Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych




Pobierz 79.9 Kb.
NazwaSystemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych
Data konwersji03.01.2013
Rozmiar79.9 Kb.
TypDokumentacja
Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych



  1. Współczesne systemy analizy ruchu – hardware



Z punktu widzenia rozwiązań technicznych współczesne systemy analizy ruchu można podzielić na następujące grupy:

    • systemy oparte na digitalizacji obrazów wideo uzyskiwanych z kilku (przynajmniej dwóch) kamer wideo;

    • systemy oparte o identyfikację w przestrzeni pomiarowej markerów (znaczników) umieszczonych na ciele osoby badanej:

      1. systemy oparte o markery czynne

      2. systemy oparte o markery bierne

    • systemy ultradźwiękowe.


W skład ich wszystkich wchodzi równocześnie oprogramowanie służące akwizycji i wstępnej obróbce danych, a następnie oprogramowanie służące opracowaniu wyników pomiarów i przygotowaniu raportów, a także wysoko specjalistyczne oprogramowanie do tworzenia modeli biomechanicznych.


Wszystkie metody pomiarowe znajdujące zastosowanie w ilościowej, obiektywnej analizie ruchu można podzielić na trzy grupy:

- pierwsza zajmująca się pomiarem parametrów czasowo-przestrzennych (takich jak prędkość chodu, częstość kroków, długość kroków, udziały poszczególnych faz w cyklu chodu, biegu itp. to znaczy w cyklu ruchów okresowych);

- druga grupa to metody kinematyczne zajmujące się pomiarem trajektorii ruchu wybranych punktów ciała badanego w przestrzeni trójwymiarowej, pomiarem (bezpośrednim lub pośrednim) kątów w stawach, określeniem orientacji poszczególnych segmentów ciała względem siebie, a także pomiarem prędkości i przyspieszeń jednego segmentu ciała względem segmentu sąsiedniego;

- trzecią grupę stanowią metody kinetyczne zajmujące się pomiarem (również bezpośrednio lub pośrednio) sił i momentów sił występujących podczas ruchu.

W powyższych metodach zastosowanie znajdują fotokomórki, mikroprzełączniki, goniometry (mocowane na egzoszkieletach oraz bezpośrednio na ciele osoby badanej), systemy elektromiografii dynamicznej, platformy dynamograficzne, itp., oraz nowoczesne, komputerowe systemy rejestrujące ruch badanego obiektu w przestrzeni.



    1. Zasady rekonstrukcji położenia punktu w przestrzeni


Systemy wizyjne wykorzystują w swoim działaniu zasadę stereofotogrametrii (fotogrametrii dwuobrazowej). Zgodnie z definicją fotogrametria zajmuje się określaniem przestrzennych kształtów i wymiarów dowolnych obiektów na podstawie zdjęć fotograficznych. Natomiast fotogrametria dwuobrazowa to dział fotogrametrii, w którym używa się zdjęć stereoskopowych oraz zdjęć fotogrametrycznych. Rys. 1 pokazuje zasadę działania stereofotogrametrii. Na podstawie obrazów rejestrowanych jednocześnie przez dwie kamery o znanych parametrach optycznych oraz znajomości ich orientacji w przestrzeni pomiarowej można odtworzyć współrzędne XYZ dowolnego punktu w laboratoryjnym układzie współrzędnych.




Rys. 1. Idea określania współrzędnych X,Y,Z punktu metodą stereofotogrametrii.


Rekonstrukcja jednoznacznego położenia punktu w przestrzeni wymaga by był on jednocześnie widziany przez minimum dwie kamery, jednak w praktyce stosuje się większą liczbę kamer (najczęściej od 5 do 8). Większa liczba kamer zapewnia rejestrację wszystkich charakterystycznych punktów na ciele osoby badanej w sposób ciągły (rys. 2).





Rys.2. Schemat śledzenia punktu umieszczonego na ciele pacjenta podczas jego ruchu przez cztery kamery.


Zadaniem współczesnej analizy ruchy jest zebranie informacji cyfrowej pozwalającej na rekonstrukcję położenia segmentów ciała w przestrzeni w określonych chwilach czasowych podczas wykonywania zadania ruchowego. W tym celu potrzebne są informacje związane z przestrzenną morfologią (kształt i położenie) segmentu ciała. Najczęściej zakłada się, że każdy badany segment ciała to bryła sztywna. Oznacza to, że ruch segmentu w przestrzeni może być jednoznacznie odtworzony poprzez badanie toru trajektorii jego trzech punktów. Położenie tych punktów może być określone w globalnym układzie współrzędnych (np. związanym z laboratorium) lub lokalnym (np. związanym z sąsiednim segmentem).

W ilościowej analizie ruchu, w której ruch jest rejestrowany przez system kamer, na podstawie położenia znaczników (markerów) umieszczonych na segmentach ciała osoby badanej określa się lokalne układy współrzędnych związane z poszczególnymi segmentami ciała. Następnie oblicza się kąty Eulera (lub Cardana) owych lokalnych układów współrzędnych względem siebie. Zakłada się przy tym, że ruch segmentu dystalnego odbywa się względem segmentu proksymalnego, np. podudzia względem uda, lub uda względem miednicy. Rys. 3 pokazuje zasadę określania lokalnych układów współrzędnych na podstawie położenia markerów. Obecnie niemal każdy profesjonalny system ilościowej analizy ruchu proponuje własny model pozwalający na określenie ruchu segmentów ciała względem siebie na podstawie położenia markerów.





Rys.3. Układ markerów umieszczonych na ciele osoby badanej i obliczone na podstawie ich położenia lokalne układy współrzędnych poszczególnych segmentów ciała (oś X – czerwona, strzałkowa, oś Y – żółta, czołowa, oś Z – niebieska, poprzeczna)


Zgodnie z przyjętym w analizie chodu standardem wszystkie wyniki przedstawia się jako znormalizowane w całym (100 %) cyklu chodu, gdzie cykl chodu definiuje się jako przedział czasu rejestrowany od wyjściowego kontaktu stopy z podłożem do jej ponownego kontaktu w rejestrowanej sekwencji chodu (rys. 4).

Rys. 4. Definicja cyklu chodu: faza podparcia (j.ang. stance phase), faza wymachu (j.ang. swing phase).

    1. Systemy oparte na digitalizacji obrazu wideo


Aparaturę pomiarową oraz oprogramowanie wykorzystujące digitalizację obrazu wideo produkuje wiele firm, z których najbardziej znane to Simi, eMotion, Ariel APAS (Ariel Dynamics Inc.), PEAK (Peak Performance Technologies Inc.), PRIMAS (DELFT Motion Analysis), Quick MAG (Ohyou Keisoku Kenkyusyo). W praktyce badań sportowych i klinicznych dwa najpopularniejsze systemy to Simi oraz Ariel APAS.

W tych systemach badanie ruchu odbywa się w wyznaczonej przestrzeni, której rozmiar zależy od jego charakteru i zakresu (bieg, chód, skok wzwyż, tenis, itp.). Obraz rejestrowany jest synchronicznie przez kilka (od 1do6) kamer wideo (w zależności od producenta oraz typu systemu), połączonych z komputerem. Przed rozpoczęciem badań układ kamer jest kalibrowany. W zależności od tego czy celem jest analiza ruchu płaskiego czy trójwymiarowego w przestrzeni badawczej umieszcza się standardowy przedmiot płaski lub trójwymiarowy (obiekt kalibracyjny). Wymiary tego obiektu są znane, zaś jego charakterystyczne punkty (np. lewy dolny róg) oznacza się na obrazie z każdej kamery. Umożliwia to zorientowanie kamer względem układu odniesienia określonego przez obiekt kalibracyjny, a także umożliwia określenie błędu paralaksy, tj. deformacji obiektu związanego z jego oddalaniem się od osi obiektywu.


Po zarejestrowaniu kamerami sekwencji ruchu (kilka cykli chodu, odcinek biegu, itp.) oznacza się na klatkach filmu/filmów (osobno dla każdej kamery) charakterystyczne punkty ciała osoby badanej, np. jego staw łokciowy, kolanowy, czy skokowy. W zależności od systemu oznaczenie takie dokonuje się na wszystkich klatkach lub jedynie na pierwszej klatce a program numeryczny automatycznie wykona oznaczanie na kolejnych klatkach filmu.

Uzyskane dane przetwarzane są później za pomocą specjalnego oprogramowania i generowane są raporty podsumowujące uzyskane wyniki (przykład takich raportów pokazuje rys. 5.















Przykładowe raporty z badania zakresu ruchu kręgosłupa i chodu


Rys. 5. Raporty uzyskane z systemu Simi Motion.


    1. Systemy oparte o markery czynne


Najpopularniejszym systemem analizy ruchu opartym o markery czynne jest system CODA Motion firmy Charnwood Dynamics. W określonych punktach ciała osoby badanej umieszczane są diody, których błyski rejestrowane są co 42 mikrosekund. Odbiorniki rejestrują je i na tej podstawie rekonstruują położenie punktów ciała w przestrzeni.


Rys. 6 pokazuje system CODA składający się z dwóch odbiorników, umożliwiających rekonstrukcję położenia diod w przestrzeni trójwymiarowej.




Rys. 6. System CODA oparty o markery czynne.


Rys.7. pokazuje pacjenta przygotowanego do badania za pomocą systemu CODA.





Rys. 7. Osoby przygotowane do badania za pomocą systemu analizy ruchu CODA: na zdjęciu widać kable zasilające diody. Po lewej strony badany przygotowany do badania chodu, po prawej do badania obejmującego tułów i kończynę górną.


Podobnie jak w pozostałych systemach po zebraniu danych i ich opracowaniu są one przesyłane do specjalnego oprogramowania w którym następuje przygotowanie indywidualnego dla każdego badanego raportu.


Oparte o markery czynne systemy produkuje również firma PhaseSpace, PhoeniX Technologies Inc.


    1. Systemy oparte o markery bierne


Najpopularniejsze systemy analizy ruchu oparte o markery bierne to: BTS, Qualisys i Vicon. Na rynku obecne są również inne systemy, firm takich jak Innovision, Motion Analysis, NaturalPoint, Korzystają z markerów kulistych umieszczanych w anatomicznych punktach ciała pacjentów o różnej średnicy(od kilku mm do 25 mm). Znaczniki pokryte są farbą lub taśmą odbijającą promieniowanie podczerwone emitowane przez stroby umieszczone wokół obiektywów kamer. Kamery rejestrują położenie markerów odcinając punkty o jaskrawości powyżej ustawionego przez użytkownika progu jaskrawości. Po zarejestrowaniu ruchu poszczególnym markerom nadawane są odpowiednie nazwy w celu ich jednoznacznego zidentyfikowania. Wszystkie systemy umożliwiają zapamiętywanie nazw markerów stosowanych podczas danej sesji, podczas której położenie markerów na ciele badanego nie ulega zmianie.




Rys. 8. Dziecko podczas badania z wykorzystaniem systemu analizy ruchu opartym na markerach biernych.


    1. Systemy ultradźwiękowe


Jedynym systemem analizy ruchu opartym o ultradźwięki jest system Zebris. Na ciele osoby badanej umieszczane są emitery ultradźwięków, albo w postaci pojedynczego znacznika, lub trzy emitery umieszczone na trójniku mocowanym do określonego punktu ciała. W przypadku pojedynczych emiterów na jednym segmencie powinny być umieszczone trzy emitery, natomiast w przypadku trójnika tworzy on lokalny układ współrzędnych segmentu na którym jest on umieszczony (Rys.9).

System ma stosunkowo krótką przestrzeń pomiarową, ok. 2.5 m, poprzez dodatkowe odbiorniki można wydłużyć ją do ok. 4 m.




Rys. 9. Badany podczas analizy chodu z zastosowaniem systemu Zebris: na zdjęciu widać trójniki z emiterami ultradźwięków umieszczonymi na udzie i stopie.


    1. Podsumowanie


Wszystkie systemy analizy ruchu pozwalają na integrację z innymi urządzeniami i synchroniczną rejestrację wszystkich danych:

    • systemy do elektromiografii powierzchniowej

    • platformy dynamograficznej

    • mikroprzełączniki.

Systemy oparte o markery bierne i czynne umożliwiają dodatkowo integrację z jedną lub dwiema kamerami wideo nagrywającymi przebieg badania i zsynchronizowanymi z danymi wizyjnymi.


Różne systemy w zależności od typu, producenta i modelu mają różną dokładność. Poniżej podsumowano informacje o dokładności pomiarowej różnych systemów.

W większości systemów analizy ruchu wykorzystujących digitalizację obrazu wideo podczas rekonstrukcji trójwymiarowej uzyskuje się niedokładność pomiaru położenia punktów rzędu: 5.4 mm (± 2.7 mm) w płaszczyźnie strzałkowej, 3.8 mm (± 1.9 mm) w płaszczyźnie czołowej i 6.0 mm (± 3.0 mm) w poprzecznej. Niedokładność ta nie jest charakterystyczna dla wszystkich systemów, np.: system Ariel APAS uzyskuje większą niedokładność, tj. 11.6 mm [30], a system Dynas nawet do 18.42 mm.


W przypadku optoelektronicznego systemu VICON 370 niedokładność pomiarowa położenia środka markera (znacznika) określana jest na 2 mm przy odległości 500 mm z markerami o średnicy 25 mm. Zmniejszając średnicę markerów do 14 mm można uzyskać dokładność poniżej 1 mm, tj. 0.98 mm. Po wprowadzeniu nowej generacji kamer MX a ostatnio kamer T niedokładność pomiarowa, zgodnie z informacjami producenta, znacznie spadła, osiągając rząd poniżej 0.05 mm.


Zgodnie z danymi producenta podobna niedokładność pomiarowa charakteryzuje system CODA: 0.05 mm.


W przypadku systemu MacReflex, poprzednika systemu Proreflex, firmy Qualisys, niedokładność pomiarów kątowych wynosi 0.32° dla kątów w zakresie pomiarowym do 60° oraz od 0.55° do 2.22° dla kątów w zakresie pomiarowym od 70° do 180°. Niedokładność pomiarów liniowych jest równa 1 mm.


  1. Oprogramowanie wykorzystywane w systemach analizy ruchu – software


2.1. Format c3d


Większość systemów analizy ruchu, zarówno opartych o digitalizację obrazów wideo jak i systemy oparte o markery czynne i bierne, posługuje się jednolitym formatem plików c3d. Format ten powstał w połowie lat 80 ubiegłego wieku, jest domeną publiczną. Wykorzystywany jest przez środowisko biomechaników, analizy ruchu, programistów, producentów sprzętu i oprogramowania, zarówno do analizy jak i produkcji animacji. Szczegółowe informacje wraz z rozmaitymi wtyczkami i darmowym oprogramowaniem obsługującym format c3d można znaleźć na witrynie www.c3d.org.


Firmy produkujące systemy do analizy ruchu zapisujące dane w formacie c3d to mi.in:

  • BTS

  • Charnwood Dynamics (system CODA Motion)

  • Qualisys

  • Simi

  • Vicon,

  • PhoeniX Technologies Inc

  • Innovision

  • Phase Space

  • Motion Analysis.

Firmy produkujące oprogramowanie, których programy odczytują format c3d:

  • C-Motion

  • AnyBody Technology

Pojawiają się również programy oparte na Matlabie (np. BodyMech) odczytujące format c3d jak również wtyczki do różnych programów odczytujące ten format (np. SIMM lub OpenSim).


Cechy charakteryzujące format c3d to:

  • zdolność do zapisywania nieprzetworzonych danych wizyjnych 3D i analogowych (np.. pochodzących z systemów do elektromiografii powierzchniowej i platform dynamograficznych);

  • przechowuje informacje o laboratorium i badaniu, np. numery kanałów EMG, pozycja platform względem globalnego układu współrzędnych, stosowany układ markerów;

  • dane dotyczące sesji: data, częstotliwość próbkowania danych;

  • dane pacjenta: nazwisko, masa ciała, wysokość ciała, długość kończyn dolnych, itp.;

  • obliczone w oprogramowaniu systemu analizy ruchu wyniki, np. prędkość chodu, udziały procentowe poszczególnych faz w cyklu chodu;

  • dostęp do danych niezależnie od marki sprzętu.


Format ten został opracowany w 1987 roku przez Andrew Dainisa, przy czym kryteria zastosowane przy jego powstaniu to:

  • minimalizacja wielkości pliku;

  • optymalizacja prędkości i łatwości dostępu do danych zgromadzonych w pliku;

  • możliwość łatwego opisu zgromadzonych parametrów;

  • brak ograniczeń wielkości (długości) i ilości gromadzonych danych;

  • możliwość łatwego dostępu do danych niezależnie od producenta sprzętu na jakim zostały zgromadzone oraz czasu jego produkcji (nawet dane zgromadzone wiele lat temu na nieistniejącym już sprzęcie powinny być nadal możliwe do wykorzystania).


2.2. Programy producentów sprzętu


Każdy z producentów systemów analizy ruchu zapewnia podstawowe oprogramowanie do akwizycji i wstępnego przetwarzania danych. Zapewnia ono możliwość:

  • kalibracji systemu przed rozpoczęciem zbierania danych (czyli określenia położenia i orientacji kamer względem globalnego układu współrzędnych);

  • jednoczesnego zbierania danych wizyjnych i danych analogowych;

  • synchronizacji czasowej wszystkich zbieranych danych;

  • tworzenie podstawowej bazy danych w której gromadzone są dane badań.


W przypadku systemów opartych o digitalizację obrazu wideo oprogramowanie to dodatkowo umożliwia automatyzację oznaczania charakterystycznych punktów na ciele pacjenta w kolejnych klatkach filmów.


W przypadku systemów markerowych pozwala na uzupełnianie luk w trajektoriach markerów, filtrowanie danych.


W zależności od producenta dalsze etapy obróbki danych i ich analizy realizowane są w różny sposób.


Niektórzy producenci korzystają z oprogramowania zewnętrznych firm, w których następuje dalsza obróbka danych, czyli tworzenie na podstawie położenia markerów modelu, lokalnych układów współrzędnych, obliczanie kątów w poszczególnych stawach oraz wysłanie ich do raportu. Najpopularniejszym oprogramowaniem wykorzystywanym np. przez firmy Qualisys czy Charnwood Dynamics jest Visual3D firmy C-Motion.


Część firm proponuje własne oprogramowanie kompatybilne z oprogramowaniem podstawowym do akwizycji i wstępnej obróbki danych.

Firma BTS



Oprogramowanie składa się z trzech modułów:

  • SMARTTracker – do akwizycji danych i ich wstępnej obróbki;

  • SMARTViewer – do podglądu zebranych danych (wizyjnych, wideo, analogowych itp.)

  • SMARTAnalyser – do analizy danych i sporządzania raportów.

Program jest bardzo elastyczny, pozwala na tworzenie własnych procedur analizy danych ale wymaga dużej biegłości technicznej w programowaniu i znajomości zarówno analizy sygnałowej (trzeba zaprojektować własne filtry) jak i dynamiki (projektowanie własnych modeli biomechanicznych i związanych z nimi układów lokalnych układów współrzędnych). Firma może na w uzgodnieniu z użytkownikiem sprzętu przygotować gotowe procedury.

VICON



Oprogramowanie obejmuje:

  • Workstation lub Nexus – oprogramowanie do akwizycji danych i ich wstępnej obróbki, umożliwia łatwy podgląd zebranych danych, identyfikację przyczyny luk w trajektoriach markerów poprzez sprawdzenie które kamery widzą markery w przestrzeni pomiarowej w każdej chwili czasu, szybkie wypełnianie luk w trajektoriach (dwoma metodami do wyboru użytkownika), podgląd danych analogowych i wideo w celu sprawdzenia ich poprawności, filtrowanie danych filtrem Woltringa z możliwością wybrania rzędu filtra przez użytkownika. W tych programach możliwe są również pewne obliczenia modelowe, pochodzące z pozostałych pięter oprogramowania).

  • Polygon – oprogramowanie do tworzenia raportów z badań, umożliwia tworzenie raportów w formacje Excela, Worda oraz multimedialne. Ma wbudowany model ciała człowieka (Plug-in-Gait) oparty o model Helen Hayes (i związany z nim układ markerów), umożliwia tworzenie różnych raportów dostosowanych do indywidualnych potrzeb użytkowników, uśredniane danych wielu triali, porównywanie wyników otrzymanych u różnych pacjentów, czy w różnych chwilach czasowych (np. przed i po leczeniu).

  • BodyBuilder – program do tworzenia własnych modeli.


Oprogramowanie Vicona ma strukturę herarchiczną. Np. model zaprojektowany w BodyBuilderze przekazuje część obliczeń do programu Workstation / Nexus, gdzie są one wykonywane i przekazywane do programu Polygon w celu uśrednienia i przedstawienia w raporcie.

Zebris



System ma własne oprogramowanie „WinGait” służące do opracowania danych i generacji raportów. Pozwala również na tworzenie hierarchicznej bazy danych: projektów, pacjentów, poszczególnych sesji. Pozwala również na tworzenie raportów.


2.3. Modelowanie


Dane zebrane za pomocą systemów analizy ruchu stanowią podstawę do tworzenia modeli biomechanicznych. Celem tych modeli może być:

  • oszacowanie obciążeń podczas różnego rodzaju zadań ruchowych niemożliwych do bezpośredniego pomiaru (np. w stawach);

  • oszacowanie obciążeń ciała podczas działania różnych sił i momentów zewnętrznych (zderzenia, urazy);

  • oszacowania rozkładu sił mięśniowych podczas różnych zadań ruchowych w normie i w patologii;

  • oszacowanie zmian długości mięśni.


Najpopularniejsze programy to:




  1. Kliniczne zastosowanie analizy ruchu


3.1. Stosowanie ilościowej analizy ruchu w badaniach klinicznych


Od początku lat 90 ubiegłego wieku gwałtowny rozwój technik informatycznych i komputerów osobistych spowodował znaczny postęp technologiczny systemów analizy ruchu i znaczne skrócenie czasu obróbki danych i przygotowania raportów. Spowodowało to szybki rozwój zastosowań klinicznych, przede wszystkich w krajach anglosaskich (USA, Wlk. Brytania, Irlandia) oraz we Włoszech. Na początku lat 90 ukazały się dwie książki ujednolicające terminologię, standardy i definicje, obowiązujące w środowiskach zajmujących się kliniczną analizą chodu do dziś (D.Winter „The biomechanics and motor control of human gait”, J.Perry „Gait analysis”).


Kliniczna analiza ruchu znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny, gdyż uważana jest za obiektywne narzędzie oceny stanu funkcjonalnego pacjenta.


Z badań analizy chodu mogą korzystać wszyscy pacjenci u których w przebiegu choroby lub urazu następuje zmiana w obrębie narządu ruchu:

  • choroby neurologiczne: mózgowe porażenie dziecięce, choroby neurodegeneracyjne (wieku dziecięcego, choroba Parkinsona, stwardnienie rozsiane),

  • urazy: złamania w obrębie kończyn dolnych, wypadki komunikacyjne, udary, utonięcia, zadławienia (w wyniku których dochodzi do niedotlenienia mózgu),

  • choroby onkologiczne: negatywny wpływ na narząd ruchu, zarówno poprzez lokalizację (np. guzy mózgu) jak poprzez radio- i chemioterapię,

  • choroby metaboliczne, endokrynologiczne: mieszczą się tu zaburzenia proporcji ciała, nieprawidłowa budowa anatomiczna stawów i mięśni,

  • ortopedia: planowanie zabiegów neuroortopedycznych (u pacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym), ocena leczenia operacyjnego z wszczepianiem endoprotez stawów kolanowych i biodrowych,

  • rehabilitacja: ocena prowadzonego leczenia zachowawczego chorób narządu ruchu,

  • choroby reumatoidalne,

  • ocena doboru protez kończyn dolnych.


Analiza chodu jest rekomendowanym badaniem obiektywnym w przypadku mózgowego porażenia dziecięcego. Pozwala ocenić stopień i zakres dysfunkcji pacjenta, jest podstawą określenia dawek i miejsca podania toksyny botulinowej, pozwala obiektywnie ocenić skuteczność leczenia farmakologicznego (toksyna botulinowa, pompa baclofenowa) i rehabilitacyjnego. Wynik analizy chodu może być podstawą wyboru zaopatrzenia ortopedycznego (typu łuski) oraz ocenić jakość doboru i działania zaopatrzenia z jakiego pacjent korzysta.


W przypadku chorób neurodegeneracyjnych (zwłaszcza rzadkich, genetycznie uwarunkowanych) pozwala ocenić tempo postępującej degradacji funkcjonalnej. Dzięki temu można lepiej przygotować środowisko w jakim pacjent funkcjonuje do jego postępującej niepełnosprawności.


Z uwagi na indywidualny charakter zaburzeń stereotypu chodu w literaturze przedmiotu niewiele jest doniesień zajmujących się ich klasyfikacją. Z punktu widzenia interesu pacjenta ważne są cechy indywidualne które powinny zostać skorygowane (operacyjnie, farmakologicznie, itp.), a nie zakwalifikowanie do określonej grupy, gdyż nie będzie to miało wpływu na dobór metody leczenia.


Określono jednak pewne warunki jakie powinien spełniać chód prawidłowy, i warunki te stanowią podstawę do oceny stopnia dysfunkcji lokomocji pacjenta.


W latach 50 ubiegłego wieku Inman i Saunders określili tzw. sześć determinant prawidłowego chodu. Opierają się ona na założeniu, że chód człowieka zdrowego jest energetycznie efektywny, a zatem odbywa się przy możliwie minimalnym zużyciu energii. Aby to osiągnąć zakres oscylacji środka ciężkości ciała w przestrzeni powinien być minimalny. Determinanty to te wyznaczniki kinematyczne, które ów minimalny zakres ruchu zapewniają.


Pierwsza determinanta związana jest z ruchem miednicy w płaszczyźnie poprzecznej. Rotacja miednicy wokół osi pionowej pozwala na szybszy ruch w stawie biodrowym kończyny znajdującej się w fazie wymachu, gdyż skręcenie miednicy po stronie tej kończyny jest skierowane do wewnątrz. Dzięki niemu długość kroku jest nieco większa niż wynikałoby to ze zgięcia stawu biodrowego kończyny w fazie wymachu i wyprostu stawu biodrowego drugiej kończyny, kończącej fazę podparcia. Dzięki temu rośnie długość kroków i tym samym prędkość chodu, bez konieczności zmiany trajektorii środka ciężkości ciała.


Druga determinanta związana jest z ruchem miednicy w płaszczyźnie czołowej. Podczas fazy pojedynczego podparcia mięśnie odwodziciele kontrolują opadanie miednicy, ograniczając jej ruch w pionie i tym samym przyczyniając się do zmniejszenia zakresu ruchu środka ciężkości ciała.


Trzecia determinanta związana jest z ruchem stawu kolanowego. Podczas przyjęcia ciężaru ciała w fazie podparcia kolano zgina się do ok. 12-15 stopni, dzięki temu ruch środka ciężkości ciała w pionie jest mniejszy niż gdyby kolano pozostawało wyprostowane (w przypadku osoby dorosłej zmniejszenie zakresu ruchu wynosi ok. 2-2.5 cm).


Determinanty czwarta i piąta związane są z kompleksem staw skokowy – kolano. Zsynchronizowany ruch obu tych stawów na początku fazy podparcia zapewnia łagodny, sinusoidalny przebieg trajektorii środka ciężkości ciała.


Szósta determinanta związana jest z ruchem miednicy w płaszczyźnie czołowej na boki. W fazie pojedynczego podparcia miednica przesuwana jest nad kończynę będącą w tej fazie, zapewniając stabilność całego ciała. Prawidłowe ustawienie kości udowej względem piszczeli zmniejsza zakres ruchu miednicy przy jednoczesnym zmniejszeniu rozstawu stóp.


Na podstawie wieloletnich badań zaburzeń chodu pacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym James Gage określił następujące warunki chodu prawidłowego:

•stabilność stopy i stawu skokowego w czasie fazy podporu

•prawidłowe ustawienie stopy w fazie wymachu

•odpowiednie ustawienie stopy przed rozpoczęciem fazy podporu, pod koniec fazy wymachu

•odpowiednia długość kroku

•maksymalizacja gromadzonej energii.


Podobne warunki chodu prawidłowego sformułował David Winter:

•generowanie energii mechanicznej w odpowiednich chwilach czasowych cyklu chodu

•absorpcja energii mechanicznej w celu ochrony narządów wewnętrznych i stawów

•kontrola trajektorii stopy w czasie fazy wymachu w celu bezpiecznego jej przeniesienia ponad podłożem i prawidłowego ustawienia jej do fazy podporu

•utrzymanie prawidłowej postawy ciała przeciw siłom ciężkości.


W przypadku mózgowego porażenia dziecięcego były pewne próby klasyfikacji zaburzeń chodu pacjentów. Miały one pomóc w predykcji stanu funkcjonalnego i ich możliwości lokomocyjnych w przyszłości.


Jedną z taka prób była klasyfikacja dwóch badaczy amerykańskich (Gage i DeLuca) dotycząca jednostronnego porażenia kurczowego (hemiplegia spastica). Podzielili oni tę grupę pacjentów na 4 podgrupy (rys. 10) opierając się na charakterystycznych zaburzeniach kinematyki w pł. strzałkowej:

1. Najmniejsze odchylenia od normy (opadanie stopy w wymachu, zgięcie kolana w kontakcie z podłożem, zgięcie biodra, nadmierna lordoza).

2. Podobny do pierwszego (zgięcie podeszwowe stopy w całym cyklu chodu, nadmierny wyprost kolana, zgięcie kolana, nadmierna lordoza).

3. Znacznie niższa prędkość chodu, zaburzenia podobne do grupy 2(dodatkowo ograniczenie zakresu w kolanie w wymachu – skrócona długość kroku).

4. Najwolniejszy chód. Nadmierne zgięcie podeszwowe w całym cyklu. Znaczne ograniczenia zakresów w biodrze i kolanie kompensowane hiperlordozą.




Rys. 10. Podział jednostronnego porażenia kurczowego na 4 podgrupy wg Gage’a i DeLuci.


Inną klasyfikację zaburzeń chodu dla mózgowego porażenia dziecięcego zaproponował prof. becher z Free University Amsterdam. Oparł ją na pewnych zaburzeniach kinematycznych i nieprawidłowościach pracy mięsni widocznych w zapisach EMG, stopniując dysfunkcje od najmniejszych do największych:

- Typ 1 - charakteryzuje się zgięciem podeszwowym (opadaniem stopy) w fazie wymachu bez przeprostu kolana w fazie podparcia;


-


Typ 2 - charakteryzuje się przeprostem kolana w fazie podparcia, w fazie tej cała stopa ma kontakt z podłożem (full heel contact);


- Typ 3 - charakteryzuje się przeprostem kolana w fazie podparcia, ale w fazie tej nie dochodzi do kontaktu pięty z podłożem;

- Typ 4a - charakteryzuje się zgięciem kolana w połowie fazy podparcia (mid-stance) oraz pod jej koniec (terminal stance), w fazie tej nie dochodzi do kontaktu pięty z podłożem, oraz nadmierną aktywnością m. dwugłowego łydki

- Typ 4b - charakteryzuje się zgięciem kolana w połowie fazy podparcia (mid-stance) oraz pod jej koniec (terminal stance), w fazie tej nie dochodzi do kontaktu pięty z podłożem, oraz niedostateczną aktywnością m. dwugłowego łydki;

- Typ 5a - charakteryzuje się zgięciem kolana w połowie fazy podparcia (mid-stance) oraz pod jej koniec (terminal stance), w fazie tej dochodzi do kontaktu całej stopy (pięty) z podłożem, oraz niedostateczną aktywnością m. dwugłowego łydki;

- Typ 5b - charakteryzuje się zgięciem kolana w połowie fazy podparcia (mid-stance) oraz pod jej koniec (terminal stance), w fazie tej dochodzi do kontaktu całej stopy (pięty) z podłożem, oraz nadmierną aktywnością mm. kulszowo-goleniowych.


Analiza stereotypu chodu pacjentów z porażeniem połowiczym w wyniku udaru prowadzona przez różnych badaczy pozwoliła na wyodrębnienie trzech grup pacjentów. Badanie wzajemnej koordynacji kończyn dolnych, tułowia i obręczy biodrowej pokazało że grupy te charakteryzują się:

- pierwsza: nadmierną rotacją miednicy;

- druga: asynchronicznym względem kończyn dolnych i obręczy biodrowej ruchem tułowia;

- trzecia: niedostateczną rotacją miednicy i tułowia.

Analiza energii mechanicznej podczas chodu tej grupy pacjentów wyróżniła następujące grupy:

- pierwsza: brak lustrzanego odbicia zarówno energii potencjalnej jak i kinetycznej;

- druga: niski poziom energii kinetycznej, ale pojawiało się już częściowe lustrzane odbicie energii potencjalnej i kinetycznej;

- trzecia: nadmierne zgięcie stawów biodrowych połączone z niskim poziomem energii kinetycznej i wysoką energią potencjalną związaną z tułowiem.

Badanie ruchu segmentów kręgosłupa podczas chodu pacjentów po udarach również pozwoliło na wydzielenie trzech podgrup tych pacjentów.


Opisane powyżej próby klasyfikacji są rzadko stosowane w praktyce klinicznej ze względu na stosowanie ilościowej analizy chodu do decyzji leczniczych odnoszących się do konkretnego pacjenta. Pojawiające się w literaturze podejścia klasyfikacyjne mają na celu znalezienie pewnych wspólnych cech grup pacjentów które pozwolą na predykcję rozwoju ich stanu funkcjonalnego w przyszłości, a także podatność na określone typy terapii.


3.2. Kryteria systemów analizy ruchu w zastosowaniach klinicznych


Systemy analizy ruchu mogą być stosowane w badaniach ergonomicznych, sportowych, w studiach filmowych, a także w badaniach klinicznych. Systemy które znajdują zastosowanie w klinikach powinny charakteryzować się następującymi kryteriami:

  • stosunkowo dużą przestrzenią pomiarową pozwalającą na „rozbieg” pacjenta: parametry kinematyczne i prędkościowe stabilizują się dopiero w 2/3 kroku, rejestracja powinna obejmować jeden pełny cykl lkd i pkd, oznacza to, że długość przestrzeni pomiarowej powinna wynosić: (3 x 65 cm = 2 m – kroki „rozbiegowe”) + (2 x 1 m = 2 m – dwa cykle chodu) + (2 m – dodatkowa odległość do kamer) = 6 m;

  • małą niedokładnością pomiarową (poniżej 1 mm);

  • stosunkowo prostym modelem wymagającym niezbyt dużej liczby markerów (zwłaszcza w przypadku małych dzieci), nie utrudniającym współpracy z innymi systemami (np. do elektromiografii dynamicznej);

  • zapisem danych w formacie c3d;

  • stosunkowo prostym oprogramowaniem do akwizycji i obróbki danych (user friendly), a jednocześnie zapewniającym elastyczność potrzebną do badań naukowych;

  • możliwość integracji i synchronizacji z innymi systemami pomiarowymi (mikroprzełączniki, platformy dynamograficzne, systemy do elektromiografii dynamicznej) i ich integrację w oprogramowaniu oraz plikach c3d.









  1. Literatura


Poniżej podano najważniejsze pozycje literaturowe stanowiące podstawę opracowania niniejszego raportu. Przy jego przygotowaniu korzystano ponadto z danych producentów sprzętu i oprogramowania, oraz licznych doniesień i artykułów z dziedziny klinicznej analizy ruchu.


Allard P, Blanchi J-P, Aissaoui R – Bases of three-dimensional reconstruction. W: Allard P, Stokes IAF, J-P.Blanchi (wyd.) Three-dimensional analysis of human movement. Human KineticsChampaign IL USA, 1995, str. 19-40


Bhimji S, Deroy AR, Baskin ES, Hillstrom HJ - Static and dynamic accuracy of the VICON 370 3-D kinematic system - Gait & Posture, 2000, vol. 11, str. 130 (abstract)


Capozzo A, Della Croce U, Leardini A, Chiari L - Human movement analysis using stereophotogrammetry. Part 1: theoretical background - Gait & Posture, vol. 21, str. 186-196


Ehara Y, Fujimoto H, MiyazakiM , Mochimaru M, Tanaka S, Yamamoto S - Comparison of the performance of 3D camera systems II - Gait & Posture 1997, vol. 5, pp. 251-255


Gagnon M - Potential solutions for minimizing the risks of spinal injuries in occupational tasks – Dietrich M (wyd.) Lecture notes of the ICB seminars, Biomechanics, Medical biomechanics of spine. Theory, modelling and clinical applications. 1993, ICB, Warsaw, str. 70-87


Karlsson D, Lundberg A - Accuracy estimation of kinematic data derived from bone anchored external markers - Materiały 3rd Int.Symposium on 3-D Analysis of Human Motion


Whittle MW - Clinical gait analysis: A review - Hum Mov Sci, 1996, vol. 15, str. 369 – 387


Perry J - Gait analysis. Normal and pathological function. SLACK Inc., NJ, 1992


Winter DA – Biomechanics and motor control of human gait: Normal, pathological and elderly. Univ. Waterloo Press, Waterloo, 1991


Gage J (ed.) – The treatment of gait problems in cerebral palsy. Mac Keith Press Cambridge University Press, 2004


Saunders JB, Inman VT, Eberhart HD – The major determinants in normal and pathological gait – J Bone Joint Surg 1953; 35A: 543-558


Olney SJ, Monga TN, Costigan PA- Mechanical energy of walking of stroke patients - Arch Phys Med. Rehabil, 1986, vol. 67, str. 92-98


Syczewska M, Öberg T – Spinal segmental movement changes during treadmill gait after stroke – J. Human Kinetics, 2006, vol. 16, str. 39 – 56


Wagenaar RC, Beek WJ - Hemiplegic gait: a kinematic analysis using walking speed as a basis - J Biomech 1992, vol. 25, str. 1007 - 1015

Dodaj dokument na swoim blogu lub stronie

Powiązany:

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconPrzy wykonywaniu I zaliczaniu ćwiczeń z analizy ilościowej, tzw klasycznej, obowiązuje wszystkich studentów znajomość podstaw teoretycznych na których opierają się te oznaczenia !

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconIch zastosowań. Jednym z nich jest zastosowanie w roli materiałów wysokoenergetycznych, za czym przemawia ich metastabilność I wysoka energia rozkładu

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconRozwój I doskonalenie kształcenia na Politechnice Poznańskiej w zakresie technologii informatycznych I ich zastosowań w przemyśle

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconRozwój I doskonalenie kształcenia na Politechnice Poznańskiej w zakresie technologii informatycznych I ich zastosowań w przemyśle

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconCharakterystyka roślin warzywnych z uwzględnieniem ich wartości biologicznej

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconCharakterystyka ich właściwości z uwzględnieniem aspektów technologicznych I zdrowotnych

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconWywiadu z politykiem, formułowanie wypowiedzi politycznych z uwzględnieniem różnych ich typów (jw.)

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconProcesy demograficzne I metody ich analizy

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconSiły grawitacji oraz ruchu. Pomaga w prawidłowym odbiorze wrażeń przez inne systemy sensoryczne (wzrokowy, słuchowy, proprioceptywny)

Systemy ilościowej analizy ruchu, z uwzględnieniem ich zastosowań klinicznych iconSystemy radiokomunikacji ruchowej podzieliłem ze względu na grupy odbiorców, I tak do systemów grupowych zaliczyłem systemy przywoławcze oraz systemy

Umieść przycisk na swojej stronie:
Rozprawki


Baza danych jest chroniona prawami autorskimi ©pldocs.org 2014
stosuje się do zarządzania
Rozprawki
Dom