-
1
Magdalena Żuk
Materiały do laboratorium w ramach kursu Mechatronika w
Medycynie
Temat: Analiza chodu człowieka z zastosowaniem optycznego
systemu śledzenia ruchu
1. Analiza chodu człowieka
Chód jako podstawowy i naturalny sposób przemieszczania się
człowieka jest jedną z najbardziej
złożonych czynności ruchowych wykonywanych w życiu codziennym.
Analiza chodu jest przedmiotem
zainteresowania klinicystów, gdyż lepsze zrozumienie mechanizmów
lokomocji pozwala na
skuteczniejszą diagnostykę i terapię. Ocena wizualna chodu,
będącego złożeniem ruchów segmentów
ciała w przestrzeni trójwymiarowej, jest trudna, a diagnoza
funkcjonalna powinna być oparta na
badaniach obiektywnych. Rozwój metod pomiarowych pozwala na
Ilościowy, trójpłaszczyznowy opis
kinematyki chodu człowieka.
Chód to cykliczna aktywność ruchowa polegająca na powtarzaniu
się wzorców koordynacyjnych
kończyn dolnych oraz towarzyszących im współruchów kończyn
górnych, tułowia oraz głowy.
Charakterystyczny dla człowieka, dwunożny chód, Kapandji
zdefiniował jako cykl kontrolowanych
i zatrzymywanych w porę upadków [1], co jest konsekwencją
wybitnie niestabilnej pionowej postawy
ciała. Powtarzalność czasowa cechująca chód nazywa się cyklem
chodu. Cykl chodu obejmuje czynności
i ruchy wykonywane przez idącego pomiędzy kontaktem pięty z
podłożem kończyny a powtórnym jej
zetknięciem [2,3].
Ilościowy opis kinematyki chodu człowieka obejmuje dwie grupy
parametrów:
parametry czasowo-przestrzenne (Rysunek 1), jak:
o długość kroku: odległość pomiędzy punktem odłożenia pięty
jednej nogi a punktem
odłożenia drugiej nogi, średnia wartość dla chodu prawidłowego
to 0,72 m,
o długość podwójnego kroku (całego cyklu chodu): odległość
pomiędzy punktem
odłożenia pięty a punktem ponownego kontaktu pięty tej samej
stopy z podłożem,
średnia wartość wynosi 1,44 m,
o szerokość kroku, rozstęp pomiędzy piętami, wartość średnia
wynosi 0,08 m,
o kąt kroków: kąt pomiędzy osią długą stopy a kierunkiem ruchu,
średnia wartość
wynosi 7°
o częstość kroków – liczba cykli chodu wykonanych w jednostce
czasu,
o czas trwania pełnego cyklu chodu- czas od momentu kontaktu
pięty z podłożem do
momentu ponownego kontaktu piety tej samej kończyny z
podłożem,
o prędkość chodu,
-
2
o czas trwania faz chodu,
o udział faz w cyklu chodu,
parametry kinematyczne, jak:
o kąty w stawach,
o prędkości kątowe i liniowe,
o przyspieszenia kątowe i liniowe.
Rysunek 1 Wybrane parametry przestrzenne związane z cyklem
chodu
Szczegółowy opis wyznaczania parametrów czasowo-przestrzennych
można znaleźć w pracach [2-5].
Sam pomiar parametrów czasowo-przestrzennych nie wymaga
zastosowania zaawansowanych
systemów śledzenia ruchu w przeciwieństwie do parametrów
kinematycznych.
Podczas jednego cyklu każda z kończyn dolnych przechodzi przez
dwie fazy:
• fazę podporu (obciążania): zajmująca około 60% czasu cyklu
chodu podczas przeciętnie
szybkiego chodu; faza podporu rozpoczyna się w momencie
zetknięcia pięty z podłożem kończyny,
a kończy w chwili oderwania palucha od podłoża,
• fazę przenoszenia (wykroku): stanowiąca około 40% czasu cyklu
chodu; faza rozpoczyna się
w momencie oderwania palucha kończyny od podłoża, a kończy w
chwili zetknięcia pięty tej samej
kończyny z podłożem.
W trakcie cyklu chodu występuje również faza podwójnego
podparcia [2-3]. Faza podwójnego
podparcia jest to krótki okres podwójnego podporu, w trakcie
którego paluch nogi zakrocznej jeszcze
nie oderwał się od podłoża, a pięta nogi wykrocznej już się z
nim zetknęła. Czas trwania fazy podwójnego
podporu skraca się wraz ze wzrostem prędkości chodu, podczas
przeciętnie szybkiego chodu stanowi
około 10% cyklu, natomiast w trakcie biegu faza ta nie
występuje.
J. Perry podzieliła cykl chodu na osiem faz, które spełniają
trzy podstawowe zadania
(Rysunek 2):
1. Przejęcie ciężaru ciała:
Faza I: początkowy kontakt
Faza II: przyparcie całej stopy
2. Podparcie:
Faza II: środkowa faza podparcia
-
3
Faza IV: końcowa faza podparcia
3. Przenoszenie kończyny
Faza V: Przedprzenoszenie
Faza VI: Wstępne przenoszenie
Faza VII: Środkowa faza przenoszenia
Faza VIII: Końcowa faza przenoszenia
Wśród parametrów kinematycznych chodu człowieka najczęściej
analizuje się przebieg kątów w stawach
podczas pełnego cyklu chodu. W praktyce klinicznej kinematykę
stawu opisuje się trzema rotacjami
w stawie odzwierciedlającymi ruch w różnych płaszczyznach
anatomicznych: płaszczyźnie strzałkowej,
płaszczyźnie czołowej i płaszczyźnie poprzecznej. Ideową
reprezentację anatomicznych rotacji
w stawach, stosowaną w praktyce klinicznej, przedstawiono na
rysunku poniżej (Rysunek 3).
Parametry kinematyczne najczęściej są wyznaczane na podstawie
trajektorii markerów umieszczonych
na ciele badanej osoby, zmierzonych przy pomocy optycznych
systemów śledzenia ruchu. W analizie
kinematyki chodu, zakłada się, że segmenty są ciałami sztywnymi
wykonującymi obrót wokół pewnego
stałego punktu będącego środkiem stawu lub osi. Najczęściej
stosowaną metodą ilościowego opisu
wzajemnej orientacji segmentów ciała to metoda Cardana, gdzie
ruch w stawie reprezentowany jest
jako złożenie trzech rotacji wokół trzech różnych osi (Rysunek
4). Z każdym segmentem kończyny
związany jest układ współrzędnych zdefiniowany przez umieszczone
na ciele markery. Zaletą stosowania
kątów jest pewna intuicyjność anatomiczna, gdyż osie obrotu
można powiązać z osiami anatomicznymi,
a uzyskane wyniki mają lepsze odniesienie do terminów
klinicznych.
Rysunek 2 Podział cyklu chodu na fazę podporu i przenoszenia
oraz 8 podfaz według J. Perry
-
4
Rysunek 3 Definicje ruchów w stawach kończyn dolnych
Rysunek 4 Ilościowa reprezentacja kinematyki stawów podczas
chodu
2. Systemy śledzenia ruchu
Ilościowy, trójpłaszczyznowy opis kinematyki chodu człowieka
jest możliwy dzięki rozwojowi metod
pomiarowych. Wśród najczęściej wykorzystywanych systemów
przechwytywania ruchu możemy
wyróżnić (Rysunek 5):
optoelektroniczne systemy śledzenia ruchu- wielokamerowe systemy
mierzące trajektorie
znaczników (markerów) umieszczanych na ciele pacjenta
(przykładowe systemy: Vicon,
BTS, Optitrack),
systemy inercyjne - czujniki umieszczane na ciele pacjenta
mierzące przyspieszenie oraz
wzajemną orientację segmentów ciała (przykładowe systemy: Xsens,
Vicon IMU Blue
Thunder) ,
-
5
systemy wideo- systemy bezmarkerowe, rejestrujące obraz w
świetle widzialnym,
wykorzystujące metody analizy obrazu (przykładowy system:
Simi),
systemy akustyczne- wykorzystujące pomiar czasu dotarcia lub
przesunięcie w fazie
wygenerowanej fali ultradźwiękowej (przykładowy system:
Zebris),
elektroniczne goniometry-pomiar kątów w stawie w wybranej
płaszczyźnie.
Rysunek 5 Różne technologie śledzenia ruch człowieka: system
inercyjny, system akustyczny, goniometry oraz
optoelektroniczny system śledzenia ruchu
Optoelektroniczne systemy śledzenia ruchu
Zdecydowanie najczęściej wykorzystywanymi systemami śledzenia
ruchu, zarówno w praktyce
klinicznej, laboratoriach badawczych, jak i na potrzeby
tworzenia realistycznych animacji
komputerowych są optoelektroniczne systemy śledzenia ruchu
stanowiące „złoty standard” wśród
innych technik pomiarowych. Technologia ta pozwala na pomiar
położenia znaczników (tzw. markerów)
w przestrzeni z dużą dokładnością (ok. 0,1 mm ). Najczęściej
systemy te składają się z zestawu kamer,
które emitują promieniowanie z zakresu podczerwieni i rejestrują
promieniowanie odbite od
pasywnych, odblaskowych markerów (Rysunek 6).
-
6
Rysunek 6 Technologia śledzenia ruchu wykorzystująca pasywne,
odblaskowe markery oraz zestaw kamer podczerwieni
Zastosowanie optoelektronicznych systemów śledzenia ruchu w
analizie chodu
W praktyce klinicznej najczęściej wykorzystuje się
optoelektroniczne systemy śledzenia ruchu
wraz z pasywnymi markerami. Przykładowe wyposażenie laboratorium
zamieszczono na
rysunku Rysunek 7. Laboratorium takie zaopatrzone jest w zestaw
kamer, zazwyczaj co najmniej 6
kamer podczerwieni i 1-2 kamery wideo rozmieszczone tak, aby
możliwa była rejestracja chodu na
ścieżce pomiarowej o długości ok. 5-6 m. Istotną częścią systemu
jest oprogramowanie do analizy
biomechanicznej uzyskanych danych pomiarowych.
Rysunek 7 Laboratorium analizy chodu wyposażone w system
śledzenia ruchu
Badanie poprzedzone jest przygotowaniem pacjenta. Na ciele
pacjenta umieszcza się markery zgodnie
z przyjętym modelem biomechanicznym (tzw. protokołem analizy
chodu). Model biomechaniczny
najczęściej stosowany w praktyce klinicznej oraz przygotowanie
pacjenta przedstawiono na rysunku
poniżej ( Rysunek 8).
-
7
Rysunek 8 Przygotowywanie pacjenta do pomiaru ( po lewej ),
najczęściej stosowany w praktyce klinicznej model
biomechaniczny (po prawej): rozmieszczenie markerów na kończynie
dolnej .
3. Zastosowania ilościowej analizy ruchu człowieka
Współcześnie ilościowa analiza ruchu człowieka stosowana jest na
dwóch płaszczyznach: w praktyce
klinicznej oraz w badaniach naukowych. W praktyce klinicznej
analiza kinematyki chodu znalazła
zastosowanie głównie w trzech obszarach: w ocenie funkcjonalnej
pacjenta polegającej na określeniu
w jakim stopniu chód odbiega od wzorca dla osób zdrowych, w
ocenie postępów leczenia
operacyjnego, farmakologicznego, czy rehabilitacyjnego oraz w
celu opisania stereotypu chodu
różnych jednostek chorobowych [6]. Dotychczas analiza kinematyki
chodu przeprowadzona była dla
wielu jednostek chorobowych, a w literaturze można znaleźć wiele
prac opisujących chód pacjentów
z takimi schorzeniami, jak mózgowe porażenie dziecięce,
uszkodzenie centralnego układu nerwowego,
choroba Parkinsona, choroby zwyrodnieniowe i zapalenia
reumatoidalne stawów, amputacje kończyn,
deformacje szkieletowe, jak również pacjentów po alloplastyce
stawów. Ponadto ilościowy opis
kinematyki chodu człowieka może znaleźć zastosowanie w
projektowaniu protez, ortez, czy
egzoszkieletów. Chociaż sama analiza kinematyki ma charakter
głównie opisowy, gdyż rozważany jest
sam ruch bez wnikania w siły, które go wywołują, to
wykorzystanie ilościowego opisu kinematyki
w symulacjach dynamicznych daje możliwości wyjaśnienia tych
mechanizmów.
-
8
4. Przebieg laboratorium
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badania kinematyki kończyny
dolnej podczas chodu oraz
identyfikacja wybranych parametrów na podstawie zebranych danych
pomiarowych.
Podczas badania wykorzystany zostanie optoelektroniczny system
śledzenia ruchu Optotrak Certus
firmy NDI. System składa się z :
lokalizatora ( złożonego z 3 kamer podczerwieni),
jednostki głównej,
zestawu aktywnych markerów oraz ramek referencyjnych,
wskaźnika z nawigowaną końcówką z zamontowanymi markerami,
komputera wraz z oprogramowaniem.
Elementy systemu przedstawiono na rysunku Rysunek 9Rysunek
1.
System ten mierzy położenie aktywnych markerów z wysoką
dokładnością i częstotliwością. Aktywne
markery (diody IR LED) generują promieniowanie z zakresu
podczerwieni (850 nm). Lokalizator złożony
z trzech kamer podczerwieni identyfikuje położenie markerów w
przestrzeni z wykorzystaniem
algorytmów triangulacji. Obszar oraz parametry pomiaru
przedstawiono na rysunku (Rysunek 10).
Rysunek 9 System do analizy ruchu Optotrak Certus firmy NDI
digital składający się z lokalizatora, jednostki głównej,
transmitera, strobera, aktywnych markerów, komputera,
odpowiedniego oprogramowania oraz zestawu przewodów
-
9
Rysunek 10 Parametry pomiaru z zastosowaniem systemu śledzenia
ruchu Optotrak Certus NDI
Szczegółowy przebieg pomiarów, przygotowanie ochotników do
pomiaru, jak również format
uzyskanych danych omówione zostaną w trakcie zajęć
laboratoryjnych.
Zadania do wykonania
W ramach pracy własnej należy opracować uzyskane wyniki oraz
przygotować sprawozdanie
z ćwiczenia.
Na podstawie zebranych danych pomiarowych należy wyznaczyć:
czas pełnego cyklu chodu,
długość dwukroku ,
średnią prędkość chodu,
udział poszczególnych faz chodu w cyklu wraz z wizualizacją na
wykresie.
Dla każdego parametru należy wyznaczyć średnią i odchylenie
standardowe. Na rysunku poniżej
zamieszczono materiały pomocnicze do uproszczonej identyfikacji
wybranych faz cyklu chodu na
podstawie zmian położenia pięty i śródstopia w czasie (Rysunek
11).
-
10
Rysunek 11 Uproszczony schemat identyfikacji wybranych faz chodu
na podstawie położenia pięty i śródstopia
Literatura:
1. Kapandji A., Anatomia funkcjonalna stawów, tom 2, Elsevier
Urban and Partner, Wrocław,2009.
2. Kirtley C. ,Clinical Gait Analysis.Theory and Practise,
Oxford : Elsevier, 2006.
3. Vaughan C., Dynamic of Human Gait, Cape Town : Kiboho
Publisher, 1992.
4. Levine D., Richards J., Whittle M., Analiza chodu, Elsevier
Urban and Partner, 2014.
5. Winter D., Biomechanics and motor control of human movement,
John Wiley and Sons, 2009.
6. Syczewska M., Lebiedowski M., Kalinowska M., Biomechanika i
Inżynieria Rehabilitacyjna.,rozdz.
Analiza chodu w praktyce klinicznej, 2004.