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 Wprowadzenie Biomechaniczne parametry chodu Knee kinematics Autor: dr inż. S.Winiarski 1
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. 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 wychyleń pionowych OSC, energia potencjalna, maksymalna siła reakcji, gradient przyrostu siły i współczynniki asymetrii chodu ulegają istotnym zmianom w procesie fizjoterapii. Autor: dr inż. S.Winiarski 2
Materiał badawczy (N=161) Eksperyment pierwszy (osoby zdrowe) 23 osoby (mężczyźni) wiek 20-25 lat Grupa eksperymentalna (artroskopowa rekonstrukcja ACL) 86 osób (33K, 53 M) wiek 17-58 lat Eksperyment drugi Grupa kontrolna (osoby zdrowe) 75 osób (31K, 44M) wiek 19-33 lat masa ciała 62-96 kg wysokość ciała 172-190 cm masa ciała 50-115 kg wys. ciała 158-192 cm masa ciała 46-97 kg wys. ciała 158-191 cm Okresy badawcze monitoringu rehabilitacji: badanie 1: 2-4 tydz., badanie 2: 3-8 tydz., badanie 3: 9-12 tydz. Stanowisko pomiarowe SIMI Certyfikat Systemu Jakości nr 1374-b/1/2004, PN-EN ISO 9001:2001 Autor: dr inż. S.Winiarski 3
znaczniki Metoda Przygotowanie osoby badanej Model 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 Metoda obliczenia wstępne Autor: dr inż. S.Winiarski 4
Siła reakcji podłoża metoda bezpośrednia Kartezjańskie składowe wektora GRF pionowa Metoda przednio-tylna boczna Siła reakcji podłoża metoda pośrednia m a = R + Q + F o R = m a+ m g= m ( a+ g) R a g = R[BW] = + m g g Autor: dr inż. S.Winiarski 5
Siła reakcji podłoża metoda pośrednia ( a g) R = m a + m g= m + a + g R[BW] = g m g + m a(t), dla t1 t t2 R z(t1 ) R z(t) = ( t t0 ), dla t0 t < t1 t1 t0 R z(t2 ) ( t3 t), dla t2 < t t3 t3 t2 Sato i Andrew (2002) (dla chodu prawidłowego) Biomechaniczne parametry chodu w monitoringu fizjoterapii ACL Parametry przestrzenne długość kroku podwójnego (m); długość kroku pojedynczego (m); Autor: dr inż. S.Winiarski 6
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 (%); Autor: dr inż. S.Winiarski 7
Parametry Kinematyka stawu kolanowego: w momencie pierwszego kontaktu stopy (k HS ); maksymalnego zgięcia na początku podparcia (k 1 ) oraz czas wystąpienia k 1 (t k1 ); największego wyprostu w czasie pojedynczego podparcia (k 2 ) oraz czas wystąpienia wartości k 2 (t k2 ); w momencie oderwania palców na końcu podporu (k TO ); maksymalnego zgięcia podczas fazy przeniesienia kończyny (k 3 ) oraz czas wystąpienia maksimum (t k3 ); maksymalnego wyprostu w fazie przygotowawczej (k 4 ) oraz czas wystąpienia maksymalnego wyprostu (t k4 ); zakres ruchu (Z); 180 - α Z = k 3 min(k2,k4) Parametry Trajektoria ogólnego środka ciężkości wartość położenia pionowego OSC w momencie pierwszego kontaktu (h min1 ) oraz czas wystąpienia h min1 (t hmin1 ); największa wartość w czasie podporu pojedynczego (h max1 ) oraz czas wystąpienia h max1 (t hmax1 ); najmniejsza wartość w czasie końcowego podwójnego podparcia (h min2 ) oraz czas wystąpienia h min2 (t hmin2 ); największa wartość w czasie wymachu (h max2 ) oraz czas wystąpienia h max2 (t hmax2 ); amplituda wychyleń pionowych OSC; h max( h, h ) min ( h, h ) h w = max1 max2 min1 min2 h h = H energia potencjalna; E = m g E p p, w = E p h m g L Autor: dr inż. S.Winiarski 8
Siła reakcji podłoża Parametry wartość siły reakcji na końcu początkowego podwójnego podparcia (F TO ); maksymalna wartość siły (F1) oraz czas wystąpienia F1 (t F1 ); minimalna wartość siły (F2) oraz czas wystąpienia F2 (t F2 ); maksymalna wartość siły (F3) oraz czas wystąpienia F3 (t F3 ); wartość siły na początku końcowego podwójnego podparcia (F HS ); gradient przyrostu maksymalnej wartości siły reakcji F1 (LR); gradient ubytku maksymalnej wartości siły reakcji F3 (ULR); F1 LR = t F1 F3 ULR = t t St 3 Parametry Współczynniki asymetrii chodu: Robinson i wsp., 1987; Herzog i wsp., 1989; White i wsp., 1999: X W1 = 1 2 X L P ( ) 100% X + X L P Chen, 2005: X W2 = max X pat. norm. ( X,X ) 100% pat. norm. Autor: dr inż. S.Winiarski 9
Procedury normalizacyjne Pierrynowski i Galea (2001) Stansfield i wsp. (2006) Wyniki 1. Weryfikacja metody pośredniej szacowania siły reakcji (test istotności różnic t-studenta) Autor: dr inż. S.Winiarski 10
Wyniki 2. Monitoring fizjoterapii osób po rekonstrukcji ACL Parametry przestrzenne (ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR) Wyniki - 2. Monitoring fizjoterapii Parametry czasowe: bad.1 bad.2 bad.3 (ANOVA - porównanie post-hoc metodą NIR) Autor: dr inż. S.Winiarski 11
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) Autor: dr inż. S.Winiarski 12
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 dodatkowe (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. Autor: dr inż. S.Winiarski 13
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 wychyleń pionowych 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 wychyleń pionowych; 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. Autor: dr inż. S.Winiarski 14
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. Autor: dr inż. S.Winiarski 15