Biomechanika Inżynierska

Transkrypt

1 wykład 6 dr inż. Szymon Cygan Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechnika Warszawska 1

2 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. 2

3 Znaczenie ruchu błędne koło A. Godfrey, et.al. Direct measurement of human movement by accelerometry 3

4 Badanie ruchu Ze względu na te liczne powiązania ruch może być źródłem wielu cennych informacji zarówno w medycynie jak i w innych naukach. 4

5 Stykowe Bezstykowe Obrazowanie wew. Bez organów wew. Inercyjne Akustyczne Magnetyczne Polowe Punktowe MRI CT Fluoroskopia Ultrasonografia Elektromech / Elektroopt Optyczne Inne Za: Marcin Witkowski Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka Systemy umożliwiające badanie ruchu 5

6 Dobór metody badania ruchu Rodzaj ruchu (np. globalny czy lokalny) Możliwość ingerencji Dopuszczalność poszczególnych metod Wymagana dokładność Przeznaczenie danych z rejestracji Powtarzalność dostępne środki 6

7 Rodzaj systemu pomiarowego Pozyskiw anie danych 4D (x, y, z, t) Obrazow anie narządó w wewnętr znych Brak szkodliw ego promieni owania Wymiary objętości pomiaro wej Brak utrudnień ruchu pacjenta Niepewn ość pomiaru Rozdziel czość przestrze nna danych Rozdzielc zość 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 Inżynierska Biomechanika Za: Marcin Witkowski Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka L.p. / 7

9 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. 9

11 Optyczne bezstykowe metody zewnętrzne Punktowe Zdecydowanie 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). Polowe Wykorzystują 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). 11

13 Obrazowanie struktur wewnętrznych Rentgenoskopia / fluoroskopia...pozwala na pozyskiwanie jedynie płaskich obrazów zmiennych w czasie, tzw. 2Dt, ukazujących projekcję ciała pacjenta na płaszczyznę detektora, umożliwiając dwuwymiarowe śledzenie ruchu kości oraz innych wybranych struktur anatomicznych. Tomografia komputerowa CT Rentgenowskie 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 MRI Umożliwiają 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 13

15 Metody stykowe Ultrasonografia Ukazuje 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 elektrooptyczne Bardzo szeroka gama urządzeń do identyfikacji ruchu segmentów ciała Egzoszkielety Elektrogoniometry Układy akcelerometryczne Układy elektromiograficzne Etc. 15

16 Jak zakwalifikować KTG*? * kardiotokografia 16

17 Jak zakwalifikować KTG? Z jednej strony ma związek z ultrasonografią (stykowa metoda badania struktur wewnętrznych) Z punktu widzenia przedmiotu badań: Bezstykowa metoda akustyczna Zgrubna identyfikacja ruchów: Tętna Pseudoodechowych Globalnych 17

18 Na przykładach Optyczne metody punktowe: 1. 3D np. Vicon 2. Metoda uproszczona Optyczne metody polowe: 3.OGX 4DBody 4.Pomiary kształtu Obrazowanie wewnętrzne: 5. Fluoroskopia 6. MRI i USG Układy elektroniczne, elektromechaniczne etc.: 7. Elektrogoniometry 8. Układy akcelerometryczne 9. Układy elektromiograficzne 18

20 1. Vicon 20

21 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 retrorefleksyjne (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. 21

22 1. Optyczne metody punktowe 3D Podczas pomiaru pacjent znajdujący się w przestrzeni pomiarowej wykonuje akty ruchowe związane z kierunkiem badania. Sekwencje obrazów pobranych rzez 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. 22

23 1. Optyczne metody punktowe 3D 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 czasowych (akwizycja ponad 200 Hz). 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. 23

24 1. Optyczne metody punktowe 3D 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) 24

26 2. Metoda uproszczona mgr inż. Ewa Mach praca magisterska Badania 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... 26

27 2. Metoda uproszczona mgr inż. Ewa Mach praca magisterska Badania eksperymentalne i modelowanie dynamiki kończyny dolnej... 27

28 2. Metoda uproszczona mgr inż. Ewa Mach praca magisterska Badania eksperymentalne i modelowanie dynamiki kończyny dolnej... Dane video Dane antropometr. Śledzenie markerów Wyznaczanie sił dla segmentów Wyznaczenie kątów Wyznaczenie prędkości kąt. Wyznaczanie sił mięśniowych Wyznaczenie przyspieszeń kąt. 28

33 3. Optyczna metoda polowa - OGX4DBody Zespół prof. Roberta Sitnika Zakład Inżynierii Fotonicznej Wydział Mechatroniki Politechnika Warszawska 33

34 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 34

35 3. Optyczna metoda polowa dr inż. Marcin Witkowski rozprawa doktorska Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka 35

36 3. Optyczna metoda polowa dr inż. Marcin Witkowski rozprawa doktorska Metoda analizy sekwencji chmur punktów na potrzeby lokalizacji i śledzenia wybranych fragmentów powierzchni kończyn dolnych człowieka 36

38 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 38

40 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 40

42 6. MRI i USG Cardiac Motion Estimation Strain Imaging Strain Rate Imaging 42

44 7. Elektrogoniometry Goniometr miernik kąta... Najpopularniejsze są elektrogoniometry potencjometryczne oraz tensometryczne. 44

45 7. Elektrogoniometry Inż. Aleksandra Wilczewska praca inżynierska Projekt 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 ( ), - dokładność: nie mniejsza niż

47 8. Układy akcelerometryczne Znajdują zastosowanie w monitorowaniu bardzo różnorodnych rodzajów ruchu, między innymi: Proste ruchy fizjologiczne: Monitorowanie oddechu (u noworodków) Rejestrowanie kaszlu Zdarzenia Wykrywanie upadków Złożone ruchy Rozchodzenie się wibracji po ciele człowieka Zastosowanie 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 47

49 9. Układy elektromiograficzne Myo WristBand 49

50 9. Układy elektromiograficzne Praca inżynierska: Inż. Aleksandra Latos: Projekt i wykonanie modelu funkcjonalnego ośmiokanałowego, nieinwazyjnego odbiornika sygnałów EMG wbudowanego w opaskę na przedramię Hard- i software dokonujący interpretacji Przetwornik AC Wzmacniacz 2 filtry Wzmacniacz 1 Elektrody EMG 50

51 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) 51

52 2. Uproszczona optyczna metoda punktowa mgr inż. Ewa Mach praca magisterska Badania 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 Określenie sił rozwijanych przez poszczególne mięśnie wymaga wyznaczenia momentów w stawie konieczne jest poznanie sił interakcji z otoczeniem (nacisku na pedały). 52

53 Pomiary sił Możliwe podejścia: Siły reakcji podłoża Rozkład nacisków na stopie Elektromiografia dynamiczna lub kinezjologiczna 53

54 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 54

55 Pomiar rozkładu nacisków na stopie podczas chodu 56

56 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 57

57 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 58

58 Nowoczesne systemy wykorzystują więcej niż jedną metodę pomiaru 59

59 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 mięśniowoszkieletowego w środowisku OpenSim 60

60 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) 61

61 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 62

62 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 nerwowomięśniowych 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. 63

63 Analiza chodu 64

64 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. 65

65 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. 66

66 Analiza chodu Podział chodu na poszczególne fazy wg Jacqueline Perry 67

67 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. 68

68 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) 69

69 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. 70

70 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. 71

71 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 72

72 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). 73

73 Analiza chodu Fazy wg Jacqueline Perry 74

74 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. 75

75 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 lekkimbiomechanika zgięciu grzbietowym, Inżynierska przygotowując się do IC. 76

76 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. 77

77 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! 78

78 Analiza chodu Czynniki charakteryzujące prawidłowy chód wg Degi 79

79 80

80 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: 81

81 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 82

82 Analiza chodu Analiza chodu w praktyce klinicznej - zaburzenia 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. 83

83 Analiza chodu Analiza chodu w praktyce klinicznej - badania 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... 84

84 Analiza chodu Analiza chodu w praktyce klinicznej - badania 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... 85

85 Analiza chodu Analiza chodu w praktyce klinicznej - badania Typy pomiarów parametrów chodu (c.d.):... metody kinetyczne, które zajmują się pomiarami sił występujących w czasie chodu??? 86

86 Analiza chodu Analiza chodu w praktyce klinicznej - badania Typy pomiarów parametrów chodu (c.d.):... 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 87