RECENZJA. rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Żuk p.t. Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Mieczysław Szata, prof. nadzw. PWr Wrocław, Politechnika Wrocławska Wydział Mechaniczny Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej Dyscyplina: mechanika Specjalność: wytrzymałość materiałów (mechanika pękania, zmęczenie) ul. Smoluchowskiego 25, WROCŁAW RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Żuk p.t. Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka Opis identyfikacyjny: komputeropis na prawach rękopisu, stron 142, pozycji literatury 224. Promotorzy rozprawy doktorskiej: dr hab. inż. Celina Pezowicz, prof. nadzw. PWr, dr hab. n. med. inż. Małgorzata Syczewska. Zleceniodawca: Prodziekan Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, dr inż. Tadeusz Lewandowski, zlecenie z dnia 29 lipca 2016 r. Rozprawa zawiera spis treści, 7 numerowanych rozdziałów, bibliografię, spis rysunków, spis tabel oraz 6 załączników. W rozdziale 1. zatytułowanym Wprowadzenie, we Wstępie Autorka krótko omawia zakres tematyczny pracy oraz definiuje za literaturą chód jako podstawową formę lokomocji człowieka i tym samym jedną z najważniejszych aktywności ruchowych. Pojawia się tu ciekawa definicja chodu jako warunku indywidualnej wolności. Niezwykle złożony i zoptymalizowany w procesie ewolucji mechanizm chodu jako synonim wolności może być utracony w wyniku urazów, uszkodzeń układu nerwowego, zaburzeń koordynacji ruchowej, zmniejszenia ruchomości stawów, schorzeń degeneracyjnych. Potrzeba leczenia różnych dysfunkcji w obrębie narządu ruchu jest główną motywacją badań nad biomechaniką chodu człowieka. Badanie i modelowanie narządu ruchu człowieka jest złożonym, wieloetapowym procesem, poruszającym zagadnienia z pogranicza mechaniki, medycyny i informatyki. W rozdziale 2., zatytułowanym Analiza stanu wiedzy, Doktorantka wprowadza czytelnika w problematykę modelowania narządu ruchu człowieka i symulacji dynamicznych człowieka. 1

2 Biomechanika narządu ruchu człowieka od wieków pasjonuje naukowców i inżynierów, mimo to wiele ze sformułowanych dotychczas problemów nadal pozostaje bez rozwiązania. Współcześnie w obszarze zainteresowania naukowców, inżynierów i lekarzy znajduje się opis takich wielkości mechanicznych, jak: kinematyka szkieletu, wypadkowe momenty sił w stawach, siły poszczególnych mięśni, obciążenia w stawach, czy wydatek energetyczny. Złożoność narządu ruchu człowieka oraz ograniczone możliwości pomiarowe powodują, że dokładna identyfikacja tych wielkości mechanicznych nadal jest dużym wyzwaniem. Mimo ciągłego rozwoju technik pomiarowych, wydaje się, że bezpośrednie i bezinwazyjne pomiary sił wewnętrznych działających w układzie szkieletowo-mięśniowych jeszcze na długo pozostaną niedostępne. Odpowiedzią na te ograniczenia jest rozwój metod symulacji komputerowych i modeli dynamicznych układu ruchu człowieka. W ostatnich latach zaobserwować można wzrost zainteresowania zagadnieniami modelowania narządu ruchu i symulacji dynamicznych, co znajduje odzwierciedlenie w rosnącej liczbie publikowanych prac z tego zakresu. Obecny stan wiedzy wraz ze współczesnymi możliwościami technik komputerowych i pomiarowych pozwala na oszacowanie wypadkowych momentów sił w stawach, sił poszczególnych mięśni czy reakcji w stawach, na podstawie wieloczłonowych modeli ciała człowieka i charakterystyk kinematycznych wybranej czynności ruchowej. Brak dostatecznej weryfikacji i walidacji metod zapewniających dokładność uzyskanych wyników symulacji stanowi dużą barierę w powszechnym stosowaniu modelowania mięśniowo- szkieletowego, zarówno w praktyce klinicznej, jak i w projektowaniu urządzeń medycznych. Proces modelowania i symulacji obejmuje następujące etapy: rejestrację danych eksperymentalnych, stanowiących dane wejściowe symulacji dynamicznych, budowę ogólnego modelu biomechanicznego ciała człowieka, budowę modelu indywidualnego, dostosowanego do anatomii badanej osoby, symulację dynamiczną, weryfikację modelu i uzyskanych wyników. Rejestracja danych eksperymentalnych to przede wszystkim zebranie charakterystyk kinematycznych będących danymi wejściowymi w zadaniu dynamiki odwrotnej. Najczęściej jest to pomiar trajektorii markerów umieszczonych na ciele człowieka. Metody pomiaru i ilościowego opisu kinematyki narządu ruchu człowieka pełnią szczególną rolę, gdyż nie tylko dostarczają danych wejściowych do symulacji dynamicznych, ale również stanowią niezależne narzędzie diagnostyczne i badawcze. Uzupełnieniem tych danych są często pomiary sił reakcji z podłożem, które mogą również stanowić dane wejściowe w zadaniu dynamiki odwrotnej lub służyć do walidacji wyników. Pomiar czynności elektrycznej mięśnia metodą elektromiografii powierzchniowej dostarcza natomiast informacji o czasie i poziomie aktywacji mięśnia. Dane te mogą być wykorzystane zarówno do walidacji wyników symulacji dynamicznych odwrotnych, jak również jako dane wejściowe symulacji dynamicznej prostej, gdzie model sterowany jest pobudzeniem mięśnia. Powszechnie stosowane w praktyce klinicznej metody rejestracji i opisu kinematyki stawów (tzw. protokoły klasyczne) zostały zaproponowane wraz z pojawieniem się pierwszych optycznych systemów śledzenia ruchu, które determinowały liczbę i wzajemne rozmieszczenie markerów. W związku z tym najczęściej stosowane 2

3 protokoły klasyczne wprowadzają pewne założenia dotyczące struktury kinematycznej szkieletu już na etapie samego pomiaru. W literaturze jak dotąd brakuje opisu i weryfikacji metod rejestracji danych kinematycznych opartych na anatomicznych definicjach układów współrzędnych, dostosowanych do wymagań symulacji dynamicznych. Kolejnym etapem modelowania jest budowa ogólnego modelu mięśniowoszkieletowego, polegająca na przyjęciu wieloczłonowego modelu fizycznego szkieletu, modelu układu mięśniowego oraz modelu matematycznego adekwatnego dla przyjętych modeli fizycznych. Wieloczłonowy model fizyczny szkieletu definiuje strukturę i geometrię układu oraz parametry masowo-bezwładnościowe poszczególnych członów. Ciekawą inicjatywą jest udostępnianie przez naukowców opracowanych modeli komputerowych. Tworzenie ogólnodostępnych bibliotek modeli może mieć bardzo duże znaczenie w dalszym rozwoju modelowania mięśniowo-szkieletowego. Udostępnianie modeli może nie tylko ułatwić i rozpowszechnić modelowanie szkieletowo-mięśniowe, ale jednocześnie pozwoli na efektywniejszą weryfikację i walidację samych modeli i wyników symulacji. Potencjalne zastosowania modelowania narządu ruchu w praktyce klinicznej wymagają uzyskania możliwie dokładnych wyników dla badanego pacjenta, stąd potrzeba tworzenia modeli indywidualnych, w których wybrane wielkości antropometryczne są bezpośrednio zmierzone. Spersonalizowane modelowanie mięśniowo-szkieletowe jest nowym kierunkiem w biomechanice układu ruchu człowieka. Istotnym czynnikiem są rosnące możliwości pomiarowe, głównie rozwój obrazowania medycznego. Dotychczas personalizacja obejmowała głównie zastosowanie obrazowania do personalizacji geometrii szkieletu i układu mięśniowego, a badania wykazały znaczące różnice w ramionach sił mięśniowych, długości mięśni oraz wielkości kinematycznych, uzyskanych dla przeskalowanych modeli ogólnych oraz modeli indywidualnych. Chociaż można oczekiwać wzrostu zainteresowania personalizacją wieloczłonowych modeli narządu ruchu, to jednak nadal brakuje badań wskazujących parametry modelu, które należałoby personalizować i określających, jaki wpływ ma ten proces na dokładność symulacji dynamicznych. Następnym etapem procesu modelowania są symulacje dynamiczne z wykorzystaniem modeli mięśniowo-szkieletowych. Współcześnie są to symulacje komputerowe, często prowadzone przy użyciu specjalistycznych pakietów symulacyjnych, w tym pakietów przeznaczonych do modelowania narządu ruchu. W symulacjach dynamicznych stosuje się różne podejścia w zależności od postawionego celu eksperymentu symulacyjnego i dostępnych danych pomiarowych. Wyróżnić można symulację dynamiczną odwrotną, kiedy znany jest ruch, a wyznaczane są siły, który ten ruch wywołały oraz symulację dynamiczną prostą, kiedy wyznaczany jest ruch układu na podstawie działających sił. Brak możliwości bezpośredniego i nieinwazyjnego pomiaru sił mięśniowych oraz ograniczenie pomiaru poziomu aktywacji do mięśni powierzchniowych sprawiają, że częściej stosuje się symulację dynamiczną odwrotną wraz z pomiarem kinematyki i sił reakcji. 3

4 Głównym problemem w identyfikacji sił mięśniowych jest nadmiarowość układu mięśniowego człowieka. Układ mięśniowy jest układem redundantnym, liczba mięśni biorąca udział w realizacji ruchu jest większa od liczby stopni swobody stawów, zatem udział wielu mięśni z technicznego punktu widzenia nie jest konieczny. Wydaje się, że nadmiarowość ma zapewnić uniwersalność i większą efektywność narządu ruchu, aczkolwiek jej przyczyny pozostają przedmiotem badań naukowych z zakresu biomechaniki. Weryfikacja i walidacja stosowanych modeli i technik symulacji dynamicznych jest bardzo ograniczona przez brak możliwości bezpośrednich pomiarów sił występujących w układzie ruchu człowieka. Dotychczas bezpośrednia walidacja wyników polegała głównie na pomiarach uzyskanych z zastosowaniem wszczepialnych endoprotez. Metoda ta mogłaby stanowić złoty standard, niemniej liczba osób z takimi endoprotezami jest niewielka; są to pacjenci po interwencji chirurgicznej o stosunkowo wysokiej średniej wieku i tylko nieliczne ośrodki badawcze mają dostęp do tych pacjentów. Zdecydowanie częściej stosowaną formą walidacji wyników symulacji dynamicznych jest porównanie uzyskanych przebiegów sił mięśni z zarejestrowanymi sygnałami elektromiograficznymi. Jest to walidacja pośrednia, a sygnał EMG najczęściej wykorzystywany jest do oceny udziału poszczególnych mięśni podczas realizacji ruchu. Inną formą pewnej oceny dokładności wyników jest analiza wrażliwości symulacji dynamicznych. Analiza ta umożliwia przede wszystkim ocenę odporności modelu i opis zależności wyników symulacji od poszczególnych parametrów modelu i technik symulacji, wstępną ocenę ich adekwatności i zakresu stosowania. Wskazanie parametrów, na które symulacje dynamiczne są szczególnie wrażliwe, oraz personalizacja tych wielkości może istotnie zwiększyć dokładność uzyskanych wyników symulacji. Problematyka modelowania narządu ruchu człowieka i symulacji dynamicznych jest ważna i aktualna, o czym świadczy szereg potencjalnych zastosowań wyników symulacji i obecne ograniczenia tych metod. Proces badania i modelowania jest dość złożony i jak wykazano w rozprawie na każdym jego etapie znaleźć można wiele ciekawych i aktualnych problemów stanowiących wyzwanie dla naukowców. Podczas realizacji badań własnych skupiono się na rozwoju nowych, spersonalizowanych metod badania kinematyki chodu oraz walidacji współcześnie rozwijanych modeli mięśniowo-szkieletowych i technik symulacji pod kątem ich personalizacji. W rozdziale 3., Autorka formułuje cel i zakres pracy. Na podstawie przeprowadzonej krytycznej analizy literatury z zakresu metod badania i modelowania narządu ruchu człowieka Doktorantka wykazała, że poruszana tematyka jest ważna, aktualna i ma duży potencjał aplikacyjny. Przedstawiła aktualny stan wiedzy ze wskazaniem najważniejszych problemów i ograniczeń, które mogą stanowić barierę w powszechnym wykorzystaniu tych metod w praktyce klinicznej i bioinżynierii. W odpowiedzi na wybrane problemy, w tym ograniczenia obecnie stosowanych metod rejestracji charakterystyk kinematycznych chodu, oraz brak dostatecznej walidacji wyników symulacji dynamicznych z wykorzystaniem 4

5 wieloczłonowych modeli narządu ruchu, Doktorantka formułuje własne zadania badawcze. W ocenie Autorki, cele główne rozprawy to: opracowanie nowych, spersonalizowanych metod badania kinematyki chodu człowieka, walidacja współcześnie stosowanych komputerowych, wieloczłonowych modeli mięśniowo-szkieletowych oraz różnych technik symulacji dynamicznych. Zakres rozprawy doktorskiej obejmuje: rozwój i walidację anatomicznego protokołu analizy kinematyki chodu z weryfikacją opracowanych narzędzi analitycznych, opis kinematyki chodu prawidłowego z zastosowaniem opracowanego protokołu, opracowanie procedur kalibracji anatomicznej protokołu analizy ruchu z wykorzystaniem obrazowania ultrasonograficznego oraz metod funkcjonalnych, ocenę wpływu kalibracji anatomicznej na uzyskany opis kinematyki chodu, analizę wrażliwości wyników symulacji dynamicznych na wybrane parametry modelu oraz różne techniki symulacji, ocenę zasadności personalizacji wybranych parametrów komputerowego modelu narządu ruchu, walidację różnych kryteriów optymalizacyjnych i technik symulacji z wykorzystaniem elektromiografii powierzchniowej. W tym miejscu należy odpowiedzieć na pytanie, czy podjęta przez Doktorantkę tematyka jest aktualna i ważna. Recenzent nie ma wątpliwości co do aktualności tematu i jego znaczenia dla rozwoju Inżynierii Biomedycznej, a przede wszystkim dla zdrowia i komfortu pacjentów. Zaproponowane i zastosowane nowoczesne metody badawcze i analiza uzyskanych rezultatów bez wątpienia przyczynią się do rozwoju dyscypliny Mechanika, w której lokuje się recenzowana interdyscyplinarna rozprawa. Badania własne opisane zostały w drugiej części pracy, składającej się z trzech rozdziałów. Rozdział czwarty dotyczy rozwoju nowych metod badania i opisu kinematyki kończyny dolnej. W rozdziale tym zaproponowano i zweryfikowano różne możliwości personalizacji modeli przeznaczonych do badania chodu człowieka z wykorzystaniem optycznych systemów śledzenia ruchu, jak również przedstawiono opis kinematyki chodu prawidłowego zebranego dla grupy osób zdrowych. 5

6 W rozdziale 5. przedstawiono szczegółowe wyniki analizy wrażliwości wybranego modelu mięśniowo-szkieletowego. Przeanalizowano również wpływ zmiany wybranych parametrów modelu, w tym mas członów, maksymalnych sił izometrycznych mięśni, położenia środka stawu biodrowego oraz liczby mięśni uwzględnionych w modelu, na wyniki symulacji sił mięśni. Ponadto porównano różne techniki symulacji dynamicznych, jak optymalizacja statyczna z różnymi kryteriami czy algorytm wykorzystujący rozwiązanie zagadnienia dynamiki prostej, optymalizację statyczną oraz regulację PD. Istotną częścią rozdziału jest analiza porównawcza, pozwalająca na ocenę zasadności personalizacji wybranych parametrów modelu (zamieszczona w podrozdziale 5.7) oraz podsumowanie (podrozdział 5.8). W rozdziale 6. przedstawiono walidację wyników symulacji dynamicznych z wykorzystaniem elektromiografii. Wykonano badania eksperymentalne oraz symulacje numeryczne, które pozwoliły na ilościową ocenę zgodności oszacowanych sił i zmierzonych sygnałów elektromiograficznych. Analiza obejmowała symulacje z zastosowaniem trzech różnych kryteriów optymalizacyjnych, algorytm wykorzystujący regulacje PD oraz dwa modele o różnej złożoności. Podsumowanie wyników walidacji zamieszczono w podrozdziale 6.4. Syntetyczne podsumowanie najważniejszych osiągnięć pracy zamieszczono w rozdziale 7. W końcowej części pracy zamieszczono bibliografię, spis ilustracji i tabel oraz załącznik zawierające dodatkowe wyniki symulacji dynamicznych przeprowadzonych w ramach rozdziału czwartego. Bibliografia rozprawy doktorskiej mgr Magdaleny Żuk zawiera 224 pozycje, spośród których 61 (27%) obejmuje okres od roku Świadczy to o aktualności i rosnącym znaczeniu tematyki podjętej przez Doktorantkę. W 8 cytowanych publikacjach z okresu Doktorantka jest głównym autorem. UWAGI O ROZPRAWIE Rozprawa jest napisana poprawnym, zrozumiałym językiem i wykazuje bardzo dobry poziom edytorski. Na szczególne podkreślenie zasługuje bogata dokumentacja graficzna. Rysunki oraz fotografie są wykonane bardzo starannie z umiejętnym wykorzystaniem koloru i odzwierciedlają szeroki program badań. Tabele są przejrzyste dla czytelnika. Recenzent, niebędący entuzjastą niedawnych zmian strukturalnych na Wydziale Mechanicznym PWr musi odnotować, na przykładzie recenzowanej rozprawy, ich pozytywne strony. Otóż metody i podejście, znane i stosowane dotychczas w Zakładzie Mechatroniki i Teorii Mechanizmów, po połączeniu z Zakładem Inżynierii Biomedycznej zostały z powodzeniem zastosowane w recenzowanej rozprawie doktorskiej. Znaczący element rozprawy stanowią bogato udokumentowane własne badania eksperymentalne, uzupełniane szeroką analizą numeryczną. 6

7 Na stronie 66 Autorka pisze: zgodnie ze zmodyfikowanym protokołem Helen Hayes (HH, model BTS MAS) [49] [96] [155]. Rozmieszczenie markerów przedstawiono na rysunku 4.8. Ten sam badacz wskazał punkty anatomiczne wykorzystywane w obu protokołach, Z tekstu czytelnik domyśla się, że Helen jest kobietą, jednak dalsza część opisu może wprawić go w zakłopotanie. Chciałbym prosić Doktorantkę o opinię w sprawie regulacji PD (proporcjonalno-różniczkującej), o której pisze m.in. na stronie 90 rozprawy. Wiadomo, że z całkowaniem sygnałów nie ma większych problemów, kłopoty zaczynają się przy różniczkowaniu. Często stosuje się oddzielne mierniki prędkości i przyśpieszenia, aby uniknąć różniczkowania zmierzonego sygnału przemieszczenia. Jak dobierać krok kwantowania? Co z oszacowaniem dokładności? Doktorantce należy się pochwała za dobór literatury znajdują się tam nie tylko pozycje najnowsze, lecz także publikacje ważne dla tego obszaru badawczego, opublikowane wcześniej. Spośród 224 pozycji zdecydowaną większość stanowią publikacje w języku angielskim. Jest to odbicie aktualnych wymagań, że publikować należy po angielsku. Brakuje odwołań do adresów internetowych, co obecnie należy do rzadkości. Uwagi te nie zmieniają mojej bardzo pozytywnej oceny rozprawy. Zdaniem recenzenta, rozprawa wyróżnia się ze względu na podjęcie trudnej tematyki i wykorzystanie nowoczesnych interdyscyplinarnych narzędzi badawczych. PODSUMOWANIE Istotny i twórczy wkład mgr inż. Magdaleny Żuk w rozwój mechaniki, w jej część teoretyczną, eksperymentalną i metodologiczną polega na tym, że przedstawiła rozwiązanie postawionego problemu badawczego, tj. Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka, na podstawie którego można sformułować następujące wnioski i osiągnięcia: W rozprawie Doktorantka rozwinęła metody rejestracji i opisu kinematyki kończyny dolnej z wykorzystaniem autorskiego, anatomicznego protokołu analizy chodu, w szczególności rozwinęła i zweryfikowała autorskie oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z optycznego systemu śledzenia ruchu. Zaproponowała opis kinematyki chodu prawidłowego, zebranego dla grupy osób zdrowych z zastosowaniem opracowanego anatomicznego protokołu oraz analizę porównawczą z protokołem klasycznym. Opracowała procedurę identyfikacji środka stawu biodrowego metodą funkcjonalną, będącą rozwinięciem własnego protokołu anatomicznego oraz jej walidację z wykorzystaniem obrazowania ultrasonograficznego. 7

8 Ważnym osiągnięciem Doktorantki jest ocena wpływu różnych metod kalibracji anatomicznej, w tym metody palpacyjnej, metody funkcjonalnej i obrazowania ultrasonograficznego z wolnej ręki, na opis kinematyki chodu. Największe osiągnięcia Doktorantki w zakresie walidacji współcześnie stosowanych wieloczłonowych modeli narządu ruchu i technik symulacji dynamicznych, to przede wszystkim ocena wpływu dokładności identyfikacji wybranych parametrów modelu mięśniowo- szkieletowego oraz różnych technik symulacji dynamicznych na oszacowane siły mięśni. Równie ważne było zdefiniowanie przez Autorkę wytycznych dotyczących personalizacji ogólnych modeli mięśniowo szkieletowych oraz wskazanie dalszych kierunków rozwoju modelowania narządu ruchu człowieka na podstawie analizy wrażliwości wybranego, współczesnego modelu narządu ruchu. Istotnym osiągnięciem rozprawy jest ocena zgodności wyników symulacji dynamicznych uzyskanych z zastosowaniem różnych kryteriów optymalizacyjnych i technik symulacji z otrzymanymi eksperymentalnie sygnałami elektromiograficznymi stanowiąca pośrednią walidację metod modelowania i symulacji komputerowej. Doktorantka wykazała, że uzyskanie dużej dokładności wyników symulacji dynamicznych wymaga zarówno personalizacji komputerowych modeli mięśniowo- szkieletowych, jak również identyfikacji złożonych strategii sterowania neuro-mięśniowego. WNIOSEK o dopuszczenie do publicznej obrony Rozprawa doktorska mgr inż. Magdaleny Żuk stanowi oryginalne rozwiązanie postawionego zagadnienia naukowego, wykazuje ogólną wiedzę teoretyczną Autorki w dyscyplinie naukowej Mechanika i umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Odpowiada więc warunkom ustawy Nr 595 z dnia 14 marca 2003 r., a w szczególności warunkom określonym w artykule 13 rozdziału 2 ustawy (Dz. U. nr 65/2003 z 16 kwietnia 2003 r.). Wnioskuję o dopuszczenie rozprawy do publicznej obrony. 8