia

CT

MR

I

Punktow

e

Polow

e

Magnety czne

Akustycz ne

Inercyjne

Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka



Nieoptyczne bezstykowe metody zewnętrzne

Czujniki

Magnetyczne

Inercyjne

Akustyczne

Do dziś znajdują zastosowanie w systemach przechwytywania ruchu na potrzeby animacji komputerowej i efektów specjalnych w kinematografii, ale sukcesywnie wypierane są przez systemy optyczne.




Stykowe Bezstykowe



ech / El ektroopt

Ultrason ografia

Fluorosk opia

CT

MR

I

Punktow

e

Polow

e

Magnety czne

Akustycz ne

Inercyjne

Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka



Optyczne bezstykowe metody zewnętrzne

PunktoweZdecydowanie najczęściej do badań ruchu pacjenta używane są obecnie systemy wykorzystujące optyczne metody punktowe, w których metodami fotogrametrycznymi oblicza się położenie w kolejnych chwilach czasowych znaczników, umieszczonych uprzednio na powierzchni ciała lub odzieży pacjenta w charakterystycznych punktach anatomicznych, takich jak stawy czy zakończenia kończyn, umożliwiających obliczenie pozycji poszczególnych części ciała (modelu szkieletu).

PoloweWykorzystują najczęściej oświetlenie strukturalne i pozwalają na wyznaczenie kształtu całkowitej powierzchni wybranej części ciała pacjenta lub całej sylwetki, z dużą rozdzielczością przestrzenną. Są to metody nowe i dopiero wchodzą do praktyki klinicznej (brak gotowych systemów komercyjnych).




Stykowe Bezstykowe



ech / El ektroopt

Ultrason ografia

Fluorosk opia

CT

MR

I

Punktow

e

Polow

e

Magnety czne

Akustycz ne

Inercyjne

Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka



Obrazowanie struktur wewnętrznych

Rentgenoskopia / fluoroskopia...pozwala na pozyskiwanie jedynie płaskich obrazów zmiennych w czasie, tzw. 2D+t, ukazujących projekcję ciała pacjenta na płaszczyznę detektora, umożliwiając dwuwymiarowe śledzenie ruchu kości oraz innych wybranych struktur anatomicznych.

Tomografia komputerowa CTRentgenowskie tomografy komputerowe najnowszych generacji umożliwiają obrazowanie pojedynczej warstwy w czasie poniżej 1/50 sekundy, ale znajdują one zastosowanie jedynie do obrazowania struktur takich jak serce, ponieważ znajdujący się wewnątrz gantry pacjent ma bardzo ograniczoną możliwość ruchu.

Tomografia rezonansu magnetycznego MRIUmożliwiają uzyskiwanie leżących w dowolnej płaszczyźnie przekrojów ciała pacjenta, a także występują w tzw. konfiguracji z polem otwartym, umożliwiającej większą swobodę ruchu pacjenta, lecz czas pojedynczego pomiaru jest zbyt długi, by mogły one być stosowane do analizy ruchu.

Wszystkie 3 modalności niosą zagrożenia




Stykowe Bezstykowe



ech / El ektroopt

Ultrason ografia

Fluorosk opia

CT

MR

I

Punktow

e

Polow

e

Magnety czne

Akustycz ne

Inercyjne

Za

: Ma

rcin

Witk

ow

ski –

Me

tod

a a

na

lizy

sekw

en

cji c

hm

ur

pu

nkt

ów

na

po

trze

by

loka

liza

cji i

śle

dze

nia

wyb

ran

ych

fr

agm

en

tów

po

wie

rzch

ni k

oń

czyn

do

lnyc

h c

zło

wie

ka



Metody stykowe

UltrasonografiaUkazuje jedynie bliskie otoczenie głowicy ultrasonografu oraz może być stosowana tylko do obrazowania ośrodków o ograniczonym zakresie impedancji akustycznej, przez co nie jest odpowiednia do pomiaru ruchu struktur kostnych.

Układy elektroniczne, elektromechaniczne i elektrooptyczneBardzo szeroka gama urządzeń do identyfikacji ruchu segmentów ciała

EgzoszkieletyElektrogoniometryUkłady akcelerometryczneUkłady elektromiograficzneEtc.



Jak zakwalifikować KTG*?

* kardiotokografia



Jak zakwalifikować KTG?

Z jednej strony – ma związek z ultrasonografią (stykowa metoda badania struktur wewnętrznych)

Z punktu widzenia przedmiotu badań:

Bezstykowa metoda akustycznaZgrubna identyfikacja ruchów:

TętnaPseudoodechowychGlobalnych



Na przykładach

Optyczne metody punktowe:1.3D – np. Vicon2.Metoda uproszczona

Optyczne metody polowe:3.OGX 4DBody4.Pomiary kształtu

Obrazowanie wewnętrzne:5.Fluoroskopia6.MRI i USG

Układu elektroniczne, elektromechaniczne etc.:7.Elektrogoniometry8.Układy akcelerometryczne9.Układy elektromiograficzne



1. Vicon



1. Optyczne metody punktowe 3D

Większość stosowanych obecnie w medycynie optycznych systemów pomiarowych 4D bazuje na wykorzystaniu znaczników.

Są to zazwyczaj okrągłe lub kuliste elementy emitujące światło (tzw. znaczniki aktywne) lub mające charakter retrorefleksyjny (tzw. znaczniki pasywne).

Znaczniki przymocowywane są do ciała lub odzieży pacjenta w charakterystycznych punktach antropometrycznych, odpowiadającym stawom, zakończeniom kończyn, określonym kręgom kręgosłupa itp.

Wykalibrowana przestrzeń pomiarowa określona jest przez część wspólną pola widzenia obserwujących ją kamer wideo.




Podczas pomiaru pacjent znajdujący się w przestrzeni pomiarowej wykonuje akty ruchowe związane z kierunkiem badania.

Sekwencje obrazów pobranych w tym czasie przez kamery wykorzystywane są na etapie analizy numerycznej do obliczenia metodami fotogrametrycznymi położenia znaczników w przestrzeni w poszczególnych chwilach czasowych.

Trajektorie opisujące ruch poszczególnych znaczników stosowane są do obliczenia parametrów modelu szkieletu w kolejnych chwilach czasowych. Analiza ruchu szkieletu pozwala na obliczenie pożądanych parametrów ruchu pacjenta.




Technika ta jest znana i używana od ponad dekady.

Daje ona dokładność poniżej 1 mm, wystarczającą do analizy ruchu całej postaci lub poszczególnych kończyn przy wysokich częstotliwościach pomiaru, przekraczających nawet 200 Hz.

Ponadto, przez lata udoskonalano techniki rozmieszczania znaczników oraz oprogramowanie służące do analizy wyników i wspomagania diagnozy, dzięki czemu optyczne systemy 4D wykorzystujące znaczniki używane są z powodzeniem na całym świecie.




Ograniczenia

Dane dotyczą jedynie położenia znaczników, brak informacji o przestrzeni pomiędzy znacznikami.

Znaczniki przymocowywane do skóry lub odzieży pacjenta poruszają się razem z powłokami.

➢ Według przeprowadzonych badań, błędy przesunięcia znaczników względem kości mogą sięgać 40 mm.

Powtarzalność rozmieszczania znaczników podczas kolejnych badań (szczególnie istotne w czasie długotrwałego leczenia, rehabilitacji lub treningu)



2. Metoda uproszczona

mgr inż. Ewa Mach – praca magisterskaBadania eksperymentalne i modelowanie dynamiki kończyny dolnej człowieka w czasie treningu kolarskiego na rowerze stacjonarnym

Rejestracja trajektorii znaczników rozmieszczonych na nodze, w płaszczyźnie strzałkowej.Wyznaczenie przebiegów kątów w stawie biodrowym, kolanowym i skokowym.Wyznaczenie momentów bezwładności segmentów kończyny (równania regresji V. Zatziorskiego)Określenie funkcji i sposobu pracy zaangażowanych mięśni...




mgr inż. Ewa Mach – praca magisterskaBadania eksperymentalne i modelowanie dynamiki kończyny dolnej...





Śledzenie markerów

Wyznaczenie kątów

Wyznaczenie prędkości kąt.

Wyznaczenie przyspieszeń kąt.

Dane videoDane

antropometr.

Wyznaczaniesił dla segmentów

Wyznaczaniesił mięśniowych



3. Optyczna metoda polowa - OGX4DBody

Zespół prof. Roberta SitnikaZakład Inżynierii Fotonicznej Wydział MechatronikiPolitechnika Warszawska



3. Optyczna metoda polowa

Dzięki rozwojowi oprzyrządowania cyfrowo-optycznego oraz komputerów istniejące metody wyznaczania kształtu obiektów statycznych umożliwiły stworzenie metod rejestracji powierzchni obiektów zmiennych w czasie.

Bezznacznikowe polowe optyczne systemy pomiarowe 4D najczęściej wykorzystują oświetlenie strukturalne i dokonują analizy obrazów rastrów zdeformowanych na powierzchni obiektu.

Istnieją również systemy pasywne, używające jedynie detektorów i bazujących głównie na technikach korelacji obrazu.

Ponad milion punktów w każdej klatce przy częstotliwości tworzenia klatek rzędu kilkudziesięciu herców.

Przetwarzanie danych stanowi duże wyzwanie – obecnie nie istnieją jeszcze gotowe narzędzia




dr inż. Marcin Witkowski – rozprawa doktorska

Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka




dr inż. Marcin Witkowski – rozprawa doktorska Metoda analizy sekwencji chmur punktówna potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka



4. Pomiary kształtu powierzchni

System Mora 4G opracowany przez polską firmę CQ Elektronik System.Obraz pobrany przez detektor podczas badania kształtu pleców pacjenta przy użyciu metody mory cieniowej.Źródło: Marcin Witkowski – rozprawa doktorska Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka



5. Fluoroskopia

mgr inż Paweł Karczewski, praca magisterska:Opracowanie i badania funkcjonalności systemu do wyznaczania ruchomości kręgów szyjnych na podstawie danych z fluoroskopii

→ posterNew.pdf



6. MRI i USG

Cardiac Motion EstimationStrain ImagingStrain Rate Imaging



7. Elektrogoniometry

Goniometr – miernik kąta...

Najpopularniejsze są elektrogoniometry potencjometryczne oraz tensometryczne.



7. Elektrogoniometry

Inż. Aleksandra Wilczewska – praca inżynierskaProjekt i wykonanie goniometru elektronicznego do rejestracji przebiegów zmian kątów stawowych

Wymagania:- zasilanie bateryjne,- możliwość łatwego wyznaczania kąta na podstawie danych pomiarowych,- możliwość zbierania danych z co najmniej 30 minut chodu,- dwa zakresy pomiarowe – do analizy chodu (-5-70°) oraz statycznego badania kąta dający możliwość wykonania pomiarów w każdym położeniu stawu kolanowego (-5-155°),- dokładność: nie mniejsza niż 0.5°



8. Układy akcelerometryczne

Znajdują zastosowanie w monitorowaniu bardzo różnorodnych rodzajów ruchu, między innymi:

Proste ruchy fizjologiczne:Monitorowanie oddechu (u noworodków)Rejestrowanie kaszlu

ZdarzeniaWykrywanie upadków

Złożone ruchyRozchodzenie się wibracji po ciele człowiekaZastosowanie akcelerometrów 3-osiowych pozwala nie tylko zarejestrować fakt wystąpienia przyspieszeń, ale również określić orientację układu w polu grawitacyjnym.Zastosowanie złożonej analizy sygnałów pozwala rozpoznawać różne rodzaje aktywności



9. Układy elektromiograficzne

Myo WristBand



9. Układy elektromiograficzne

Praca inżynierska:Inż. Aleksandra Latos: Projekt i wykonanie modelu funkcjonalnego ośmiokanałowego, nieinwazyjnego odbiornika sygnałów EMG wbudowanego w opaskę na przedramię

Elektrody EMG

Wzmacniacz 1

Wzmacniacz 2 + filtry

Przetwornik AC

Hard- i software dokonujący interpretacji



Powyższe metody pozwalają zidentyfikować parametry kinematyczne ruchu

Często jest to wystarczające, ale czasami w celu określenia parametrów dynamicznych konieczne jest:

- określenie cech masowych (mas, momentów bezwładności)- poznanie oddziaływań z otoczeniem (pomiary sił)



2. Uproszczona optyczna metoda punktowa

mgr inż. Ewa Mach – praca magisterskaBadania eksperymentalne i modelowanie dynamiki kończyny dolnej człowieka w czasie treningu kolarskiego na rowerze stacjonarnym

Rejestracja trajektorii znaczników rozmieszczonych na nodze, w płaszczyźnie strzałkowej.Wyznaczenie przebiegów kątów w stawie biodrowym, kolanowym i skokowym.Wyznaczenie momentów bezwładności segmentów kończyny (równania regresji V. Zatziorskiego)Określenie funkcji i sposobu pracy zaangażowanych mięśniOkreślenie sił rozwijanych przez poszczególne mięśnie wymaga wyznaczenia momentów w stawie – konieczne jest poznanie sił nacisku na pedały.



Pomiary sił

Możliwe podejścia:

● Siły reakcji podłoża● Rozkład nacisków na stopie● Elektromiografia dynamiczna lub kinezjologiczna



Pomiary sił reakcji podłoża – płyty dynamometryczne

Umożliwiają wyznaczenie:● Składowych siły rekcji podłoża● Momentów obrotowych siły wokół trzech osi● Punktu przyporu siły reakcji podłoża

Najczęściej stosowane● piezoelektryczne – Kistler● tensometryczne – AMTI



Pomiar rozkładu nacisków na stopie podczas chodu



Elektromiografia dynamiczna

● Pozwala na uzyskanie informacji o fazach chodu w których dany mięsień jest aktywny oraz na ocenę stopnia jego aktywacji

● Zazwyczaj stosuje się elektrody powierzchniowe

● W sytuacji, gdy potrzebna jest informacja o aktywności mięśni małych i głęboko położonych stosuje się elektrody wkuwane



Nowoczesne systemy wykorzystują więcej niż jedną metodę pomiaru

Umożliwiają:

● Integrację danych z wielu źródeł

● Uśrednianie danych uzyskanych podczas kilku cykli chodu

● Porównanie danych z prawej i lewej strony ciała pacjenta (ocena symetrii)

● Prezentację wyników pacjenta na tle danych zdrowej grupy odniesienia

● Porównanie danych pacjenta uzyskanych w różnym czasie i na różnych etapach leczenia



Nowoczesne systemy wykorzystują więcej niż jedną metodę pomiaru



Widok laboratorium. 1: markery eksperymentalne; 2:elektrody EMG; 3: system telemetryczny MA300 (Motion Lab Systems Inc., USA); 4: kamery na podczerwień T160 (Vicon Motion Systems Ltd., UK); 5: platformy dynamometryczne Kistler (Kistler Instrument Corp., Amherst, NY, USA).Praca inżynierska - Katarzyna Barbara Malewska: Symulacja biomechaniki układu mięśniowo-szkieletowego w środowisku OpenSim



Kalorymetria – pomiar wydatku energetycznego

● Minimalizacja wydatku energetycznego jest jednym z priorytetów prawidłowej lokomocji.

● Wszelkie nieprawidłowości (np. stereotypu chodu) powodują jego zwiększenie.

● Dlatego w analizie ruchu stosuje się również pomiar wydatku energetycznego, najczęściej mierzy się zużycie tlenu na kg masy ciała lub częstość uderzeń serca na minutę.

Metody pomiaru i oceny wydatku energetycznego● kalorymetria bezpośrednia● kalorymetria pośrednia● oceny na podstawie zmian fizjologicznych● oceny na podstawie mechanicznego efektu pracy● badanie „odnowy tętna”● chronometrażowa (tabelaryczna wg Lehmana)



Kalorymetria – pomiar wydatku energetycznego

Metody pomiaru i oceny wydatku energetycznego

● kalorymetria bezpośrednia – ilość ciepła wytworzonego w organizmie● kalorymetria pośrednia – na podstawie ilości pobieranego tlenu● oceny na podstawie zmian fizjologicznych – przede wszystkim tętna● oceny na podstawie mechanicznego efektu pracy – pomiar wytworzonej

energii● badanie „odnowy tętna”● chronometrażowa (tabelaryczna wg Lehmana)

- z tabel wartość wydatku dla typowych czynności


Analiza chodu

Znaczenie analizy chodu

● Chód jest jedną z podstawowych funkcji człowieka i jedną z pierwszych czynności ruchowych ciała jaka pojawia się w rozwoju osobniczym (ontogenezie).

● Prawidłowy chód wymaga wysokiej, precyzyjnej integracji układów nerwowo-mięśniowych i szkieletowych, i ma miejsce tylko wtedy, gdy może być dokładnie kontrolowany przez układ nerwowy.

● Jeśli któryś z elementów tego systemu ulegnie uszkodzeniu na skutek urazu, degeneracji czy też deformacji natychmiast znajduje to odzwierciedlenie w postaci patologii chodu.


Analiza chodu


Analiza chodu

Podstawowe pojęcia

● Chód - naprzemienne, rytmiczne ruchy kończyn dolnych, dzięki którym balansująca miednica i tułów przesuwają się do przodu.

● Cykliczna natura tych ruchów, pozwala wydzielić pewną całość, gdzie łatwo można wskazać początek i koniec – cykl chodu

● Początek jednego cyklu chodu rozpoczyna się w momencie kontaktu stopy z podłożem i kończy się w momencie, gdy ta sama stopa ponownie styka się z podłożem.

● Cykl chodu to dwa kroki: jeden lewy i jeden prawy

● Krok zdefiniowany jest jako odległość między punktem na jednej stopie, a takim samym punktem na drugiej stopie (tym punktem może być np. pięta). Krok lewy mierzony jest przy wykroku lewą nogą od prawej pięty do lewej pięty, krok prawy mierzony jest przy wykroku prawą nogą od lewej pięty do prawej pięty.

● Cykl chodu prawidłowego trwa niewiele ponad sekundę.

● Podczas tego czasu, kończyny dolne wykonują serię ściśle określonych i skoordynowanych ruchów – mówimy o fazach chodu.


Analiza chodu

Podstawowe pojęcia

● W ramach cyklu chodu można wyróżnić fazę podporu i fazę wymachu

● Faza podporu rozpoczyna się w momencie kontaktu stopy z podłożem, a konkretnie, w chodzie prawidłowym, w momencie kontaktu pięty z podłożem. Faza ta kończy się, gdy palce stopy tracą kontakt z podłożem i rozpoczyna się faza wymachu/przenoszenia.

● Faza wymachu trwa tak długo, jak długo stopa nie ma kontaktu z podłożem, czyli rozpoczyna się w momencie utraty kontaktu palców z podłożem, a kończy się, gdy pięta ponownie dotyka ziemi.


Analiza chodu

Podział chodu na poszczególne fazy wg Jacqueline Perry


Analiza chodu

Znormalizowany cykl chodu

● Jeśli założymy normalizację cyklu chodu w czasie, to trwał on będzie 100%. Faza podporu zajmuje 60% czasu cyklu, a faza wymachu to ok 40% czasu trwania cyklu.


Analiza chodu

Pierwszy kontakt z podłożem IC – initial contact

● Występuje w 0% i 100% cyklu chodu

● Prawa pięta uderza o podłoże, kostka przyjmuje pozycję neutralną, kolano jest wyprostowane, a biodro zgięte ok. 30º. Uderzeniu pięty towarzyszy gwałtowny wzrost siły reakcji z podłoża (ground reaction force, GRF), której wektor przechodzi przed stawem skokowym, kolanem i biodrem.

● Praca mięśni ma na celu łagodne przejście z wymachu do podporu, wyhamowanie ciała oraz stabilizację i przygotowanie stawów na działanie sił zewnętrznych (np. GRF)


Analiza chodu

Przejęcie obciążenia LR – loading response

● Kontakt prawej stopy z podłożem rozpoczyna pierwszy okres fazy podwójnego podporu (10% cyklu). W tym czasie prawa kończyna wyhamowuje masę ciała oraz przejmuje obciążenie.

● Głównym celem pracy mięśni jest uniemożliwienie nadmiernego zgięcia kolana oraz podeszwowego zgięcia stopy a także stabilizacja biodra oraz zamortyzowanie skutków obciążenia kończyny.

● Po tym okresie rozpoczyna się okres pojedynczego lub jednonożnego podporu, kiedy to kończyna lewa wykonuje wymach. Okres ten trwa 10% do 50% cyklu chodu i kończy się kontaktem lewej pięty z podłożem. Można go podzielić na część środkową fazy pojedynczego podporu oraz część końcową fazy pojedynczego podporu.


Analiza chodu

Część środkowa fazy pojedynczego podporu MSt - midstance

● Jest to czas, w którym następuje przeniesienie ciała nad opartą o podłoże stopą. Bardzo ważna przy tym jest stabilność całej kończyny dolnej, która daje podparcie dla ciała, czyli w opisywanej sytuacji, kończyny prawej.

● Ruch realizowany jest przez przeniesienie piszczeli do przodu w oparciu o stabilną stopę.

● GRF przechodzi już przed kolanem i w ten sposób tworzy zewnętrzny moment prostujący – kolano jest zablokowane w pozycji wyprostowanej z jednej strony przez GRF, a z drugiej przez więzadła.

● W czasie MSt biodro osiąga najwyższy punkt, a na stopę działają największe siły poprzeczne (w stosunku do kierunku ruchu).

● Okres MSt kończy się w momencie gdy ciężar ciała znajduje się nad śródstopiem.


Analiza chodu

Część końcowa fazy pojedynczego podporu TSt – terminal stance

● Rozpoczyna się w momencie 30% cyklu chodu kiedy to pięta zaczyna unosić się nad podłożem i trwa do 50% cyklu czyli do momentu początkowego kontaktu z podłożem stopy przeciwnej (lewej).

● Ciężar ciała przenoszony jest do przodu w stosunku do podpierającej kończyny (prawej). Praca mięśni umożliwia kontrolowane opadanie tułowia przed podpierającą kończynę oraz stabilizację podpierającej stopy.

● Ruch tułowia do przodu i wyprostowane zablokowane kolano powodują uniesienie pięty oraz zgięcie grzbietowe stopy ok. 10. Biodro przechodzi w wyprost


Analiza chodu

Część końcowa fazy pojedynczego podporu TSt

● Opadanie tułowia skutkuje zwiększeniem GRF, która daje bardzo duży moment zginający grzbietowo stopę.

● Pod koniec okresu TSt, kolano odblokowuje się – ujawnia się moment od GRF zginający kolano, a dotychczasowa praca mięśni wykorzystywana jest w celu przyspieszenia podpartej (prawej) kończyny i przygotowania jej do wymachu. Cykl chodu osiąga okres drugiego podwójnego podporu, czyli okres przed wymachem (pre swing, PS).


Analiza chodu

Fazy wg Jacqueline Perry


Analiza chodu

Okres przed wymachem (pre swing, PS)

● Drugi podwójny podpór rozpoczyna się ok. 50% cyklu (IC kończyny przeciwnej) i trwa dopóki palce kończyny podpierającej mają kontakt z podłożem. Określany jest jako czas przed wymachem i odpowiada okresowi loading response kończyny przeciwnej.

● W tym czasie, dotychczas całkowicie wyprostowana kończyna zaczyna zginać się w celu skrócenia i umożliwienia wymachu bez kontaktu z podłożem. Odblokowane zostaje kolano, które osiągnie 40º zgięcia przy 20º zgięcia podeszwowego stopy.

● Następuje propulsja, przyspieszenie nadane przez staw skokowy całej kończynie, która odrywa się od podłoża i rozpoczyna wymach.


Analiza chodu

Faza wymachu

● Rozpoczyna się w momencie oderwania kończyny od podłoża i kończy w momencie ponownego IC, czyli trwa w czasie od 60% do 100% w cyklu chodu.

● wstępny (initial swing, ISw),

➢ Trwa do momentu, gdy udo w wymachu pokrywa się w płaszczyźnie strzałkowej z przeciwną kończyną w fazie podporu, tj. 60% do 73% cyklu chodu.

➢ Najważniejsze jest osiągnięcie oderwania stopy od podłoża i przygotowanie jej do wymachu bez kontaktu z podłogą.

➢ Zgięcie kolana pogłębia się do 60° wspomagane inercją goleni.

● środkowy (mid swing, MSw)

➢ Od 73% do 87% (piszczel kończyny w wymachu, znajduje się w pozycji pionowej)

➢ Wymagana jest niewielka aktywność mięśni - odbywa się dzięki inercji.

➢ Aktywność niektórych mięśni w celu zachowania zgięcia grzbietowego stopy.

➢ Kolano prostuje się pasywnie.

● końcowy (terminal swing, Tsw).

➢ Jest czasem wyhamowania wymachu i przygotowania kończyny do kontaktu i zderzenia z podłożem. Mięśnie tylne uda kurczą się ograniczając dalsze zginanie biodra oraz zginanie i ewentualny nieprawidłowy przeprost kolana, a stopa ustawia się w lekkim zgięciu grzbietowym, przygotowując się do IC.


Analiza chodu

Energia w czasie chodu

● W trakcie chodu obserwujemy nieustanne przemiany energii kinetycznej i potencjalnej oraz współdziałanie sił wytworzonych w mięśniach z siłami zewnętrznymi oraz towarzyszące temu przeciwstawianie momentów działających w stawach.

● Wzorzec chodu zmienia się w wiekiem, począwszy od wczesnych lat dziecięcych, kiedy ok. 1. roku życia dziecko zaczyna chodzić, a skończywszy na wieku podeszłym i starczym, kiedy to od 60. roku życia obserwujemy degradację prędkości i jakości chodu.


Analiza chodu

Czynniki charakteryzujące prawidłowy chód wg Degi

● rotacja miednicy

● przechyły miednicy w płaszczyźnie czołowej

● zgięcie kolana podczas fazy podparcia

● synchronizacja ruchu w stawie kolanowym z ruchem stawu skokowego

● ruchy miednicy w płaszczyźnie poprzecznej połączone z odwiedzeniem w stawie biodrowym

● poruszamy się tak, aby zużywać jak najmniej energii!


Analiza chodu

Czynniki charakteryzujące prawidłowy chód wg Degi

●


Analiza chodu

Przyczyny zaburzeń

● Patologie występujące we wzorcu chodu mogą mieć różne podłoże, np:

➢ deformacje anatomiczne,

➢ nieprawidłowa praca mięśni zarówno jeśli chodzi o rozwijaną siłę (za duża/za mała), przykurcze, jak i niewłaściwe wysterowanie czasowe skurczy,

➢ nieprawidłowości neurologiczne,

➢ patologie wtórne

➢ ból

● Przykład: https://www.youtube.com/watch?v=iXlesboM-RE



Elektromiografia dynamiczna

Typy nieprawidłowej aktywacji i mięśni podczas chodu:

● Zbyt wczesne pobudzenie

● Zbyt długie pobudzenie

● Ciągłe pobudzenie

● Opóźnione pobudzenie

● Brak pobudzenia

● Pobudzenie skrócone

● Pobudzenie przesunięte w fazie


Analiza chodu

Analiza chodu w praktyce klinicznej

● Nawet niewielkie zmiany wzorca chodu mogą powodować zwiększenie wydatku energetycznego i pojawienie się nieprawidłowości wtórnych

● W celu prawidłowego dobrania metod leczniczych konieczne jest rozróżnienie funkcjonalnych kompensacji i problemów pierwotnych

● Kompleksowa obsługa pacjenta w zakresie badania chodu obejmuje zarówno orientacyjne badanie jakościowe, pozwalające stwierdzić fakt patologii, jak i obiektywne badania ilościowe, które są niezbędne do uzyskania odpowiedzi na pytanie o przyczyny nieprawidłowości.

● W warunkach klinicznych, badanie chodu powinno składać się z kilku etapów:

➢ badanie statyczne: ma na celu stwierdzenie kondycji i pracy układu szkieletowego i mięśniowego, sprawdza się sztywność oraz kontrolę mięśni, rozwijaną przez nie siłę, odnotowuje deformacje oraz pomiary układu szkieletowego

➢ pomiar zakresów ruchów w stawach

➢ analiza chodu, czyli badanie dynamiczne chodu

● Podstawą do dalszego postępowania zawsze jest badanie fizykalne (pierwsze dwa). Następnie np. obserwacyjna analiza chodu i w dalszej kolejności inne, np. badania radiologiczne.


Analiza chodu


● Wyróżniamy trzy grupy obiektywnych typów pomiarów parametrów chodu:

● metody zajmujące się pomiarem parametrów czasowo-przestrzennych

➢ długość kroku

➢ czas wykonania kroku

➢ długość całego cyklu chodu, czyli odległość jaką pokonuje pacjent po wykonaniu kroku prawego i lewego

➢ szerokość kroku: mierzona jako odległość między stopami w płaszczyźnie czołowej

➢ ilość kroków na minutę

➢ szybkość chodu

● ...


Analiza chodu


● Typy pomiarów parametrów chodu (c.d.):

● ...

● metody kinematyczne, zajmujące się pomiarami trajektorii wybranych punktów ciała pacjenta (kostka, kolano, biodro itp.) i pomiarami kątów między poszczególnymi segmentami oraz pomiarami prędkości i przyspieszeń segmentów ciała

➢ Elektrogoniometry

➢ Motion capture

➢ Czujniki – inercyjne, magnetyczne, ultradźwiękowe

● ...


Analiza chodu



● ...

● metody kinetyczne, które zajmują się pomiarami sił występujących w czasie chodu

➢ ???


Analiza chodu



● ...

● metody kinetyczne, które zajmują się pomiarami sił występujących w czasie chodu

➢ Siły reakcji podłoża

➢ Rozkład nacisków na stopie podczas chodzenia

➢ Elektromiografia dynamiczna lub kinezjologiczna

• Pozwala na uzyskanie informacji o fazach chodu w których dany mięsień jest aktywny oraz na ocenę stopnia jego aktywacji

• Zazwyczaj stosuje się elektrody powierzchniowe

• W sytuacji, gdy potrzebna jest informacja o aktywności mięśni małych i głęboko położonych stosuje się elektrody wkuwane

Biomechanika Inżynierska -...

Documents

Transcript of Biomechanika Inżynierska -...