Dinamikus egyensúlyozó-képesség vizsgálata mérési adatok kiértékelésével

Tudományos Diákköri Konferencia

Dinamikus egyensúlyozó-képesség vizsgálata mérési adatok kiértékelésével

szerző: Petró Bálint mechatronikai mérnök MSc. I. évf. BME-MOGI

konzulens: Dr. Kiss Rita egyetemi tanár, az MTA doktora BME-MOGI

2015 Budapest

Szerzői jog © Petró Bálint, 2015. Szerzői jog © Dr. Kiss Rita M., 2015.

ii

Jognyilatkozat Nyilatkozat az önálló munkáról Alulírott, Petró Bálint (W6RIEI), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a dolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a munka során csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, 2015

Petró Bálint

iii

Köszönetnyilvánítás Mindenekelőtt köszönettel tartozom konzulensemnek, Dr. Kiss Rita tanárnőnek. Köszönöm, hogy megismertetett a témával, rendelkezésemre bocsátotta adatbázisát és tudását, tanácsaival folyamatosan segítette munkámat és javításaival e dolgozat megszületését. Köszönöm Nagymáté Gergely doktorandusznak segítségét, különösen a munka korai fázisában és a szoftveres adatkiolvasás kapcsán adott lényeges tanácsaiért. Köszönöm Bacskai Kata gyógytornásznak a birkózókkal kapcsolatos mérések lefolytatását, tapasztalatainak megosztását és a dolgozattal kapcsolatos visszajelzéseit.

Petró Bálint, 2015 Budapest

iv

Tartalomjegyzék Jognyilatkozat .......................................................................................................................................iii Köszönetnyilvánítás .............................................................................................................................. iv Ábrajegyzék .......................................................................................................................................... vi Jelölések és rövidítések jegyzéke.........................................................................................................vii 1 Bevezetés, célkitűzések.................................................................................................................. 1 2 Irodalomkutatás.............................................................................................................................. 2 2.1 Dinamikus egyensúlyozó képesség modellezése .................................................................... 2 2.1.1 Fix talajon végzett mérések ............................................................................................. 2 2.1.2 Futószalagon történő buktatás.......................................................................................... 4 2.1.3 Egyensúlyozó lapon végzett mérések („balance board”) ................................................. 4 2.1.4 Mozgó platformon végzett mérések................................................................................. 5 2.2 PosturoMed© eszközzel végzett vizsgálatok mérföldkövei a szakirodalomban ..................... 7 3 Anyag és módszer ........................................................................................................................ 10 3.1 Vizsgált személyek, csoportok .............................................................................................. 10 3.2 Módszer ................................................................................................................................. 10 3.2.1 Mérési eszközök és protokoll......................................................................................... 10 3.2.2 Az adatkiolvasás módszere ............................................................................................ 12 3.2.3 Mért és számított jellemzők ........................................................................................... 14 3.2.4 Statisztikai módszerek ................................................................................................... 15 4 Eredmények ................................................................................................................................. 16 4.1 Mért és számított jellemzők .................................................................................................. 16 4.2 Korrelációanalízis.................................................................................................................. 17 4.3 Klaszteranalízis az egy lábon történő sikeres egyensúlyozásra ............................................ 19 5 Megbeszélés ................................................................................................................................. 20 5.1 Az irányultsági arány használatában rejlő lehetőségek ......................................................... 20 5.1.1 Sportági edzés hatása az egyensúlyi válaszra ................................................................ 20 5.1.2 Egy lábon és két lábon történő vizsgálat........................................................................ 21 5.1.3 Laterális dominancia hatása ........................................................................................... 22 5.2 Egy lábon történő egyensúly-visszanyerés stratégiái ............................................................ 23 5.2.1 Körkörös, ellipszis stratégia ........................................................................................... 24 5.2.2 Előreforgató stratégia ..................................................................................................... 24 5.2.3 Direkten előre irányuló stratégia .................................................................................... 25 5.2.4 Vonalas stratégia ............................................................................................................ 25 5.2.5 Spirális és különös stratégiák ......................................................................................... 26 6 Összefoglalás, konklúzió ............................................................................................................. 27 6.1 Kitekintés .............................................................................................................................. 28 7 Irodalomjegyzék .......................................................................................................................... 29

v

Ábrajegyzék 1. ábra Releváns dinamikus egyensúlyozó képesség modellezésének osztályozása ............................. 2 2. ábra Oldalirányú meglökéses vizsgálat a felhelyezett mérőpontokkal [Rietdyk, 1999] .................... 2 3. ábra Izomcsoportok szinergikus működése, boka és csípő-stratégiák [Rietdyk et al, 1999] ............. 3 4. ábra Többirányú meglökéses vizsgálat elrendezése a lökésirányokkal [Matjacic et al, 2000] .......... 3 5. ábra Akadályba ütközésre adott tipikus válaszok [Shirota et al, 2014] ............................................. 4 6. ábra Instabil lapon egyensúlyozó ember által alkotott dinamikai rendszer-modell [Chadges et al, 2013] ...................................................................................................................................................... 4 7. ábra ML irányban instabil „balance board” [Orrell et al, 2006] ........................................................ 5 8. ábra PosturoMed© eszköz ultrahangos mozgáskövető-rendszerrel [Kiss, 2011].............................. 6 9. ábra EMG-vel és biokinetikai analízissel kiegészített kísérleti elrendezés mérési eredményei [Pfusterschmied et al, 2012] .................................................................................................................. 8 10. ábra Mérési összeállítás [Kiss, 2012b]........................................................................................... 11 11. ábra Mindkét lábon, jobb és bal lábon végzett vizsgálatok PosturoMed©eszközön [Kiss, 2012b] .............................................................................................................................................................. 11 12. ábra WinPosture© szoftver grafikus felülete ................................................................................. 12 13. ábra A készített VI-rutin front panelje ........................................................................................... 13 14. ábra A készített VI-rutin back panelje ........................................................................................... 13 15. ábra Mért pálya-adatsor mintája .................................................................................................... 14 16. ábra Logaritmikus dekrement meghatározásához ajánlott ............................................................. 15 17. ábra Összes értékelt adat Lehr-szám – irányultsági arány dimenzióban ábrázolva, sportágak szerint ................................................................................................................................................... 18 18. ábra Klaszteranalízis eredménye az egy lábon állva teljesített egyensúly-visszanyerésre ............ 19 19. ábra L*R érték használatának bemutatása sportágakra.................................................................. 20 20. ábra Egy- és kétlábas sikeres egyensúlyozási megoldások L-R dimenzióban .............................. 21 21. ábra Egylábas és mindkét lábas megoldások egyezősége Tend-R dimenzióban ............................. 21 22. ábra Egylábas állások L-R dimenzióban, dominancia szerint ....................................................... 22 23. ábra Egy lábon állva történő egyensúly-visszanyerési stratégiák eredményessége ....................... 23 24. ábra Körkörös stratégia jellegzetes pályája .................................................................................... 24 25. ábra Körkörös stratégia jellegzetes pályája magasabb irányultsági arány mellett (ellipszis) ........ 24 26. ábra Előre forgató stratégia jellegzetes pályája.............................................................................. 25 27. ábra Direkten előre irányuló stratégia jellegzetes pályája ............................................................. 25 28. ábra Vonalas stratégia jellegzetes pályája ...................................................................................... 26 29. ábra Spirális stratégia jellegzetes pályája ...................................................................................... 26 30. ábra Vonalas majd előre irányuló megoldás .................................................................................. 26

vi

Jelölések és rövidítések jegyzéke ML AP COP COM EMG Tend Tper x irány y irány Sx Sy S R L L*R „egylábas” „kétlábas” Corr

medio-laterális irány, anatómiai értelemben oldalirányú antero-posterior irány, anatómiai értelemben előre-hátra irányú center of pressure, talpnyomás-középpont center of mass, tömegközéppont elektromiográf beállási idő másodpercben, szerepel még Tend jelöléssel a lengő mozgás periódusideje a kilökéssel egyező irány, vízszintes síkban a kilökés irányára merőleges irány, vízszintes síkban a mozgás x irányú vetülete által bejárt teljes pályahossz mm-ben a mozgás y irányú vetülete által bejárt teljes pályahossz mm-ben az x és y irányú pályavetületek összege mm-ben irányultsági arány átlagos Lehr-szám, a szakirodalomban D-vel jelölt az irányultsági arány és a Lehr-szám szorzata egy lábon állva végzett mérés mindkét lábon állva végzett mérés Pearson-féle korrelációs együttható

vii

1 Bevezetés, célkitűzések Az egyensúlyozás képessége – különösen a kétlábúak, így az ember esetében is – rendkívül összetett folyamat. Az emberi test alkotta sok szabadságfokú, kettős fordított ingával modellezhető rendszer nem-lineáris szabályozást igényel, melynek a stabilitást és a pontos beállást a másodperc töredéke alatt biztosítania kell. Feltételezhető, hogy a feladat komplexitását a központi idegrendszer tanulási folyamatok során szerzett robosztus megoldási mintáival kompenzálja. Az egyensúlyozás vizsgálatával mind a bionika szemszögéből, az élő szervezet megismerése céljából, mind a biomimetika szemszögéből, az élőlények által alkalmazott módszerekből való tanulás és másolás céljából is érdemes foglalkoznunk. Az emberi egyensúlyozásra irányuló kutatások elsősorban állás vizsgálatára és a két lábon járás megismétlési pontosságára fókuszáltak. A szakirodalmi meghatározás szerint az egyensúlyozás az a képesség, ami lehetővé teszi, hogy testünket a kívánt helyzetben tudjuk tartani változó testhelyzetek és mozgások közben. Megkülönböztethetünk statikus és dinamikus egyensúlyozó-képességet, további felosztás az egyensúlyozási feladat típusa szerint lehetséges (1. táblázat). 1. táblázat Az egyensúly felosztása az egyensúlyozási feladat típusa szerint Kiss nyomán

Stabilitási egyensúly Állás egy és két lábon Stabil felületen

Haladási egyensúly

Behatárolt felületen Labilis felületen Külső zavaró tényező után

Behatárolt felületen Labilis felületen Irány- és sebességváltoztatás mellett

Forgási egyensúly Hosszanti tengely körül Szélességi tengely körül Mélységi tengely körül Több tengely körül

Stabil felületen

Repülési egyensúly Rövid vagy hosszabb (támasz nélküli) Repülési fázisok közben

Dolgozatban egy olyan többfunkciós edző- és mérőeszközzel végzett mérések feldolgozásával foglalkoztam, mely egy rugókra függesztett merev lapból áll, mely vízszintes síkban rezgő mozgásra képes. A lap kitérítése és rögzítése, majd hirtelen kioldása után a lapon álló személy elveszti stabil helyzetét, az egyensúly visszanyerésnek folyamatával a rendszer lengését csillapítja. A kísérlet besorolása ennek megfelelően kettős: a külső zavarás utáni egyensúly-visszanyerésre irányul (stabilitási egyensúly), ugyanakkor a teljes testben bekövetkezik hirtelen irány- és sebességváltozás (haladási egyensúly). A feladat összetettsége miatt az emberi test a perturbációra várhatóan nem tudatos mozgás-válaszokkal fog reagálni. A kutatás célja e válaszok vizsgálata, melyhez több szempontból is csoportosítható mérési adatbázis állt rendelkezésre. Az irodalomkutatás alapján megállapítható volt, hogy az egyensúlyozási jelenségek leírására kevés paraméter áll rendelkezésre. További célom volt olyan új vizsgálandó paraméter bevezetése, mely új információt hordoz az eddigiekhez képest, és e paraméter segítségével a dinamikus egyensúlyozást új szemszögből vizsgálható.

1

2 Irodalomkutatás 2.1 Dinamikus egyensúlyozó képesség modellezése E fejezet a szakirodalomban elterjedt dinamikus egyensúlyozási képesség modellezésére szolgáló módszereket rendszerezi és mutatja be. A dolgozat témája nem érinti a statikus – általában állás közben a tömegközéppont megtartására irányuló – egyensúlyozó képességet, így az irodalomkutatás sem tér ki az ilyen irányú korábbi kutatások értékelésére. A dinamikus egyensúlyozó képesség modellezésének osztályozását az 1. ábrában került összefoglalásra. Ez az osztályozást követjük az irodalom összefoglalásában is.

dinamikus egyensúlyozó képesség modellezése fix talajon

medio-lateralis (oldal-) irányú meglökés

többirányú meglökés

futószalag

buktatás

Balance Board

anteriorposterior (előre-hátra) irányú

medio-lateralis (oldal-) irányú

rezgő platform

folytonosan gerjesztett

szabadon lengő (PosturoMed)

1. ábra Releváns dinamikus egyensúlyozó képesség modellezésének osztályozása

2.1.1 Fix talajon végzett mérések 2.1.1.1 Medio-lateralis (oldal-) irányú meglökés Rietdyk és munkatársai [1999] mérésének célja az oldalirányú lökésre adott motoros válaszmechanizmus meghatározása. Ennek a modellezéséhez a vizsgált személyt két helyen, a váll és a medence környezetében lökik meg, és optikai-alapú (infravörös) mozgásvizsgáló rendszerrel egyes (általában az ízületek környezetében elhelyezett) markerek pozícióját (2. ábra), valamint talpnyomás eloszlást mérő platformmal a nyomásközéppont helyzetét rögzíti.

2. ábra Oldalirányú meglökéses vizsgálat a felhelyezett mérőpontokkal [Rietdyk, 1999]

Rietdyk és munkatársai [1999] megállapították, hogy a talpnyomás-középpont (COP) pozíciója a kijelölt pontok helyzetéből számított tömegközéppont (COM) helyzetét szignifikánsan befolyásolja, továbbá a kilökésre adott válaszokban különböző stratégiák figyelhetőek meg. A reakcióerő létrehozásában az egyes anatómiai pontok összevetéséből megállapították, hogy a csípő és a gerinc kb. 85%2

ban, míg a boka kb. 15%-ban vesz részt az oldalirányú meglökésre adott válaszban, azaz az egyensúly visszanyerésében (3. ábra). A szakirodalomban ezek csípő- és boka egyensúlyozási stratégia néven ismertek: az elnevezés a legtöbbet elmozduló ízületre utal, és összefügg a központi idegrendszer feladatmegoldó jellegével is.

3. ábra Izomcsoportok szinergikus működése, boka és csípő-stratégiák [Rietdyk et al, 1999]

2.1.1.2 Többirányú meglökés Matjacic és munkatársai [2000] egy saját fejlesztésű vizsgáló berendezéssel (4.a ábra) a szilárd talajú erőmérő platón álló személyt több irányból (4.b. ábra) medence-tájékon lökték meg. Az egyes kiemelt ízületekben ébredő eredő nyomatékot (Net Joint Torque) az eszköz szögállásából (4.c ábra) és a talajra ható reakcióerőből számították. Megállapították, hogy a testtartás egyensúlyozására vonatkozó izomcsoport-együttműködési stratégiák következtében a központi idegrendszer a szabadságfokok számát csökkenti. Ezzel tudja a központi idegrendszer biztosítani a gyors választ, azaz az egyensúly gyors visszanyerését instabil, magas tömegközéppontú, kicsiny alátámasztási felületű rendszerben. Az ízületekben ébredő eredő nyomatékok elemzése egyértelműsítette, hogy a szabadságfok-csökkentés nemcsak idegrendszeri, hanem biomechanikai értelemben is megfigyelhető.

4. ábra Többirányú meglökéses vizsgálat elrendezése a lökésirányokkal [Matjacic et al, 2000]

3

2.1.2 Futószalagon történő buktatás Shirota és munkatársai [2014] saját fejlesztésű eszköze futószalagon történő járás közben véletlenszerűen képes a lábfejet megakasztani, az alanyt kvázi elbuktatni. Az ilyen hirtelen akadályra adott válaszreakciók közül három, jellegében különböző stratégiát találtak, melyet a felvett pozíció-adatok változásából statisztikai módszerekkel is el tudtak különíteni (5. ábra): lábemelés (a), lábletétel (c) és a késleltetett lábletétel (b).

5. ábra Akadályba ütközésre adott tipikus válaszok [Shirota et al, 2014]

2.1.3 Egyensúlyozó lapon végzett mérések („balance board”) 2.1.3.1 Anterior-posterior (előre-hátra) irányú instabilitás Egy instabil felületen egyensúlyozó emberi test két, párosított dinamikai rendszernek tekinthető, ahol az emberi egyensúlyozás ideg-izom visszacsatolással rendelkező nem-lineáris, késleltetett dinamikai rendszer (6. ábra). Az anterior-posterior irányú instabilitást okozó felületen történő egyensúlyozás vizsgálata ideális az összetett megoldási folyamatok tanulmányozására. Chadges és munkatársai [2013] megállapították, hogy az idegrendszer a stabil állapot megtartását a visszacsatolási kör-erősítés finom hangolásával próbálja elérni.

6. ábra Instabil lapon egyensúlyozó ember által alkotott dinamikai rendszer-modell [Chadges et al, 2013]

4

2.1.3.2 Medio-laterális (oldal-) irányú instabilitás Az egyensúlyozási feladat elsajátításának tanulási módszerére és a megszerzett képesség robosztusságára irányuló kutatásban a résztvevőknek egy AP irányú tengelyen fekvő lapon 60 másodpercig kellett egyensúlyoznia (7. ábra) [Orrell et al, 2006]. Az egyensúlyozó képességet a vízszintes helyzettől való szögeltérést integrálásával jellemezték [Orrell et al, 2006].

7. ábra ML irányban instabil „balance board” [Orrell et al, 2006]

Fiatal (20-24 éves), egészséges személyek esetén az egyensúlyozási feladat elvégzése közben többféle másodlagos feladatot is el kellett végezniük: egy verbálist (telefonszám megjegyzése), egy szenzorit (specifikus hangjelzések számolása) és egy motorosat (vizeskancsó felemelése és megtartása). Az extra motoros feladat az egyensúlyozó képességet nem befolyásolta, azaz az egyensúlyozó-képesség robosztus. A verbális feladatra való tudatos koncentrálás javította az egyensúlyozás eredményességét, azaz az egyensúlyozó képesség tanulása implicit jellegű. A kutatás további megállapítása volt, hogy a kognitív folyamatok más irányú lekötésével a tudat alatti, motoros irányítás hatékonyabban végzi el az egyensúlyozás feladatát.

2.1.4 Mozgó platformon végzett mérések 2.1.4.1 Ismétlődő gerjesztés Az ilyen típusú vizsgálatok esetén a platform anterior-posterior (AP) irányú ismétlődő transzlációs mozgást végez. [Terry et al, 2011] kutatásaikban erőmérő lappal rögzítették a COP, hatkamerás mozgáskövető kiértékelésével a COM mozgását, és a COP és COM mozgásának különbségéből, azaz egymáshoz képesti késleltetéséből az egyensúlymegtartás stratégiáira vontak le következtetéseket. A mérési adatok statisztikai feldolgozásával (k-középpontú klaszteranalízissel) a stratégiák elkülöníthetők. Schmid és munkatársa [2011] a COP változásának rögzítése mellett egyes izmok aktivitását elektromiográfiával (EMG) is rögzítették szinuszos, folytonos és azonosan ismétlődő mozgás közben. Kimutatták, hogy az ilyen jellegű külső hatásokra az egyensúlyozó-rendszer adaptálódik, és egyre alacsonyabb izomaktivitás szükséges az egyensúly fenntartásához. Ennek oka, hogy a szinergikus kapcsolatok megváltoznak (izomcsoportok aktivizálása időben változik), és a szabályozási rendszer viszszacsatolásról előrecsatolásra vált.

5

2.1.4.2 Szabadon lengő platform (PosturoMed©) A PosturoMed© eszköz széles körben használt terápiás- és edzőeszköz. A merev lap kerületén nyolc rugóval a merev kerethez van rögzítve. E rugók párosával rögzíthetők, kiengedhetők, mellyel a lengés frekvenciája, így a rendszer merevsége állítható. A platform szélső helyzetében történő rögzítése után a zár kioldásával a merev lapon álló személyt hirtelen irányváltoztatásra kényszerítjük. A hirtelen irányváltoztatás után a vizsgált személy célja egyensúlyának visszanyerése, azaz egyensúlyozó-képességével csillapítja a rendszer lengését.

8. ábra PosturoMed© eszköz ultrahangos mozgáskövető-rendszerrel [Kiss, 2011]

A PosturoMed© eszközt, mint egyensúlyozó-képesség vizsgálatára is használható berendezést [Müller et al, 2004] mutatta be. A rendszer következő fejlődési lépése a lap mozgásának követése ultrahangalapú mozgás vizsgáló rendszerrel (8. ábra). Az eszközzel végzett fontosabb, publikált kutatásokat a következő fejezetben foglalom össze.

6

2.2 PosturoMed© eszközzel végzett vizsgálatok mérföldkövei a szakirodalomban Müller és munkatársai [2014] végeztek először kvantitatív jellegű, a dinamikus egyensúlyozó-képesség modellezésére szolgáló vizsgálatokat. Méréseik egy lábon állva, egyenes testtartás mellett történtek az ismertetett, oldalirányú kitérítéses módszerrel. A vizsgálatba 13 személyt vontak be. Az egyensúly-visszanyerési mód jellemzésére az ML és AP irányban regisztrált lengések számát vezették be, melynek hányadosa a „balance index”. Megállapították, hogy a platform pályáját követve az eredetileg terápiás célú eszköz alkalmas az egyensúlyozó képesség számszerű jellemzésére [Müller et al, 2004]. Kiss [2014] ebben a munkájában a csillapodó lengést végző platform mozgásának jellemzésére a Lehrféle csillapítási számot vezette be. 20 egészséges fiatal (18-40 éves) és 20 egészséges idős (65 év fölötti) személy bevonásával a Lehr-szám segítségével jellemezte az egyensúlyozó-képességet. A mérések megismételhetőségét a vizsgálatnak 7 hét múlva történő ismételésével ellenőrizte. A Lehr-féle csillapítási szám (D) az alábbiak szerint definiált [Kiss, 2011]:

𝐷=

𝛬 √𝛬2 +4π2

, ahol

Λ a logaritmikus dekrement: 1 𝐾0 𝑙𝑛 𝑖 𝐾𝑖 ahol K0 és Ki a lengő mozgás 0. és az azt követő i. amplitúdója. Matematikailag a számításban szereplő két amplitúdó-érték a lengő mozgás bármely időpillanatához tartozhat, amíg teljesül, hogy a két időpont a periódusidő i-szeresére van egymástól. A mérések kiértékelésekor célszerű a maximális kitérésértékek közül választani 0. és i. amplitúdót. A Lehr-szám független a vizsgált személy tömegétől (Corr=0,14-0,18) és a vizsgálat időtartamától. A valós csillapítást a kritikus csillapítással hasonlítja össze, ami mellett nem jönne létre lengés. Így a megvalósult és az elméletileg lehetséges maximális csillapító-képesség hányadosaként értelmezhető [Kiss, 2011]. Ennek megfelelően csillapítási aránynak is nevezik („damping ratio”). Az elsődleges és megismételt teszteredmények kis eltérése és erős korrelációja alapján a mérési módszer megbízhatósága igazolódott. A laterális dominancia hatásának vizsgálata azt mutatta, hogy a nem-domináns lábon állva végzett vizsgálat eredményeiből meghatározott Lehr-szám szignifikánsan alacsonyabb a domináns lábon (p=0,001) vagy mindkét lábon (p=0,006) állva végzett vizsgálat eredményeiből meghatározotthoz képest. A domináns lábon és a két lábon állva végzett vizsgálat eredményeiből meghatározott Lehr-szám nem tért el szignifikánsan (p=0,139-0,142). Az életkor hatását tekintve, a Lehr-szám szignifikánsan alacsonyabb idős (65 év fölötti) személyek csoportjában mind a két lábon, domináns vagy nem-domináns lábon állva végzett vizsgálatok esetében fiatal (18-40 éves) személyek csoportjához képest (p <0,008) [Kiss, 2011]. 𝛬=

7

További kutatási munkák a PosturoMed© eszközt és az azzal kapcsolatos korábbi eredményeket a klinikai ortopédia területén alkalmazzák [Kiss, 2012a], [Holnapy és Kiss, 2013] és [Pethes, Bejek és Kiss, 2015]. Minden esetben az egyensúly-visszanyerés eredményességének mérőszámaként a Lehr-féle csillapítást használják. Ortopédiai elváltozások (osteoarthrosis, térd és csípő arthroplastia) súlyosságát, és különböző protetizálási módszerek hatását vizsgálják az egyensúlyozó képességre. Pfusterschmied és munkatársai [2012] az eszközt négyhetes intenzív egyensúlyfejlesztő edzésprogram hatásának jellemzésére használták, melyhez a kísérleti elrendezést bővítette. A platform és az alsó végtag mozgásának rögzítése nyolckamerás, optikai-alapú (16 marker a végtagokon, 1 a platformon) mozgásvizsgáló rendszerrel történt (MX13, Vicon, Oxford, UK). Az alsó végtag különböző izomcsoportjainak aktivitását felületi elektromiográfiával rögzítették (9. ábra). A kijelölt pontok térbeli helyzetéből és annak változásából – feltételezve, hogy a végtag szegmentumai merevek és az összes mozgás az ízületben jön létre – számították az ízületi szögeket és azok megváltozását, amelyek segítségével definiálták a korrekciós választ (corrective action) [Pfusterschmied et al, 2012]. A vizsgálatban 24 fiatal személy vett részt. A mért és számított adatok a következőek voltak: első maximális kitérésig eltelt idő; maximális kitérés; maximális sebesség; átlagsebesség; korrekciós válasz (ízületi szögek). A mérési eredmények kiértékelése bizonyította, hogy a mérőeszköz és a mérés elrendezése alkalmas a négyhetes intenzív edzés hatásainak kimutatására. Az adatok elemzésekor jól megkülönböztethető volt a boka-, térd- és csípőmozdulatot használó egyensúly-visszanyerési stratégiák.

9. ábra EMG-vel és biokinetikai analízissel kiegészített kísérleti elrendezés mérési eredményei [Pfusterschmied et al, 2012]

Schmidt és munkatársai [2015] 30 fiatal, egészséges személyen a PosturoMed© által létrehozott egyensúly-vesztést követően az egyensúly visszanyerés közbeni COP változásának mérési megbízhatóságát 8

vizsgálták napi és napszaki ismétlések tekintetében. A COP változását, mozgását a merev platformra helyezett erőmérő lap segítségével mérték ML és AP irányú kilökések esetén egyaránt. A COP által bejárt utat két időtartományban vizsgálták: a kilökés utáni első 70 ms-ban (0-70 ms), és az ezt követő 190 ms hosszú időtartamban (70-260 ms). Vizsgálataik igazolták, hogy a mérés megismétlési pontossága megfelelő, továbbá a kapott eredményeket szignifikánsan az egyes napszakok nem befolyásolták. Giboin és munkatársai [2015] rövid, kéthetes intenzív egyensúlyozó-tréning hatását 40 személy bevonásával vizsgálta. A vizsgálatokat ML és AP kilökési irányban is elvégezték, és az eredményességet jelző paraméternek a beállási időt választották. A beállást a kellően távoli időpontban elért nyugalmi helyzethez képesti ± 2 mm-es sávban maradó x és y irányú pozíciót tekintették. (Dolgozatomban is ez lesz a beállás egyik kritérium-feltétele.) Megállapították, hogy a rövid tréning csak feladat-specifikus készségeket fejlesztett, annak semmilyen kimutatható hatása nem volt az akárcsak kismértékben eltérő egyensúlyozási feladat során mutatott teljesítményre. Hipotézisük szerint egy bizonyos feladat gyakorlása csak a feladatnak megfelelő fél-autonóm egyensúlyozó alrendszereket és az azt irányító idegrendszeri felsőbb szerveződést javítja.

9

3 Anyag és módszer 3.1 Vizsgált személyek, csoportok Három sportolói csoport eredményei értékelhetőek jelen munkában: birkózók, korcsolyázók és vitorlázók. A sportolók adatainak megoszlása a következő (ahol (*) jelöli a korrigált szórást): 

birkózók: 15 sportoló; 14 fiú és 1 leány; életkor 15,15 év (*3,84); testtömeg 63,2kg (*20kg)

 korcsolyázók: 21 sportoló; 9 férfi és 12 nő; életkor 28,1 év (*3,92); testtömeg 60,6kg (*9,5kg)  vitorlázók: 10 sportoló; 8 férfi és 2 nő; életkor és testtömeg adat nem áll rendelkezésre. Az értékeléskor elfogadható, figyelembe vett mérések számát a 2. táblázat tartalmazza. 2. táblázat Az értékelhető mérések száma és megoszlása

Sport \ állástípus birkózók korcsolyázók vitorlázók Összesen

„kétlábas” mérés 31 29 10 70

„egylábas” mérés 14 51 0 65

Összesen 45 80 10 135

3.2 Módszer 3.2.1 Mérési eszközök és protokoll A mérési adatfájlok rendelkezésre álltak, a méréseket nem én végeztem. Ezért a mérési módszerek és eszközök bemutatásakor [Kiss, 2012b] értekezésére támaszkodtam. A mérési összeállítást a 10. ábra mutatja. A rugókra függesztett merev lap (PosturoMed©, HaidenBioswing, Weiden, Németország) adja az elvégzendő egyensúly-visszanyerési feladatot, annak kitérítése és rögzítése, majd hirtelen kioldása után. A merev lap mozgását a rá rögzített aktív ultrahangalapú adófejet érzékelő adatgyűjtő mérőfej (zebris CMS10 – zebris GmbH, Isny, Németország) rögzíti, mely adatkábelen keresztül kommunikál a méréshez szolgáltatott WinPosture® (zebris MedizinTechnik, Németország) szoftverrel, mely tetszőlegesen futhat személyi számítógépen vagy laptopon. A mérés menete a következő [Kiss, 2012b]: 1. Két aktív ultrahangos adó ragasztása a merev lap oldalára, azok bekötése speciális kábeleikkel 2. A mérőfej elhelyezése úgy, hogy az adókra rálásson (függőlegessel 30°-os szöget bezárva) 3. Próbamérések végzése a kísérletben részt vevő személy biztonsági heveder viselésével (a teszttel való ismerkedés céljából), mezítláb, mindkét lábon állás közben. 4. A vizsgált személy a merev lap jelzett közepére áll az utasított állásnak megfelelően mindkét, jobb vagy bal lábán (11. ábra). A merev lap vízszintes irányú eltolása a zárószerkezet felé, a zár aktivizálódásáig. Az adatrögzítő szoftver elindítása. A személy előre tekint, és a következő 2 másodpercen belül a zárszerkezetet a személyzet feloldja. A személy azt az utasítást kapta, 10

hogy a lap mozgását minél hamarabb állítsa meg. A mérést meg kell ismételni, ha a személy elesik, a keretet megfogja, ellép a kijelölt helyről, vagy ha a megállítás bizonyos időtartam (kb. 8 másodperc) alatt nem sikerül. Két mérés közt egyperces pihenőidőt kell tartani.

10. ábra Mérési összeállítás [Kiss, 2012b]

11. ábra Mindkét lábon, jobb és bal lábon végzett vizsgálatok PosturoMed©eszközön [Kiss, 2012b]

11

3.2.2 Az adatkiolvasás módszere A mérési adatok sportszakemberek és ortopéd szakorvos által végzett mérésekről ún. WinPosture© szoftver (zebris Medizintechnik GmbH.) adatbázis-fájlokként álltak rendelkezésre. A szoftver grafikus felülete a mérést vezető szakember számára gyors ellenőrzésre ad lehetőséget a mérés sikerességéről (12. ábra).

12. ábra WinPosture© szoftver grafikus felülete

A szoftver három adatsort rögzít 20 ms mintavételezéssel: a platform kilökés irányú (x irány) és arra merőleges (y irányú) pozícióját, valamint a lapra merőleges tengely körüli elfordulását. A mérési adatsor ASCII-formátumban a mért személyről és az adott mérésről információt szolgáltató fejléccel rendelkező text fájlba exportálható. Az ASCII-fájlok beolvasására LabView© (National Instruments, Inc.) rutint készítettem, mely lehetővé tette az adatok flexibilis és pontos feldolgozását (13. ábra és 14. ábra). Sikeresnek minősültek azok a mérések, amelyek kezdete jól kivehető, nagy meredekségű; a vételezett pontsor folytonos; az egyensúlyi beállás megtörtént. A beállás teljesül, ha mindkét vízszintes ortogonális irányban a lengés két egymást követő legnagyobb kitérése közt 4 mm eltérés van, azaz a végtelen időben beálló nyugalmi helyzethez képest ± 2 mm-es sávra szűkül a mozgás. Az adatsorok az ezt teljesítő lengés után kerültek vágásra, egységesen a következő inflexiós pontnál.

12

13. ábra A készített VI-rutin front panelje

14. ábra A készített VI-rutin back panelje

13

3.2.3 Mért és számított jellemzők Az adatfeldolgozás során a következő jellemzők kerültek kiolvasásra és számításra:  Tend – a beállási idő, az előzőekben definiáltak szerint, kurzoros leolvasással (s) 

Tper – a lengés periódusideje, kurzoros leolvasással, (s)



Sx – az ML irányban bejárt pályahossz, a rutin által integrálással meghatározva, (mm)



Sy – az AP irányban bejárt pályahossz, a rutin által integrálással meghatározva, (mm)



S – az ML és AP irányban bejárt pályahosszak összege, (mm)



R – irányultsági arány, a következőkben meghatározva, (-)



L – átlagos Lehr-szám, a következőekben meghatározva, (%)



LxR – a Lehr-szám és az irányultsági arány szorzata, (%)

 az adott mérés azonosítója és az állás típusa (jobb/bal/mindkét láb). A bejárt vetületi pályahosszak másodrendű közelítésű numerikus deriválás, négyzetre-emelés majd gyökvonás utáni integrálással egyértelműen megkaphatóak. Az irányultsági arány (jele: R) az ML és AP irányokban bejárt pályahosszak hányadosa, mértékegység nélküli szám, mely az egyensúly-viszszanyerési válasz stratégiáját jellemzi. Bevezetését az indokolja, hogy az egyes egyensúlyozási megoldási módok a bejárt pálya irányultságától szignifikánsan függnek. Az arányszám megmutatja, hogy a platform és az alany mozgása mennyire marad egy vonalban a kilökés irányát tekintve, és azt az egyensúlyozó személy milyen mértékben befolyásolja. 25

x irányú pozíció (mm)

20 15 10 5 0 -5 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-10 -15 -20

idő (ms) 15. ábra Mért pálya-adatsor mintája

Az átlagos Lehr-szám az Irodalomkutatás vonatkozó fejezetében elmondottakkal azonos, meghatározásához két, egymástól n számú oszcilláció távolságra lévő maximális amplitúdó leolvasására volt szükség. Erre a távolságra jó útmutatást [Tweten, 2014] munkája ad (16. ábra). Az erősen csillapodó lengések esetén jellemzően 3-4 lengéstávolságban történt a leolvasás, míg hosszan lecsengő lengések esetén ez a szám 7-8 volt. Inkonklúzív esetben a dekrement meghatározása a pontosság növelése érdekében több n-számmal, iteratív módon történt.

14

16. ábra Logaritmikus dekrement meghatározásához ajánlott n-számok a csillapítás függvényében [Tweten, 2014]

A Lehr-számot minden esetben mindkét kitérés-maximumra (szemléletesen „alulról” és „felülről” is) kiszámítottam, számtani átlaguk az átlagos Lehr-féle csillapítási szám, mely jobb kezelhetősége miatt gyakran %-os értékként kerül feltüntetésre. Értéke jellemzően 0,02-0,13 közötti.

3.2.4 Statisztikai módszerek A lefuttatott statisztikai próbák és a korreláció-analízis a Microsoft Excel© Analysis ToolPak bővítményével készültek. Az alkalmazott próbák a következőek voltak: kétmintás t-próba nem egyenlő szórásnégyzetekkel és kétmintás párosított t-próba a várható értékre. A szignifikancia-szint minden esetben α=0,05 volt. A korrelációs kapcsolatot tekintve a vizsgált változókat |Corr|<0,30 esetében korrelálatlannak, 0,45<|Corr|<0,70 esetén erősen korrelálónak, |Corr|>0,90 esetén együttmozgónak tekintettem. Alkalmazásra került a k-középpontú (ún. k-Means) algoritmusú klaszteranalízis. Az algoritmus Excel-makróbővítmény formában állt rendelkezésre [Neilson, 2011]. A metódus sajátosságai miatt a jellemző változókat normálni kellett (számértékileg azonos nagyságrendre hozás). Az irányultsági hányad nem-lineárisan jellemzi a bejárt pálya alakját; a bejárt pályákat szemrevételezve a kisebb arányok tartományán (R=1-3) meghatározóbb alaki eltérések tapasztalhatók, mint a nagyobb arányok tartományán (R=4-6). Ezért az irányultsági arány számadatai logaritmusukkal kerültek az algoritmusba. Bemeneti paraméterként kellett megadni a klaszterek elvárt számát. Iteratív jelleggel több szám is kipróbálásra került; szemrevételezéssel is jól értelmezhető eredményt az ötös klaszterszám adott.

15

4 Eredmények 4.1 Mért és számított jellemzők Az értékelhető mérések számeredményeinek átlagát és szórását az egyes vizsgált csoportokra bontva a 3. táblázat tartalmazza. A csoportokban szereplő kísérletszámot n jelöli. 3. táblázat Mérési eredmények átlaga és szórása

BIRKÓZÓK

n=31 átlag szórás

n=8 átlag szórás

n=6 átlag szórás

Te (s) 1,58 0,26

Te (s) 1,52 0,33

Te (s) 2,38 0,99

Lehr átlag 7,12% 1,21%

két lábon Sx (mm) Sy (mm) 161 33 32 13

R 5,46 1,68

S (mm) 194 40

L*R 39% 15%


domináns Sx (mm) Sy (mm) 157 62 28 36

R 3,21 1,50

S (mm) 219 49

L*R 22% 11%


nem-domináns Sx (mm) Sy (mm) 239 83 99 42

R 3,08 0,93

S (mm) 322 136

L*R 16% 8%

KORCSOLYÁZÓK


Te (s) 1,89 0,54


két lábon Sx (mm) Sy (mm) 189 51 51 20


Te (s) 2,83 1,88


domináns Sx (mm) Sy (mm) 280 96 200 71

R 3,765532 1,906427

S (mm) 376 256

L*R 22% 24%


nem-domináns Sx (mm) Sy (mm) 302 118 127 74

R 3,11 1,46

S (mm) 420 174

L*R 12% 9%


Te (s) 3,18 1,45

R 4,12 1,40

S (mm) 240 66

L*R 26% 12%

VITORLÁZÓK


Te (s) 1,67 0,39


két lábon Sx (mm) Sy (mm) 178 40 47 14 16

R 4,90 1,86

S (mm) 218 54

L*R 35% 24%

4.2 Korrelációanalízis A korrelációs mátrixot az összes mérésre, valamint külön az egy- és kétlábas mérésekre és az egyes sportolói csoportokra elkészítettem. Ezek közül csak a legfontosabb táblázatok kerülnek bemutatásra (4-6. táblázat), ahol félkövér jelöli a szöveges értékelésben kiemelt meghatározó értékeket. 4. táblázat Korrelációanalízis a teljes mintaszámra

n=135 Te (s) Lehr átlag Sx (mm) Sy (mm) R=x/y S (mm) L*R

Te (s) 1 -0,727 0,965 0,6665 -0,150 0,935 -0,518

Lehr átlag 1 -0,727 -0,582 0,243 -0,731 0,768

Sx (mm)

1 0,694 -0,154 0,970 -0,516

Sy (mm)

1 -0,635 0,849 -0,675

R=x/y

1 -0,328 0,762

S (mm)

1 -0,607

L*R

1

5. táblázat Korrelációanalízis az összes egylábas mintára


Te (s) 1 -0,704 0,961 0,585 0,045 0,923 -0,480

Lehr átlag 1 -0,697 -0,539 0,140 -0,707 0,819

Sx (mm)

1 0,629 0,039 0,967 -0,466

Sy (mm)

1 -0,601 0,807 -0,640

R=x/y

1 -0,168 0,619

S (mm)

1 -0,565

L*R

1

6. táblázat Korrelációanalízis az összes kétlábas mintára


Te (s) 1 -0,757 0,945 0,550 -0,074 0,904 -0,465

Lehr átlag 1 -0,793 -0,494 0,148 -0,769 0,658

Sx (mm)

1 0,618 -0,141 0,968 -0,537

Sy (mm)

1 -0,782 0,795 -0,812

R=x/y

1 -0,357 0,814

S (mm)

1 -0,673

L*R

1

Beállási idő és bejárt pályahossz A 4-6. táblázatok első oszlopa azt mutatja, hogy a beállási idő együtt mozog a bejárt pályahosszak összegével és az ML irányban bejárt pályahosszal. Ebből következik, hogy a beállási idő és a pályahossz összefüggő értékek, azok alapján az egyensúly-visszanyerési válaszok eredményessége hasonlóan értékelhető. Ezek közül egy paraméter vizsgálata elegendő. A beállási idő és a Lehr-szám erősen korrelál (Corr=-0,73), de azzal nem mozog együtt.

17

Irányultsági arány Az irányultsági arány mérőszámot új paraméterként kívánjuk bevezetni. Ehhez célszerű az idáig használt paraméterekkel – mely a beállási idő és a Lehr-szám – való kapcsolatát és e kapcsolat erősségét vizsgálni. A korrelációs együtthatók alacsonynak adódtak (7. táblázat), így az irányultsági arány új információ hordozója. Ennek tükrében elmondható, hogy a Lehr-szám és az irányultsági arány együttes használata új lehetőséget teremt az egyensúly-visszanyerési válaszok kivitelének osztályozására, azok számszerű jellemzésére. A Lehr-szám - irányultsági arány közötti kapcsolatot az összes értékelt mérés esetén az 17. ábra ábrázolja. 7. táblázat Az irányultsági arány korrelációja a fontosabb paraméterekkel

paraméterek állás korrelációs együttható

beállási idő egy lábon két lábon állás állás

összes eset -0,150

0,045

Lehr-szám egy lábon két lábon állás állás

összes eset

-0,0745

0,243

0,140

0,148

Lehr-szám 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

irányultsági arány birkózók

vitorlázók

korcsolyázók

17. ábra Összes értékelt adat Lehr-szám – irányultsági arány dimenzióban ábrázolva, sportágak szerint

18

4.3 Klaszteranalízis az egy lábon történő sikeres egyensúlyozásra A korcsolyázók csoportjában az egy lábon állva teljesített vizsgálatok Lehr-szám – irányultsági arány dimenziójú adatpontjaira k-középpont algoritmusú klaszteranalízist futtattam le öt klaszter elkülönítésével (18. ábra). Az így azonosított csoportok az egyensúly-visszanyerés különböző stratégiáit képviselik. Az adatpontok elhelyezkedését tekintve az irányultsági hányados kb. 3,2-es értékénél választóvonal, és a Lehr-szám 4%-os értékénél széles, üres sáv figyelhető meg. Lehr-szám 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0

1

2

3

4

5

6

7

Irányultsági hányados direkt előre

előre forgató

vonalas

spirális

körkörös

18. ábra Klaszteranalízis eredménye az egy lábon állva teljesített egyensúly-visszanyerésre

19

8

9

5 Megbeszélés 5.1 Az irányultsági arány használatában rejlő lehetőségek 5.1.1 Sportági edzés hatása az egyensúlyi válaszra Az egyes sportági csoportok elkülönülése figyelhető meg L-R dimenzióban (17. ábra). A birkózók szűk csillapítás-tartományban dolgoztak (jellemzően 5-8% között), széles iránytartományban (2-7,2). Ezzel szemben a korcsolyázók sokkal szélesebb csillapítás-tartományban (1-10%), és hasonló szélességű, de alacsonyabb értékű iránytartományban mozogtak (0,8-6,2). A vitorlázók esetében az alacsony mintaszám (n=10) miatt nem figyelhető meg rendeződés, a mérési pontok vizuálisan a birkózók és a korcsolyázók által használt tartományok határán helyezkednek el. A korcsolyázók alacsonyabb irányultsághoz társuló alacsony vagy magas csillapítással, míg a birkózók magasabb irányultsághoz tartozó egységesen magas csillapítással dolgoznak. A két paraméter szorzata (L*R) a birkózók esetében szignifikánsan magasabb, mint a korcsolyázók esetében (p=0,0005). A létrehozott mérőszám (L*R) alkalmas lehet az egyes sportolói csoportok elkülönítésére, a sportág-specifikus edzés hatásának vizsgálatára (19. ábra). L*R 50%

45%

40%

35%

30%

25%

20%

15%

10%

5%

0%

sportágak birkózók

korcsolyázók

vitorlázók

19. ábra L*R érték használatának bemutatása sportágakra

20

5.1.2 Egy lábon és két lábon történő vizsgálat A 20. ábraán látható, hogy az egy lábon és két lábon történő egyensúly-visszanyerési vizsgálatok elkülönülnek, a két csoport csak néhány adatpontban mutat átfedést. A két egyensúlyozási feladat lényegesen eltérő, így a továbbiakban érdemes külön kezelni ezeket a megoldásokat. Lehr-szám 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

irányultsági arány egylábas mindkét lábas 20. ábra Egy- és kétlábas sikeres egyensúlyozási megoldások L-R dimenzióban

10 9 8

beállási idő (s)

7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

irányultsági arány egy lábon mindkét lábon 21. ábra Egylábas és mindkét lábas megoldások egyezősége Tend-R dimenzióban

21

9

10

Az eredményességet jelző beállási időt az irányultsági hányados függvényében ábrázolva (21. ábra) látható, hogy vannak olyan egylábas megoldások, melyekkel azonosan jó eredmény érhető el, mint mindkét lábon állva. Olyan eset is látható, amely során a bejárt pálya hasonló. Megállapítható, hogy ezek a megoldási stratégiák az állástípusra robosztusak. Ez fontos eredmény lehet a kétlábú robotok dinamikájának tekintetében.

5.1.3 Laterális dominancia hatása Az egyénenkénti többszöri mérés lehetőséget adott arra, hogy megfelelő erősségű becslést lehessen tenni az egyensúlyozás szempontjából domináns lábra. A 22. ábra a laterális dominancia szerint mutatja a mérési pontok elhelyezkedését. 10% 9% 8%

Lehr-szám

7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0

1

2

3 4 irányultsági arány domináns láb nem-domináns láb

5

6

22. ábra Egylábas állások L-R dimenzióban, dominancia szerint

Az összes egy lábon állva teljesített mérést tekintve a nem-domináns állások Lehr-száma szignifikánsabb kisebb (df=56, p<0,004), mely összhangban van [Kiss, 2012a] megállapításaival. A rendelkezésre álló minta-elemszám miatt a korcsolyázók csoportjára lehetőség volt személy-követéses, párosított t-próba elvégzésére is. A nem-domináns lábon történő álláshoz szignifikánsan alacsonyabb irányultsági hányados tartozik (n=12, p<0,004), és domináns lábon álláskor a Lehr-szám személyenként is szignifikánsan magasabb (n=12, p<0,015). Az egyensúly-visszanyerés domináns lábon állás esetén erősebb csillapítóképességgel és vonalasabb irányultságú pályán (pl. 28. ábra), míg a nem-domináns lábon állás esetén alacsonyabb csillapítóképességgel, körkörösebb bejárt pályával (pl. 24. ábra) történik. A korreláció-analízis azt mutatja, hogy egy lábon állva az irányultság független a beállási időtől és bejárt pálya hosszától, vagyis az eredményességtől. Ebből következik, hogy a körkörösebb pálya az egyensúly-visszanyerés eredményességét nem javítja, viszont a feladat sikeres teljesítésére a módosított pálya teremt lehetőséget.

22

5.2 Egy lábon történő egyensúly-visszanyerés stratégiái A klaszterek számát ötre állítva az algoritmus jól elkülöníthető csoportokba rendezte az adatpontokat (n=48). Az egyes pontokhoz tartozó mérések bejárt pályáit a csoportokon belül szemrevételezve igen hasonló alakzatok figyelhetőek meg, melyeket az egyensúly-visszanyerés kinematikai stratégiáinak tekintünk. Feltételezhetjük, hogy a stratégiákat a Lehr-féle csillapítási szám és az irányultsági hányados értékpárja egyértelműen meghatározza (8. táblázat, a (*) érték empirikus szórást jelöl). 8. táblázat Különböző egyensúly-visszanyerési stratégiák átlagos jellemző értékei

direkt előre előre forgató spirális körkörös vonalas

Lehr-szám 8,1% 5,9% 6,7% 2,5% 2,9%

R 1,5 2,4 6,1 2,2 4,7

Tend (s) 1,72 (*0,45) 1,89 (*0,39) 1,78 (*0,57) 3,49 (*1,02) 3,89 (*1,25)

előfordulás 10% 19% 13% 31% 27%

L*R 12,3% 14,3% 40,7% 5,4% 13,5%

Az egyes stratégiák beállási idejének szórása az értékhez képest kicsi, ugyanakkor az egyes csoportok adatpontjai széles Lehr-szám tartományt fednek le (18. ábra). Ez az egyes stratégiák közti minőségi különbséget és a csoporton belüli válaszok hasonlóságát igazolhatja. Az egyes stratégiák eredményessége (az átlagos beállási idő) erősen függ a Lehr-számtól, de pl. a körkörös pálya alacsonyabb átlagos csillapítás mellett hamarabb áll be, mint a vonalas. Az előfordulási gyakoriság a kivitelezési nehézséget jellemezheti. Lehr-szám 10% 9% 1,72s

8% 7%

1,78s

6%

1,89s

5% 4% 3%

3,89s

3,49s

2% 1% 0% 0

1

2

3

4

5

6

7

irányultsági arány direkt előre

előre forgató

spirális

körkörös

vonalas

23. ábra Egy lábon állva történő egyensúly-visszanyerési stratégiák eredményessége

23

A vonalas és a körkörös stratégiáknál lényegesen jobb eredményre vezet a másik három (direkt előre irányuló, előre forgató és spirális) stratégia, melyek beállási ideje között csak kis különbség van. Az előfordulási gyakoriságokat is figyelembe véve az előre forgató stratégia lehet optimális.

5.2.1 Körkörös, ellipszis stratégia A pálya jellemzője, hogy hirtelen irányváltás egyszer történik, amikor a mozgás a kilökés utáni vonalas lengést követően körpályára áll (24. ábra). Ezt követően az ívelt jelleg a megállásig megmarad. Magasabb irányultsági arány-számhoz egyre ellaposodó ellipszisek tartoznak (25. ábra). A megoldás gyakorisága 15/48.

24. ábra Körkörös stratégia jellegzetes pályája

25. ábra Körkörös stratégia jellegzetes pályája magasabb irányultsági arány mellett (ellipszis)

5.2.2 Előreforgató stratégia Az oldalirányú kilökés után a mozgás pályája ívátmenettel vált (általában keresztirányú) ellipszissé (26. ábra). A pályaváltás során a lengés erősen csillapodik. A stratégia a kedvezőbb beállási idejét az előre beforgatott irányú lengésnek köszönheti, mivel a talp ebben az irányban nagyobb alátámasztási szélességet biztosít. A megoldás gyakorisága 9/48. 24

26. ábra Előre forgató stratégia jellegzetes pályája

5.2.3 Direkten előre irányuló stratégia A bejárt pálya jellegzetessége, hogy az oldalirányú kilökés ellenére a mozgás terjedelme előre-hátra irányban a jelentős, és ebben az irányban mutat hirtelen irányváltást. A direkt előre irányuló stratégia során az oldalirányú egyensúly-visszanyerési feladatot az egyensúlyozó személy jellegében előre-hátra irányú feladattá alakítja át. Ez nagyon fejlett válaszreakciónak tekinthető, ennek megfelelően a megoldás gyakorisága csupán 5/48.

27. ábra Direkten előre irányuló stratégia jellegzetes pályája

5.2.4 Vonalas stratégia A vonalas stratégia során bejárt pálya egy éles vonalon marad (28. ábra). A kitérések végpontjait követő irányváltás hirtelen, és nem vagy alig tér ki a pályából. A vonalas egyensúly-visszanyerés esetén csak az oldalirányú csillapítás léphet fel, így ennek megfelelően a beállási idő a leghosszabb. A megoldás gyakorisága 13/48. 25

28. ábra Vonalas stratégia jellegzetes pályája

5.2.5 Spirális és különös stratégiák Nehezen jellemezhető csoport, mert lényegesen eltérő megoldásokat mutat, úgymint a spirális (29. ábra) vagy a néhány vonalszerű kitérés utáni körpálya (30. ábra). A spirális pálya során a mozgás irányultsága kitérésenként változik, mely folytonos dinamikus korrekciót, s ennek megfelelően fejlett egyensúlyozó-képességet feltételez. A csoportba sorolható megoldások gyakorisága 6/48.

29. ábra Spirális stratégia jellegzetes pályája

30. ábra Vonalas majd előre irányuló megoldás

26

6 Összefoglalás, konklúzió Dolgozatomban dinamikus egyensúlyozó-képesség modellezésére szolgáló vizsgálatok mérési adatait értékeltem ki. Az adatkiértékelést az egyensúlyozás mérésére irányuló modellek és kísérleti módszerek szakirodalmának részletes áttekintése és kritikai elemzése alapján megállapítható, hogy a szabadon lengő platformon végzett vizsgálatok adatainak feldolgozásához kevés jellemző áll rendelkezésre. Célom a korábban mért adatok elemzése alapján olyan összefüggések feltárása, melyek segítségével új paraméterek definiálhatók. A rendelkezésemre álló adatbázist alkotó mérések azonos mérési berendezésen, és beállítások mellett sportágak szerint (birkózók, korcsolyázók, vitorlázók) és vizsgálati típus szerint (egy és két lábon, domináns és nem-domináns lábon történő állás közben történő mérés) is csoportosíthatóak, azaz e körülmények hatásainak elemzése is lehetséges. Az oldalirányú kitérítésre adott egyensúly-visszanyerési válaszok a bejárt pályát tekintve sokfélék: e pályának jellemzésére az irányultsági arányt vezettem be, mely az oldalirányú tengelyre és az előre-hátra irányú tengelyre vetített bejárt pályák hosszának a hányadosa. Az alacsonyabb érték körkörösebb, a magasabb érték vonalasabb pályát jelent. Az újonnan definiált irányultsági arány az irodalomban széles körben használt jellemzők közül sem a Lehr-féle csillapítási számmal, sem a beállási idővel nem korrelál, azaz új információt hordoz. A Lehr-szám (L) és az irányultsági arány (R) együttes használata az egyensúly-visszanyerési megoldások széleskörű elemzésére ad lehetőséget. Az „egylábas” és „kétlábas” mérések L-R dimenziójú diagramon jól elkülöníthetőek. Ez alapján az egy és két lábon teljesített egyensúly-visszanyerési megoldásokat célszerű külön elemezni. A dinamikus egyensúlyozó-képesség robosztusságát mutatja, hogy egy és két lábon állva is lehet ugyanolyan eredményes az egyensúlyozás eltérő irányultság mellett, továbbá azonos irányultsággal azonos eredményesség is elérhető. E robosztusság fontos eredmény lehet a kétlábú robotok dinamikájának tekintetében. A Lehr-szám és az irányultsági arány szorzata alapján a birkózók és a korcsolyázók dinamikus egyensúlyozó-képessége szignifikánsan elkülöníthető volt (p=0,0005), így az L*R mérőszám az egyensúly-érzékelés sportág-specifikus követelményeit és edzésmódszereit is képes jellemezni. A laterális dominancia szerinti elemzés igazolta a Lehr-számra vonatkozó korábbi megállapítást: a Lehrszám szignifikánsan kisebb nem-domináns lábon való állás esetén a dominánshoz képest. Az „egylábas” állásokat tekintve személy-követéses elemzéssel kimutattam, hogy a nem-domináns lábon állva történő egyensúly-visszanyeréshez szignifikánsan (p<0,004) alacsonyabb irányultsági hányados, így körkörösebb bejárt pálya tartozik, mint domináns láb esetén. A módosított pálya az eredményességet nem javítja, hanem a feladat teljesíthetőségét biztosítja. Az egy lábon történő egyensúly-visszanyerésekre Lehr-szám – irányultsági arány dimenzióban kközéppontú klaszteranalízis a beállási megoldásokat öt csoportba sorolta. Az egyes csoportok az egyensúly-visszanyerés különböző stratégiái, úgymint: körkörös, előreforgató, direkten előre irányuló, vonalas és különös stratégiák, melyek előfordulási aránya a kivitelezési nehézséget jellemezheti. Az egyes stratégiákon belüli megoldások eredményessége nagyon hasonló. A stratégiák közül optimálisnak az előreforgató stratégia mondható gyors beállási ideje és magas előfordulási aránya miatt.

27

6.1 Kitekintés Mind a mérőeszköz, mind az e dolgozatban bemutatott új paraméterek és eredmények további kutatási területeket jelentenek. Az új paraméterek használhatóságát nem sportoló, más sportágat űző és különböző ortopédiai és idegrendszeri betegségben szenvedő személyek esetén is célszerű kipróbálni. Vélhetően a limbikus rendszerre gyakorolt hatás pontosabban leírható. Fontos kérdés a hirtelen irányváltoztatási teszt hatásának elemzése az izomaktivitásra, melyet célszerű felületi elektromiográffal mérni. Az eszköz több rugóbeállításra ad lehetőséget, mellyel a lengőmozgás sebessége növelhető vagy csökkenthető az eltérő, nehezebb vagy könnyebb egyensúly-visszanyerési feladatok modellezésére. Célszerű az egyensúlyozás tanulási folyamatainak követésére a tizenéves korban kezdődő, hosszú távú utánkövetéses vizsgálat folytatása. Robotdinamikai szempontból a két lábon állás, egyensúlyozás, járás és különböző egyensúly-viszszanyerési helyzetek megvalósítása problémás. Az emberi egyensúlyozó-képességet mintának használva a dolgozatban bemutatott stratégiák megkönnyíthetik a kétlábú robotok dinamikai problémáinak megoldását. E szempontból az „egylábas” és „kétlábas” állásokra robosztus egyensúlyozásra vonatkozó eredmények a fontosak. Az „egylábas” egyensúly-visszanyerési stratégiákra igazolódott, hogy körkörösebb megoldással a gyengébb egyensúlyozó-képesség esetén a feladat teljesítése lehetséges. Az optimálisnak tekintett előreforgató stratégia mintájára érdemes lenne a hirtelen kibillenés után íves pályával körkörösebb mozgásra kényszeríteni a robot tömegközéppontját.

28

7 Irodalomjegyzék Chagdes, J., Rietdyk, S., Jeffrey, M., Howard, N. and Raman, A. (2013). Dynamic stability of a human standing on a balance board. Journal of Biomechanics, 46(15), pp.2593-2602. Giboin, L., Gruber, M. and Kramer, A. (2015). Task-specificity of balance training. Human Movement Science, 44, pp.22-31. Holnapy, G. and Kiss, R. (2013). Impact of the method of exposure in total hip arthroplasty on balancing ability in response to sudden unidirectional perturbation in the first six months of the postoperative period. Journal of Electromyography and Kinesiology, 23(3), pp.727-733. Holnapy, G., Illyés, Á. and Kiss, R. (2013). Impact of the method of exposure in total hip arthroplasty on the variability of gait in the first 6months of the postoperative period. Journal of Electromyography and Kinesiology, 23(4), pp.966-976. Kiss, R. (2011). A new parameter for characterizing balancing ability on an unstable oscillatory platform. Medical Engineering & Physics, 33(9), pp.1160-1166. Kiss, R. (2012a). Effect of degree of knee osteoarthritis on balancing capacity after sudden perturbation. Journal of Electromyography and Kinesiology, 22(4), pp.575-581. Kiss, R. (2012b). Biomechanikai módszerek a csípőízületi kopás hatásának vizsgálatára. MTA doktori értekezés. Budapest Neilson, S. (2011). K-Means Cluster Analysis, Microsoft Excel makróbővítmény. Elérhető: http://www.neilson.co.za/k-means-cluster-analysis-in-microsoft-excel/ utolsó elérés: 2015. október 21. Matjačić, Z., Voigt, M., Popović, D. and Sinkjær, T. (2001). Functional postural responses after perturbations in multiple directions in a standing man: a principle of decoupled control. Journal of Biomechanics, 34(2), pp.187-196. Müller, O., Günther, M., Krauβ, I. and Horstmann, T. (2004). Physikalische Charakterisierung des Therapiegerätes Posturomed als Meβgerät – Vorstellung eines Verfahrens zur Quantifizierung des Balancevermögens / Physical Characterization of the Therapeutic Device Posturomed as a Measuring Device – Presentation of a Procedure to Characterize Balancing Ability.Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, 49(3), pp.56-60. Orrell, A., Eves, F. and Masters, R. (2006). Implicit motor learning of a balancing task. Gait & Posture, 23(1), pp.9-16. Parázsó Lenke, T. (n.d.). A kutatásmódszertan matematikai alapjai. Eger: Eszterházy Károly Főiskola.

29

Pethes, Á., Bejek, Z. and Kiss, R. (2015). The effect of knee arthroplasty on balancing ability in response to sudden unidirectional perturbation in the early postoperative period. Journal of Electromyography and Kinesiology, 25(3), pp.508-514. Pfusterschmied, J., Stöggl, T., Buchecker, M., Lindinger, S., Wagner, H. and Müller, E. (2013). Effects of 4-week slackline training on lower limb joint motion and muscle activation. Journal of Science and Medicine in Sport, 16(6), pp.562-566. Rietdyk, S., Patla, A., Winter, D., Ishac, M. and Little, C. (1999). Balance recovery from medio-lateral perturbations of the upper body during standing. Journal of Biomechanics, 32(11), pp.11491158. Schmid, M., Bottaro, A., Sozzi, S. and Schieppati, M. (2011). Adaptation to continuous perturbation of balance: Progressive reduction of postural muscle activity with invariant or increasing oscillations of the center of mass depending on perturbation frequency and vision conditions. Human Movement Science, 30(2), pp.262-278. Schmidt, D., Germano, A. and Milani, T. (2015). Aspects of Dynamic Balance Responses: Inter- and Intra-Day Reliability. PLOS ONE, 10(9), p.e0136551. Shirota, C., Simon, A. and Kuiken, T. (2014). Trip recovery strategies following perturbations of variable duration. Journal of Biomechanics, 47(11), pp.2679-2684. Simon, J. (2006). A klaszterelemzés alkalmazási lehetôségei a marketingkutatásban. Statisztikai Szemle, [online] 7, pp.627-650. Terry, K., Gade, V., Allen, J., F. Forrest, G., Barrance, P. and Thomas Edwards, W. (2011). Crosscorrelations of center of mass and center of pressure displacements reveal multiple balance strategies in response to sinusoidal platform perturbations. Journal of Biomechanics, 44(11), pp.2066-2076. Tweten, D., Ballard, Z. and Mann, B. (2014). Minimizing error in the logarithmic decrement method through uncertainty propagation. Journal of Sound and Vibration, 333(13), pp.2804-2811.

30

Dinamikus egyensúlyozó-képesség vizsgálata mérési adatok kiértékelésével

Recommend Documents