METODY BIOMECHANICKÉHO VÝZKUMU
ROZDĚLENÍ METOD BIOMECHANICKÉHO VÝZKUMU Kinematické • videografická vyšetřovací metoda • stroboskopie • goniometrie • akcelerometrie • měření časových parametrů • spidometrie
Dynamické • dynamometrie • dynamografie • pedobarografie
Ostatní • EMG • RTG • tapping
F(t) = m • a(t) s(t) → v(t) → a(t) KINEMATIKA derivování
a(t) → v(t) → s(t) DYNAMIKA integrování
BIOMECHANICKÁ ANALÝZA
• KINEMATICKÁ ANALÝZA • DYNAMICKÁ ANALÝZA • EMG • ANALÝZA TLAKOVÝCH SIL MEZI
Frea Fsva
CHODIDLEM A PODLOŽKOU
Fsva
Hindfoot
Forefoot
Frea
Midfoot
VIDEOGRAFICKÁ VYŠETŘOVACÍ METODA
Vyhodnocení záznamu pohybu určením souřadnic vybraných bodů na sledovaném objektu (na lidském těle). Základní výhody metody: • možnost záznamu pohybu bez rušivých vlivů na sledovaný subjekt, • záznam pohybů prováděných velkou rychlostí, • opakované vyhodnocení záznamu i po delším časovém intervalu, se zaměřením na další faktory, • dostupnost měřících zařízení (kamer).
VYUŽITÍ OPTOELEKTRICKÝCH SYSTÉMŮ
• Vědecké – Analýza pohybu
• Animace
• Průmysl – ergonomie – simulace, vizualizace
VYUŽITÍ OPTOELEKTRICKÝCH SYSTÉMŮ
• Vědecké – Analýza pohybu
• Animace
• Průmysl – ergonomie – simulace, vizualizace
ZÁKLADNÍ KROKY PŘI APLIKACI VIDEOGRAFICKÉ VYŠETŘOVACÍ METODY
A1 A2 A1 = [x1; y1] A2 = [x2; y2] záznam označení bodů pohybu na lidském těle (není vždy možné)
označení bodů na záznamu z jednotlivých kamer
převedení záznamu do paměti počítače
transformace souřadnic A = [x; y; z]
digitalizace záznamu
ZÁKLADNÍ VZTAHY (ANALYTICKÁ GEOMETRIE)
• Nechť jsou dány body A, B, C o souřadnicích A = [xA; yA; zA], B = [xB; yB; zB], C = [xC; yC; zC]. • Pro velikost úsečky AB (vzdálenost bodů A, B; délku segmentu, ohraničeného body A, B) platí:
C
v(A, B) = AB = (x B − x A )2 + (y B − y A )2 + (z B − z A )2 . A α B
ZÁKLADNÍ VZTAHY (ANALYTICKÁ GEOMETRIE)
• Velikost úhlu α mezi segmenty určíme ze vztahu: u1⋅ v1 + u2 ⋅ v 2 + u3 ⋅ v 3 cos α = , u⋅v kde u = B − A = (u1; u2;u3 ) = (xB − x A ; yB − y A ; zB − z A ) v = C − A = (v1; v 2; v 3 ) = (x C − x A ; yC − y A ; zC − z A ) u = (xB − x A )2 + (yB − y A )2 + (zB − z A )2 v = (x C − x A )2 + (yC − y A )2 + (zC − z A )2
C A α B
VIDEOGRAFICKÁ VYŠETŘOVACÍ METODA
2D (rovinná) 1 kamera (kamkordér)
3D (prostorová)
X
nejméně 2 kamery
Záznam pohybu → digitalizace záznamu (určení polohy vybraných bodů, 2D) → transformace souřadnic (3D) → základní délkové a úhlové charakteristiky.
směr pohybu
x - nevhodné umístění kamer o - doporučené rozmístění kamer
LIMITY ZÁZNAMU POHYBU
Identifikace objektu (počet značek, jejich umístění, posun značek, ...)
Způsob provedení a rozsah pohybu
Snímaný objekt Pozadí za objektem
Identifikace prostoru (orientační body)
Vlivy počasí (vítr, déšť, mlha, ...)
Vnější prostředí
Počet přístrojů Umístění v prostoru Synchronizace
Světelné podmínky
Mechanické vlastnosti Záznamové zařízení
Způsob záznamu (rozlišitelnost) Záznamové médium
Optický systém (maticový detektor, ...)
TYPY PASIVNÍCH ZNAČEK
- reflexní povrch - měkké značky na sport velikost
1,5 mm – 70 mm
obličej, ruce, páteř atd.
3 mm – 6,5 mm
pohyb celého těla
9,5 mm a 14 mm
3D VIDEOGRAFIE Vicon MX (Vicon Motion Systems, OxfordMetricsGroup, London, Great Britain) – zařzíení pro 3D kinematickou analýzu pohybu, které umožňuje automatické zpracování záznamu, získaného pomocí infračervených kamer.
KAMERY (INFRAČERVENÉ ZÁŘENÍ)
Typy kamer: T10, T20, T40, T160
16 megapixelů • frekvence snímání 120 Hz při plném rozlišení • 2000 Hz maximální frekvence
TENZOMETRICKÁ PLOŠINA
Zařízení pro měření síly při statických i dynamických situacích.
KISTLER AMTI OR6-5 Výstupní veličiny: - reakční síla,
složky reakční síly Fx, Fy, Fz - momenty sil Mx, My, Mz
REAKČNÍ SÍLA Záznam předozadní složky reakční síly
osoba s hemiparézou
zdravý jedinec
DYNAMICKÁ ANALÝZA – BALANCE Fyzikálně je stabilita vyjádřena množstvím potenciální energie, která je nezbytná pro „překlopení“ těla kolem hrany opěrné báze. AREA
[cm]
SDy
Confident ellipse
SDx
Pro určení stability se využívá analýza pohybu působiště reakční síly – COP (centre of pressure).
[cm]
Měřené parametry: plocha, délka a poloha os, velikost směrodatné odchylky sx, sy, trajektorie, …
VELIKOST A ROZLOŽENÍ TLAKU plocha : 1 952 x 325 mm počet snímačů : 16 384 velikost : 5 x 7,6 mm citlivost : 0,7 - 155 N/cm2
software : scientific - Romberg 3D-BOX možnost synchronizace - silové plošiny, video, EMG
VELIKOST A ROZLOŽENÍ TLAKU
VELIKOST A ROZLOŽENÍ TLAKŮ Trajektorie CoP při stojné fázi krokového cyklu
ASYMETRIE PARAVERTEBRÁLNÍCH VALŮ Rozsah souboru: n = 22, pacienti Hamzovy dětské léčebny v Lužích-Košumberku, n = 17, kontrolní soubor. Označené body: „klasický“ soubor + 31 bodů pro označení linie zad.
ANALÝZA CHŮZE Pilotní studie: chůze osob s roztroušenou sklerózou mozkomíšní. C
B
Kinogram krokového cyklu u zdravého jedince (C) a pacienta se spasticko-ataktickou kvadruparézou (B)
A
C
Grafické znázornění pohybu plosky nohy u pacienta se spastickou paraparézou (A) a u zdravého jedince (C)
ANALÝZA CHŮZE C
B
Grafické porovnání pohybu pravého a levého zápěstí u zdravé osoby (C) a u pacienta se spasticko-ataktickou kvadruparézou (B)
Součást individuálního kineziologického rozboru pohybové poruchy a hodnocení jejího vývoje. Kvantifikace poruch chůze, které mohou být při běžném vyšetření označeny za hraniční nebo nejisté. Využití v oblasti klinického výzkumu, hodnocení účinnosti farmakoterapeutické léčby při poruchách hybnosti. Hodnocení a výzkum metod kinezioterapie a fyzikální terapie v léčebné rehabilitaci.
ANALÝZA POHYBU KONĚ – KINEMATIKA
175
207 cm
170
P2_Y
160
P4_Y
155 150
145
145
140
140
P4_Y
0. 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7
150
0. 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7
P2_Y P3_Y
P3_Y 155
183 cm
170 165
165 160
175
Zkrácení kroku se promítá do zmenšení rozpětí vertikálního pohybu zadní části hřbetu.
ANALÝZA POHYBU KONĚ – DYNAMIKA
• Pliance System, Novel • frekvence snímání 30 Hz • výška vrstvy 2,6 mm • 224 senzorů (3,2 cm x 2,5 cm) lesson 1 – Mean lesson 1 – SD lesson 5 – Mean lesson 5 – SD
2.2 2.1
1.9
2
pressure [N/cm ]
2.0
1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 0
10
20
30
40
50 %
60
70
80
90
100
ANALÝZA KOPU VE FOTBALE
Fáze kopu 1. Zášvih – etxenze v kyčelním, flexe v kolenním kloubu; pohyb stehna a bérce směrem vzhůru. 2. Flexe v kyčelním kloubu – pohyb obou segmentů vpřed. 3. Pokles úhlové rychlosti stehna, extenze v kolenním kloubu – nárůst úhlové rychlosti bérce do kontaktu nohy s míčem. 4. Pohyb končetiny po úderu do míče.
ANALÝZA KOPU VE FOTBALE
Legenda: 1. fotbalový míč 2. zařízení pro synchronizaci kamer 3. orientační body 4. kamery 5. fotbalová branka
ANALÝZA KOPU VE FOTBALE
ANALÝZA KOPU VE FOTBALE
úhlová rychlost – kotník
úhlová rychlost – koleno
ANALÝZA PŘÍMÉHO ZÁBĚRU VPŘED Catching the water
Recovery phase
Pull phase
Air-work
ANALÝZA PŘÍMÉHO ZÁBĚRU VPŘED A1
D
100 80 60 40 20 0 0
20 40 60 80 100 120 0
Hos
Mat
20 40 60 80 100 120
Cen
Pav
3,50 3,00
2 2
1 1 1
3
2
1
4
2
4
1 4 1
Hos
Bpes
100
100
80
80
Mat
Bpes
1 4
3
Mat
Height (cm)
4,00
3 3
Height (cm)
-1
rychlost (ms )
Hos
4,50
Left Hand
Right Hand
5,00
60
40
60
40
2,50 0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
20
20
čas (s)
Legenda: 1 – zasazení levá strana, 2 – vytažení levá strana, 3 – zasazení pravá strana, 4 – vytažení pravá strana
0 100
120
140 Width (cm)
160
180
0 100
120
140 Width (cm)
160
180
DYNAMICKÁ ANALÝZA ODRAZU
VOLEJBAL – SMEČOVANÉ PODÁNÍ
LIMITY – VELKÉ INTERINDIVIDUÁLNÍ ROZDÍLY Vstávání ze sedu je pro většinu lidí automatickou činností, na kterou nemusí myslet. (Edwards, 1996; Trew & Everett, 1997)
⇓ Nízký nebo vysoký počet odchylek v pohybových sekvencích? sach_3_z_p sach_4_z_p sach_11_z_p
1.2 1.1 1.0
Chůze … na fylogeneticky
0.8 sach_3_z_p
fixovaných principech, charakteristických pro každého člověka.
0.9
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x
Porovnání síly ve vertikálním směru při použití klasického protetického chodidla – individuální model
TRANSFORMACE INFORMACÍ Z POVRCHU TĚLA NA JEHO VNITŘNÍ STRUKTURY
ELEKTROMYOGRAFIE jehličková x povrchová
spojovací materiál x telemetricky
Během podráždění dochází na povrchu svalu ke změně elektrického potenciálu z 90 mV na 40 mV. Tyto změny nás informují o aktivitě svalu. Určení závislosti síla x délka, síla x rychlost ⇒ možnost modelování funkce daného svalu.
