Laczkó József Semmelweis Egyetem, TSK Biomechanika Tanszék és Pázmány Péter Katolikus Egyetem, Információs Technológiai Kar
Az emberi mozgás csodája: biológiai indíttatású aktív végtagmozgások elemzése és mesterséges létrehozása. Pécs, 2011. december 2. www.meetthescientist.hu
1 | 26
Az emberi mozgás szabályozásában és végrehajtásában résztvevő komponensek Központi idegrendszer elektromos jel Izom Izület
Végtag
www.meetthescientist.hu
összehúzódás Forgás
Elmozdulás
2 | 26
Emberi végtagok mozgásának szimulációja és mérése
Matematikai Modell
Mérési Protokoll
Számítógépes szimuláció
Mérési adatok
Modell módosítás
Mozgásanalízis Összehasonlítás
www.meetthescientist.hu
3 | 26
Számítógépes Mozgásanalizáló rendszer
- Felső végtag mozgás
www.meetthescientist.hu
Alsó végtag mozgás
4 | 26
Kar mozgás mérése
Real-time monitoring (Muscle activity – Movement Kinematics) www.meetthescientist.hu
5 | 26
Egészséges kerékpározó mozgás felvétele, mérése
www.meetthescientist.hu
6 | 26
Mozgásanalízis: Izomaktívitások és ízületi hajlásszögváltozások a térdné A térdhajlásszög és a quadrice ps aktiv itásának kapcsolata ne héz fokozatú gyors te ke résnél 800
1000 600
600
400 200
400
0 -200
EMG (mV)
Hajlásszög (fok)
800
-400
200
-600 -800
0
-1000 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Idő (sec)
A térdhajlásszög és a quadrice ps aktiv itásának kapcsolata nehéz fokozatú lassú teke résnél 800
1000 600
600
400 200
400
0 -200
EMG (mV)
Hajlásszög (fok)
800
-400
200
-600 -800
0
-1000 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Idő (sec)
www.meetthescientist.hu
7 | 26
Mozgásanalízis
www.meetthescientist.hu
8 | 26
Egészséges és dystoniás alany mozgásanalízise
Angle [o]
Healthy
Egy lépés során a bokánál, térdnél és csípőnél mért hajlásszögváltozások
Swing
Stance
Normalized Time
Angle [o]
Patient with dystonia
Normalized Time Ankle
www.meetthescientist.hu
Knee
Hip
9 | 26
9
Application of biomedical measurements and modeling in medical diagnostics
1.
Patient with dystonia
2.
3.
Angle [o]
Angle [o]
Healthy
1.
2.
3.
t=88 0
44
88
132
176
220
264
0
Time [ms]
Shoulder
34
68
102
136
170
204
238
272
Time [ms]
Elbow
Wrist
Karmozgás során a vállnál, könyöknél és csuklónál mért hajlásszögváltozások www.meetthescientist.hu
10 | 26
10
Izomaktívitások és ízületi hajlásszögváltozások a könyöknél
www.meetthescientist.hu
11 | 26
Neuro-mechanikai modell Neurális információt alakítunk át mechanikai aktívitássá. Feladat:
A mozgató idegsejtek aktivitása és az izületi hajlásszög-változások közötti kapcsolatnak egy általános matematikai leírása. 1. Megállapítani idegsejt halmazok aktivitás-mintái függvényében az izomerőket és az ízületi hajlásszög-változásokat. 2. Vizsgálni, hogy a szabályozás mennyire érzékeny a biomechanikai jellemzők és a környezet változására. •
Jobban megérteni a motoros vezérlés rejtett, kisérletileg közvetlenül nem vizsgálható folyamatait.
www.meetthescientist.hu
12 | 26
Végtagmozgások szabályozásának megközelítése Idegi impulzus – izomaktivitás – izületi elfordulás •
Direkt probléma:
Adott: az izmokat ingerlő mozgató idegsejtek aktivitása Számítsuk ki: a végtag ízületeiben az elfordulásokat •
Inverz probléma:
Adott: kisérletileg mért ízületi hajlásszög-változások Számítsuk ki: a mozgató idegsejtek aktivitási mintázatát •
Alapvető probléma: végtelen sok motoneuron-aktivitási minta eredményezheti ugyanazt a kinematikai mozgásmintát
• •
A modell n-ízületű rendszerre alkalmazható; n tetszőleges természetes szám. (kar, láb, fej-nyak-törzs). www.meetthescientist.hu
13 | 26
Egy ízületet hajlító és feszítő izmok térd
a1
könyök
Flexor (biceps)
extensor
α
flexor
b a
www.meetthescientist.hu
2
c
α Extensor (triceps)
14 | 26
Egy megközelítés az inverz probléma megoldására egy ízületben
a1
extensor
α
flexor
b a2
www.meetthescientist.hu
c
Mozgató idegsejt aktívitást szimulálunk feltéve, hogy: • egy hajlító és egy feszítő izom egy ízülethez • egy adott pillanatban csak egy izom aktív • ismert a hajlásszögváltozás az ízületben
15 | 26
Hajlítás
Izomingerlés Hajlító: 20Hz Feszítő: 12Hz
www.meetthescientist.hu
16 | 26
Nyújtás
Izomingerlés Hajlító: 20Hz Feszítő: 20Hz
www.meetthescientist.hu
17 | 26
Az inverz probléma megoldása Ha adott az izületi elfordulás (α), akkor számítsuk ki: 1. Az ízületi szöggyorsulást (β) (kétszeri deriválással) β = d2α / d2t 2. A szükséges izomerőt:
F = β*I/R
ahol (I) tehetetlenségi nyomaték, (F) izomerő, (R) erőkar 3. Az izomerőhöz szükséges ingerlő frekvenciát (f) az izomerő – idegi ingerlő frekvencia kapcsolatból www.meetthescientist.hu
18 | 26
www.meetthescientist.hu
19 | 26
www.meetthescientist.hu
20 | 26
Magyar kutatások •
Idegi aktívitás modellek (Arbib, Érdi, Szentágothai 1998, Székely 1989, Pellionisz et.al. 1985, 1987)
•
Izom modellek, (Szentgyörgyi: Muscle research 1958 Science 128 pp.699-702,
•
Szentágothai János, Lissák Kálmán, Grastyán Endre, Karmos György, PÉCS
•
A komplex NEURO-MECHANIKAI MODELL koncepcióját a New York University-n fejlesztettük (Laczko, Walton, Llinas). NASA Grant: K. Walton, R. Llinas, 1999, Fulbright Scholarship (mammalian locomotion) Laczko, 2004
www.meetthescientist.hu
21 | 26
Modeling at the New York University: Microgravity influences motor development.
Laczko J, Walton K, Llinas R (2006): A neuro - mechanical transducer model for controlling joint rotations and limb movements. Clinical Neuroscience/Ideggy Szle, 59. .(1-2):32-43. www.meetthescientist.hu
22 | 26
A végtag jellemző pontjainak helye és ezeknek a mérése
www.meetthescientist.hu
23 | 26
Mért térdhajlásszögek és a térdhajlító izmok számított aktívitása
www.meetthescientist.hu
24 | 26
A patkány járás-mintájának mérése
iliac crest
ischiatic tuberosity térd ∠ boka ∠ foot
www.meetthescientist.hu
tip of toe
25 | 26
Egy lépés a járás során Foot contact
“Loading”
Támasz fázis www.meetthescientist.hu
Foot lift
Swing
Foot contact
Lengő fázis 26 | 26
Mért térdhajlásszögváltozások és modellezett ingerlési mintázata a térd hajlító és feszítő izmoknak
www.meetthescientist.hu
27 | 26
Mozgás szintézis: mesterséges mozgás-szabályozás
www.meetthescientist.hu
28 | 26
Mozgásszintézis
Kerékpározás mesterséges elektromos izomstimulációval
www.meetthescientist.hu
29 | 26
Parkinson-kór kezelése mély agyi stimulációval (Deep Brain Stimulation – DBS)
http://www.youtube.com/watch?v=B6sqV7bEPo0
www.meetthescientist.hu
30 | 26
I. Mély agyi stimuláció hatásának vizsgálata
DBS műtét alatti mozgásteszt
http://www.youtube.com/watch?v=WW-SWAnphFU&feature=related
www.meetthescientist.hu
31 | 26
Köszönet • • •
Rodolfo LLinas (New York University) Kerry Walton (New York University) Mark Latash (Pennsylvania State University)
• • •
Tihanyi József (Semmelweis Egyetem, Testnevelési és Sporttudományi Kar) Klauber András (Országos Orvisi Rehabilitációs Intézet, Budapest) Fazekas Gábor (Szent János kórház, Budapest)
•
György Karmos (Pázmány Péter Katolikus Egyetem)
•
János Szécsi (Ludwig Maximilians Universitaet, Munchen)
• • •
Keresztényi Zoltán Ph.D.(Semmelweis Egyetem) Pilissy Tamás (PPKE Ph.D. hallgató) Tibold Róbert (PPKE Ph.D. hallgató)
•
és sokan mások
www.meetthescientist.hu
32 | 26
Budapesti Amerikai Nagykövetség Magyar Fulbright Egyesület Magyar Innovációs Szövetség Köszönöm! www.meetthescientist.hu
33 | 26
