Rozdělení metod biomechanického výzkumu. stroboskopie. tapping EMG RTG KINEMATIKA DYNAMIKA. pedobarografie. dynamometrie

derivování

KINEMATIKA

integrování

DYNAMIKA

Kinematické Dynamické Ostatní • dynamometrie • videografická metoda • EMG • RTG • dynamografie • goniometrie • pedobarografie • tapping • akcelerometrie • měření časových parametrů • spidometrie stroboskopie F(t) = m • a(t) s(t) → v(t) → a(t) a(t) → v(t) → s(t)

Rozdělení metod biomechanického výzkumu

METODY BIOMECHANICKÉHO VÝZKUMU – M. JANURA


Kinematická analýza pohybu v biomechanice Analýzu pohybové činnosti můžeme provádět na několika úrovních, které jsou závislé na cílech analýzy a na technických podmínkách pracoviště. Při kvalitativní analýze popisujeme a hodnotíme pohyb (např. slovně) bez měření konkrétních fyzikálních veličin. V tomto případě tedy záleží zejména na odborné úrovni posuzovatele, na jeho zkušenostech a znalostech o sledovaném pohybu. Menší nároky jsou kladeny na technické a přístrojové zabezpečení. Typickým příkladem tohoto způsobu hodnocení je vizuální posouzení reálného pohybu nebo jeho záznamu. Přestože kvalitativní analýza přináší celou řadu velice důležitých poznatků a její výsledky jsou často jedinou informací o dané činnosti, neumožňuje nám tento postup přesně určit (kvantifikovat) velikost výstupních veličin. V tomto případě je nutné použít pro analýzu pohybu kvantitativní metody, jejichž výstupem jsou číselné hodnoty (ty nám zpravidla udávají velikost fyzikálních veličin). K jejich získání je nezbytné odpovídající materiální vybavení, které umožní vlastní měření s co nejmenší chybou. Základní rozdělení kvantitativních metod v biomechanice vychází z charakteru měřené veličiny. Jestliže je měřeným parametrem síla, nazýváme tyto metody dynamické (jejich popis není obsahem této knihy). V případě, že sledujeme pohyb bez ohledu na příčiny (síly), které jej způsobují, pohybujeme se v oblasti metod kinematických. Ze základních parametrů – dráha, úhel – a jejich závislosti na čase můžeme odvodit další veličiny pomocí derivování. Tab. 1

Základní kinematické veličiny a jejich jednotky

Veličina čas dráha lineární rychlost lineární zrychlení úhel úhlová rychlost úhlové zrychlení

Značka t s v a ϕ ω ε

Jednotka sekunda metr metr za sekundu metr za sekundu na druhou radián radián za sekundu radián za sekundu na druhou

Značka s m m.s-1 m.s-2 rad rad.s-1 rad.s-2

Mezi kinematické metody patří: 1. Goniometrie (elektrogoniometrie) – slouží k měření relativní rotace v daném kloubu. Pomocí goniometru, jehož „ramena“ jsou připojena na sousední segmenty (průsečík ramen je ve středu otáčení daného kloubu), lze měřit velikost úhlových změn kolem jedné, dvou nebo tří os. Tímto


postupem je tedy určována změna vzájemné polohy segmentů v rovině nebo v prostoru.

Obr. 1

Ukázka goniometru a jeho využití při měření změn úhlu v kloubu

2. Akcelerometrie – umožňuje měření zrychlení pomocí akcelerometrů. Ty pracují na principu určení odchylek způsobených pohybem hmotného tělesa (umístěné v akcelerometru) při zrychlení segmentu. Tyto změny jsou převáděny a měřeny (např. piezoelektricky) pomocí elektrického výstupního signálu. Podle počtu akcelerometrů je možné měřit zrychlení v jedné ose, v rovině nebo v prostoru. Třídimenzionální zrychlení lze určit pomocí tří akcelerometrů umístěných tak, že jejich osy jsou na sebe kolmé.

Obr. 2

Akcelerometry využívané při analýze pohybu lidského těla

3. Stroboskopie – vytváří pohybovou sekvenci na jednom filmovém políčku. Princip je podobný jako v případě klasické fotografie. Po otevření závěrky rotuje před objektivem disk, na kterém jsou štěrbiny. Tím dochází ke střídavému osvětlení políčka s citlivou vrstvou, na které jsou zaznamenávány jednotlivé fáze pohybu.


Obr. 3

Stroboskop a stroboskopický záznam tenisového podání

4. Systémy pracující na elektromagnetickém principu – jejich přístrojový základ lze zjednodušeně rozdělit na dvě části – zdroj a senzor. Po připevnění senzoru na vybraný bod na lidském těle je zaznamenán pohyb tohoto bodu. S využitím vztahů pro pohyb vodiče v elektromagnetickém poli je určena poloha senzoru vzhledem ke zdroji. 5. Systémy využívající akustické senzory – pracují na obdobném principu jako předcházející přístroje, využívají zvukový signál. Ten je emitován ze zdroje (vysílač připevněný na segment), jehož poloha je kvantifikována pomocí tří mikrofonů, které neleží v přímce. Protože rychlost zvuku je přesně definována, lze tuto hodnotu využít k výpočtu polohy daného bodu (zdroje). 6. Optoelektrické systémy – využívají optické senzory pro určení souřadnic. Na důležitá místa na lidském těle jsou připojeny aktivní (emitory světla, LED) nebo pasivní (překrytí retroreflexní páskou) zdroje. Signál vysílaný nebo odrážený těmito zdroji je zpracován přijímačem a v souřadném systému je určena poloha sledovaných bodů.


Schéma klíčových oblastí a základních kroků při analýze pohybu pomocí vyhodnocení videozáznamu Kinematické vyšetřovaní pohybu – analýza záznamu pohybu

Kvalitativní metody

Používané přístroje – základní parametry Technické parametry obrazu

Kvantitativní metody Kinematografická vyšetřovací metoda Videografická vyšetřovací metoda Způsob použití kamer Záznam pohybu Značky pro identifikaci bodů

Základní pravidla pro záznam pohybu Způsob přenosu záznamu

Vyhodnocení záznamu

Odečet souřadnic Kalibrace Transformace souřadnic

Chyba měření Vybrané pojmy používané při analýze pohybu lidského těla

Úprava vyhodnocených dat Zpracování a interpretace dat

Základní typy výstupů Příklady řešených úloh


Kinematografická (videografická) metoda Podstatou kinematografické (videografické) metody je analýza pohybu důležitých bodů, vybraných segmentů nebo celého těla na základě vyhodnocení filmového záznamu nebo videozáznamu. Označením bodů na záznamu pohybové činnosti získáme jejich rovinné souřadnice, které slouží pro určení základních kinematických veličin (dráha, úhel, rychlost, úhlová rychlost...). Pro možnost určení polohy bodů a z ní vyplývající polohy segmentů a celého těla je tedy nezbytné definování souřadného systému (obrazová soustava souřadnic na monitoru počítače). Nejčastěji používaným je kartézský systém souřadnic. Základní vztahy pro rovinnou (2D) analýzu Při analýze použijeme klasické vztahy z analytické geometrie – počítání s vektory (obr. 4). y

Bod A má v soustavě Oxy (kartézská soustava souřadnic s počátkem O) souřadnice xA , yA. A = [xA ; yA] B = [xB; yB] C = [xC; yC]

xC A α x xB

yA O xA Obr. 4

x Určení polohy bodů a vztahů mezi nimi v kartézské soustavě souřadnic Oxy

Vzdálenost bodů A, B : v(A, B) = AB = (x B − x A ) 2 + (y B − y A ) 2 Velikost úhlu α : cos α =

u 1 ⋅ v1 + u 2 ⋅ v 2 , u⋅v

kde u = B − A = (u 1 ; u 2 ) = (x B − x A ; y B − y A )

C

v = C − A = (v1 ; v 2 ) = (x C − x A ; y C − y A ) u = (x B − x A ) 2 + (y B − y A ) 2 v = (x C − x A ) 2 + (y C − y A ) 2

A α

B


Označením vybraných bodů na těle člověka a určením jejich rovinných souřadnic tak můžeme vypočítat velikosti (délku) segmentů a úhel mezi nimi. To platí samozřejmě tehdy, jestliže sledovaný pohyb probíhá v rovině, která je kolmá na optickou osu kamery. Ve všech dalších případech lze výpočet provést, ale získané hodnoty jsou zkreslené v závislosti na velikosti vytočení segmentů. V praxi je pohyb, který probíhá v jedné rovině, spíše výjimkou. Chceme-li analyzovat a popsat kop fotbalisty do míče, jízdu lyžaře mezi slalomovými brankami, využití hole pro oporu při chůzi apod., musíme rovinný pohyb nahradit pohybem prostorovým. Základní vztahy pro prostorovou (3D) analýzu Při přechodu od rovinného k prostorovému znázornění musíme provést rozšíření rovinné soustavy souřadnic. V praxi to znamená, že k původní dvojici os x, y přiřadíme třetí osu z. Bod A je v tomto případě znázorněn pomocí tří souřadnic, které jednoznačně určují jeho polohu – při volném pohybu v prostoru má bod tři stupně volnosti. Určením poloh vybraného bodu v závislosti na čase můžeme postupně odvodit další kinematické veličiny – rychlost, zrychlení.

Pro velikost úsečky AB (vzdálenost bodů A, B; délku segmentu, ohraničeného body A, B) platí : v(A, B) = AB = (x B − x A ) 2 + (y B − y A ) 2 + (z B − z A ) 2 Velikost úhlu α mezi segmenty určíme ze vztahu : cos α =

u 1 ⋅ v1 + u 2 ⋅ v 2 + u 3 ⋅ v 3 , u⋅v

kde u = B − A = (u 1 ; u 2 ; u 3 ) = (x B − x A ; y B − y A ; z B − z A ) v = C − A = (v1 ; v 2 ; v 3 ) = (x C − x A ; y C − y A ; z C − z A ) u = (x B − x A ) 2 + (y B − y A ) 2 + (z B − z A ) 2 v = (x C − x A ) 2 + (y C − y A ) 2 + (z C − z A ) 2 Z teoretického hlediska je tedy postup jasný. Označením důležitých bodů na lidském těle a určením jejich souřadnic můžeme stanovit délky segmentů, velikosti úhlů mezi nimi, polohu těžiště lidského těla apod. a odvodit další parametry, které nám umožní popsat sledovaný pohyb. V praxi je však situace při použití filmového záznamu nebo videozáznamu „složitější“ v tom, že každý trojrozměrný (3D, prostorový) předmět, tedy i lidské tělo,


se zobrazí na dvojrozměrný (2D, rovinný) obraz. Při použití jednoho záznamového zařízení a označení bodů na záznamu z této kamery tedy získáme pouze 2D souřadnice. To platí pro každý záznam daného pohybu z libovolné kamery. Označením stejného bodu ve stejné poloze (odpovídající si snímky) na různých záznamech tak získáme několik dvojic rovinných souřadnic tohoto bodu. Jejich „složením“ – transformací – vytvoříme prostorové souřadnice bodu. Pro prostorovou analýzu pohybu tedy musíme použít záznam nejméně ze dvou kamer (obr. 5).

A1 A2 A1 = [x1; y1] A2 = [x2; y2] označení bodů na lidském těle (není vždy možné)

záznam pohybu

označení bodů na záznamu z jednotlivých kamer

převedení záznamu do paměti počítače Obr. 5

transformace souřadnic A = [x; y; z]

digitalizace záznamu

Schéma pro analýzu pohybu při použití 3D videografické metody

Záznam pohybu Svět kolem nás je třírozměrný prostor (3D), který běžná fotografie, filmový záznam nebo videozáznam pomocí jedné kamery převádí na rovinné dvourozměrné (2D) zobrazení. Přitom pouze v případě, kdy jsou objekty (segmenty těla) orientované do roviny, která je kolmá na optickou osu kamery, odpovídají rozměry segmentů jejich reálným velikostem. Jakákoli jiná orientace objektu způsobí zkreslení rozměrů. Velikost tohoto zkreslení je nutné znát pro možnost další analýzy záznamu. Umístění kamer při 2D analýze V tomto případě by se poloha kamery měla blížit situaci, kdy optická osa kamery (prochází ohniskem objektivu) protíná sledovaný úsek co nejblíže jeho středu. Posun kamery k okraji tohoto úseku má za následek vznik nepřesností, které jsou způsobeny tím, že sledovaný objekt vidíme pod určitým úhlem. Druhou podmínkou je poloha kamery s optickou osou kolmou k rovině pohybu. Vychýlení kamery od tohoto směru způsobuje


stejné zkreslení jako pohyb segmentu mimo rovinu pohybu těla. Odchylku lze eliminovat matematicky při přepočtu souřadnic jednotlivých bodů. Umístění kamer při 3D analýze Rozhodnutí o umístění kamer v případě prostorové analýzy se řídí typem řešené úlohy a možnostmi pracoviště v počtu použitých přístrojů. Přestože tedy neexistují jednoznačně stanovená pravidla (vliv některých dalších faktorů na kvalitu výstupních dat je větší), musí být splněny některé základní požadavky. Protože nutnou podmínkou 3D analýzy je viditelnost každého vyhodnocovaného bodu na záznamech minimálně ze dvou kamer, je toto kritérium rozhodující pro umístění kamer. Máme-li možnost dodržet uvedené pravidlo i při různé poloze kamer, volíme takové rozmístění, kdy se úhel mezi optickými osami jednotlivých přístrojů blíží 90°. Pohyblivé kamery Pro analýzu pohybu, který se vyznačuje velkým rozsahem, nelze vždy použít pevné kamery – přístroje fixované na stativu, s konstantní polohou v průběhu záznamu celé pohybové činnosti. Pro tento typ pohybu, typický zejména pro sportovní aktivity, jsou využívány kamery, které svým pohybem „sledují“ snímaný objekt. Pohyb kamery je charakterizován jako rotace v rovině horizontální (panning) nebo vertikální (tilting). K rotaci je nutné přihlížet při vlastním určení polohy bodu (polohy kamery) v kartézské soustavě souřadnic. Synchronizace kamer (nasnímaných záznamů) Pro získání prostorových souřadnic bodu je nutné znát minimálně dvě dvojice rovinných souřadnic tohoto bodu v daném okamžiku. Každá dvojice rovinných souřadnic je získána vyhodnocením polohy bodu na záznamech z různých kamer. Všechny záznamy (snímky nebo půlsnímky) musí odpovídat poloze bodu, kterou tento bod zaujímal ve stejném okamžiku. Proto je nutné provést „sladění“ − synchronizaci záznamů z různých přístrojů. Pravidla pro umístění kamer a) vzdálenost kamery od sledovaného pohybu V tomto případě je nutné, aby kamera byla v dostatečné vzdálenosti od pohybujícího se tělesa. To se týká zejména situací, kdy je pohyb tělesa prováděn větší rychlostí, při které může dojít k tomu, že pohyb kamery není schopen tuto rychlost akceptovat. Výsledkem je neúplný záznam pohybu, kdy v určité fázi zkoumaný objekt „zmizí“ ze zorného pole. Na druhé straně je nutné přizpůsobit vzdálenost kamery velikosti snímaného tělesa (lidského


těla). Velká vzdálenost kamery má za následek záznam, na kterém nelze na lidském těle rozlišit požadované detaily. b) prostorové možnosti pro záznam pohybu Do této oblasti můžeme zařadit podmínky, kdy je nutné přihlížet zejména k vlivu dalších osob, které se spoluúčastní (aktivně, pasivně) při záznamu daného děje. Může nastat situace, že ty nejkvalitnější záběry budou narušeny přemisťujícími se diváky nebo rozhodčími. c) světelné podmínky Tento faktor lze (mimo natáčení v laboratoři nebo v prostorách, kde máme možnost provádět libovolné změny) ovlivnit pouze minimálně. Při zhoršených světelných podmínkách je možné využít některé parametry kamery, případně změnit rychlost závěrky. Pokud se týká rozmístění světelných zdrojů, musíme dodržovat rovnoměrnost v jejich postavení. Jinak by mohlo dojít ke vzniku stínů, které by mohly vést ke vzniku „falešných kontur“ a ke změně tvaru objektu na záznamu pohybu. Základní chybou, které se lze vyvarovat již při pohledu do hledáčku kamery, je umístění světelného zdroje přímo proti objektivu kamery. To samé platí v terénních podmínkách pro polohu kamery s objektivem proti slunci. d) pozadí za objektem Při natáčení v terénu můžeme tento faktor ovlivnit pouze. Plocha za pohybujícím se objektem má být celistvá, s minimem rušivých prvků. Její barva je kontrastní vzhledem k barvě snímaného tělesa nebo důležitých bodů, umístěných na tomto tělese. Není tedy vhodné natáčet pohyb člověka před jednobarevnou zdí, na které jsou zavěšeny různé předměty – obrazy, květiny apod. Barva pozadí by se tedy neměla blížit tělové barvě – oranžová, hnědá. Vhodnou je např. světle zelená (i z hlediska vlivu na psychiku probanda). e) vlivy počasí Zhoršení světelných podmínek způsobené mlhou, deštěm, sněžením apod. Pokud podmínky nejsou extrémní, je dobrou pomůckou obyčejná igelitová taška, s otvorem pro objektiv kamery. Také mlha zvyšuje vlhkost prostředí, která je pro kameru i záznamové médium (videokazeta) škodlivá. V tomto případě může dojít k poškození záznamu i následně, kdy při přechodu do teplé místnosti přilne páska na snímací hlavy. Proto je nutné nepospíchat s vyjmutím kazety a počkat na vyrovnání teplotních rozdílů a alespoň částečné vyschnutí přístroje.

Značky pro identifikaci vybraných bodů Abychom mohli zvýšit kvalitu vyhodnocených údajů a často také urychlit proces vlastního vyhodnocení záznamu, je nutné provést označení vybraných bodů na sledovaném objektu – lidské tělo, použité náčiní...


V některých případech však musíme tuto fázi přípravy vynechat, např. při analýze pohybové činnosti ve sportovních aktivitách. Hlavní kritéria pro třídění značek Hlavními vlastnostmi, které charakterizují každou značku, jsou její velikost, tvar, barva. Při označení bodů na lidském těle jsou nejčastěji používány značky ve tvaru koule nebo polokoule. Pro kulovitý tvar je jednodušší, na rozdíl např. od krychle, určení středu značky při pohledu z různých směrů. Kouli totiž vnímáme při jejím zobrazení do roviny stále jako kruh, jehož střed je možné poměrně přesně určit. Záznam pohybové činnosti v terénu je nejčastěji používán při analýze vybraných sportovních disciplín. Rozsah snímaného pohybu je v tomto případě zpravidla větší v porovnání s laboratorními podmínkami, na tělo sportovce nelze umístit značky pro označení bodů.

Obr. 6

Základní typy běžně používaných značek

Při hodnocení pohybu pomocí videografické metody musíme použitím značek také vymezit prostor, ve kterém bude pohyb probíhat. Tyto značky jsou samozřejmě jiné než ty, které slouží pro označení bodů na lidském těle. Musí být dobře viditelné i z větší vzdálenosti a zároveň nesmí působit rušivě na sledovaný subjekt a na okolní prostředí. Pro tento účel jsou nejvhodnější dnes už klasické terčíky (nejčastější rozměr strany v rozmezí od 20 cm do 40 cm), které jsou rozděleny na černobílá pole tak, že společný bod těchto polí je středem terčíku. S přihlédnutím k typu použitých systémů a podle způsobu řešení dané úlohy můžeme značky rozdělit do dvou skupin: a) Pasivní – skládají se ze základních prvků různých tvarů, v nejjednodušším případě vytvořených z běžných materiálů. Jejich označení na monitoru počítače probíhá manuálně pomocí kurzoru.


b) Aktivní – většinou infračervené LED. Jsou využívány v systémech s „pasivní kamerou a aktivními značkami“. Umožňují okamžitou identifikaci značek. Umístění značek na lidské tělo Provádíme-li analýzu pohybu živých organismů, musíme řešit některé problémy, které se vztahují také k umístění značek na vybraný segment. Základní rozpor spočívá v tom, že jednotlivé segmenty jsou definovány pomocí vybraných anatomických bodů. Při analýze videozáznamu však nepracujeme s těmito body, ale s jejich projekcí na kůži. V první fázi je nezbytné provést vypalpování příslušného anatomického bodu a tento bod reprodukovat na povrch těla. Tento proces je ovlivněn zejména zkušeností osoby, která palpaci provádí. Při realizaci této činnosti se mohou vyskytnout problémy související např. s množstvím podkožního tuku, které brání palpaci daného bodu. Základním problémem, který se vztahuje k vymezení segmentů pomocí povrchových značek, je posun těchto značek v průběhu pohybu. Měkké tkáně, které se nachází mezi kostí a značkou, se vlivem změn rychlosti a setrvačnosti posouvají. To je příčinou změny polohy značky vzhledem k bodu na kosti.

Přenos videosignálu do počítače Záznam pohybu je pro jeho následné zpracování nutné nejprve převést do počítače. Kamera nebo videorekordér se k počítači připojuje pomocí standardních A/V kabelů. K transportu signálu slouží speciální rozhraní počítače, které se nazývá styková karta (interface, karta rozhraní, komunikační karta atd.) a tato karta je součástí počítače PC.

Kvalita obrazu Rozlišení (rozlišitelnost) Chceme-li určit kvalitu získaného záznamu apod., musíme vždy pracovat s určitou „strukturou“. Tato struktura (počet řádků a sloupců) je charakterizována pomocí rozlišitelnosti (resolution). Rozlišitelnost je nejmenší krok, který můžeme měřit nebo odlišit na objektu měření nebo na přístroji, kterým měření provádíme. Jestliže začneme strany obdélníku (monitoru) spojovat rovnoběžnými úsečkami, vytvoří jejich průsečíky vrcholy čtverců nebo obdélníků. Plocha původního útvaru je tak tvořena množinou nově vzniklých ploch. S rostoucí hustotou úseček se tyto útvary zmenšují (obr. 7). V technické praxi se nově vzniklé plošky nazývají pixely. Při bližším pohledu na obrazovku televizoru nebo monitoru jsou tyto pixely dobře viditelné. Jestliže nejde dále


zmenšovat jejich velikost, dostáváme kritérium pro rozlišitelnost daného přístroje (prvku) v systému.

vertikální rozlišitelnost

horizontální rozlišitelnost

Obr. 7

Závislost mezi velikostí pixelu a hodnotou horizontální a vertikální rozlišitelnosti

Vertikální rozlišení (počet horizontálních řádků) je v podstatě dáno formátem videosignálu, horizontální rozlišení (počet pixelů v každém řádku) závisí na tom, jak je analogový signál vzorkován. V televizi byl počet snímků za jednu sekundu stanoven na 25 snímků (časové rozlišení). Standardem používaným v Severní Americe a Japonsku je systém NTSC. Evropské země spolu s Velkou Británií používají systém PAL − Phase Alternating Line. PAL používá 25 snímků za sekundu (tedy 50 půlsnímků), pro NTSC je tato hodnota 30 snímků (60 půlsnímků) za sekundu. Tato norma nám mimo jiné udává, kolik obrázků můžeme pořídit při záznamu videokamerou za 1 s. Existují speciální vysokorychlostní kamery, které jsou přizpůsobené pro výzkum a vybrané úkoly při sledování velmi rychlých změn. Videokamery a podpůrná zařízení určená pro snímání od stovek do tisíců snímků za sekundu jsou sice pro mnohá měření a analýzy lidského pohybu potřebné, ale jejich pořizovací cena je vysoká.

Vyhodnocení záznamu Manuální odečet souřadnic V tomto případě určuje polohu vybraných bodů operátor (vyhodnocovatel) podle svého subjektivního uvážení, a to způsobem: • s použitím značek, • bez použití značek. Odečet s použitím značek, které jsou umístěny na těle sledované osoby, je klasickým postupem při videografické metodě. Všechny dostupné vyhodnocovací softwary jsou vybaveny možností práce v tomto režimu, kdy


vyhodnocovatel pomocí kurzoru označuje na monitoru „středy“ značek. Někdy je tento postup modifikován tak, že vyhodnocovatel zadá oblast značky nebo dokonce širší oblast, ve které by se měla značka nacházet, a vlastní polohu středu značky „vyhodnotí počítač sám“. Odečet bez použití značek je jediným možným způsobem při analýze pohybu, kdy nelze na sledovanou osobu připevnit žádné značky. Jedná se tedy o vyhodnocení neoznačených bodů na lidském těle. To je často jediná možnost při analýzách v oblasti vrcholového sportu. Automatický identifikátor značek – vyhledávač Automatické metody odečtu jsou založeny na odlišení vybraného bodu od pozadí, na kterém je bod umístěn. To se provádí na základě světelného a především jasového kontrastu jednotlivých obrazových bodů nebo barevného kontrastu. Při aplikaci na pohyb člověka se jedná téměř výhradně o značky, které mají dané barevné, světelné nebo reflexní vlastnosti. Automatické metody eliminují subjektivní chyby v určování souřadnic jednotlivých bodů a výrazně zrychlují celý proces. Jejich použití je však možné pouze při laboratorním měření.

Kalibrace Provedení kalibrace při analýze záznamu pohybu je jedním ze základních kroků, který slouží k určení závislostí mezi skutečnými velikostmi a odpovídajícími údaji, získanými na záznamu. Podstatu procesu kalibrace tedy můžeme určit jako: a) určení souřadnic známých bodů v prostoru (body, jejichž vzdálenost je přesně definována), které jsou nezbytné pro stanovení měřítka mezi reálnou a obrazovou soustavou souřadnic – kalibrace prostoru; b) nalezení odchylek souřadnic vyhodnocených bodů od jejich reálných souřadnic, které nám určí vliv použitých přístrojů na kvalitu vyhodnocených dat – kalibrace kamery. Typy kalibračních zařízení Pro možnost kalibrace jsou využívána různá zařízení, která se odlišují zejména ve svých rozměrech, v počtu a tvaru bodů určených pro kalibraci a v jejich umístění. Při kalibraci v procesu 2D analýzy je nejčastěji používáno zařízení, na kterém lze určit známou vzdálenost bodů (terčíků) v horizontálním a vertikálním směru. Zařízení je nasnímáno v poloze na začátku, ve středu a na konci sledovaného úseku. Chceme-li provést 3D kalibraci, musíme znát prostorové souřadnice určitého počtu bodů (jejich minimální množství je dáno matematickými podmínkami řešení soustavy rovnic).


Transformace souřadnic Transformace souřadnic je proces, ve kterém dochází k převedení rovinných obrazových souřadnic do skutečných (reálných) prostorových souřadnic bodu. Jedná se tedy o postup, kdy rovinné souřadnice bodu, které získáme jeho označením na monitoru počítače, „skládáme“ s rovinnými souřadnicemi téhož bodu, zachyceného na záznamu z jiné kamery. Výsledkem tohoto „složení“ (této transformace) jsou prostorové souřadnice sledovaného bodu, které určí jeho polohu v dané soustavě souřadnic.

Úprava vyhodnocených dat Data získaná použitím 2D (3D) videografické vyšetřovací metody jsou ovlivněna množstvím faktorů, z nichž některé lze odstranit pečlivou přípravou měření, další souvisí s úrovní měřicí techniky. Postup, který umožní odstranění nebo oslabení rušivých faktorů z vyhodnocených (hrubých) dat, se nazývá vyhlazení − smoothing.

Typy výstupů získané (filmového záznamu)

zpracováním

a)

videozáznamu

Kinogram pohybu sestavený z vybraných poloh sledované pohybové činnosti (obr. 8) Výstup je typem stroboskopického záznamu pohybu. Jeho výhodou je možnost rychlého zpracování materiálů a předání informace do praxe. Slouží zejména trenérům pro možnost vizuálního porovnání a pro další konzultace se sportovcem. Hlavně u mladých jedinců je tímto způsobem možné upozornit na základní nedostatky a tyto chyby názorně prezentovat.

Obr. 8

Kinogram přechodové fáze skoku na lyžích


b) Kinogram pohybu (stick figure) získaný analýzou videozáznamu (obr. 9) Pro jeho získání je nutné provést označení bodů na záznamu pohybu. Funkce je podobná jako v bodě a), časová náročnost na zpracování je vyšší. Jedná se vlastně o zjednodušenou formu zobrazení, kdy jsou reálné segmenty nahrazeny soustavou úseček a geometrických útvarů. Toto zjednodušení může přispět ke zvýšení názornosti při zrakové kontrole výstupu.

Obr. 9

Způsob provedení přesunu a bloku ve volejbalu

c)

Kinogram pohybu vybraného segmentu nebo bodu na lidském těle (obr. 10) V tomto případě se jedná o kvantitativní hodnocení pohybu. Pro analýzu se používají vybrané body (středy kloubů, těžiště apod.), které mají pro způsob provedení stěžejní význam. Osamostatnění těchto bodů a jejich znázornění ve vybrané rovině pohybu (je-li to možné) zvyšuje názornost informace. d) Vybraná klíčová poloha nebo kinogram pohybu doplněný o číselné údaje (obr. 11) Tento výstup poskytuje grafické i numerické informace o pohybu z hlediska jeho rozhodujících fází – okamžik odhodu, odrazu, kontaktu s podložkou apod. Slouží pro možnost názorného vizuálního porovnání se současným kvantitativním hodnocením vybraných poloh. e)

Číselné údaje charakterizující funkční závislost sledovaných parametrů (zpravidla na čase) Jejich význam spočívá zejména v možnosti dalšího (statistického) zpracování získaných výsledků. Ty jsou dále využity pro porovnání vybraných jedinců nebo skupin, longitudinální sledování, určení hodnot ve vybraných polohách apod.


Pravá ruka Mat

Levá ruka Bpes

Hos

100

100

80

80

60

výška (cm)

výška (cm)

Hos

40

Mat

Bpes

60

40

20

20

0 100

120

140 délka (cm)

160

180

0 100

120

140

160

180

délka (cm )

Obr. 10

Trajektorie pohybu rukou vzhledem k lodi v rovině sagitální při záběru vpřed na sjezdovém kajaku

Obr. 11

Vzdálenost odrazu a dopadu při překonání překážky v běhu na 60 m

f)

Grafické vyjádření nebo porovnání závislostí vybraných parametrů (obr. 12) Výstupy (grafické vyjádření hodnot z bodu e) je možné vytvářet v různých formách, které jsou dány softwarovými možnostmi použitých programů. V jednom výstupu může být zachyceno více charakteristik nebo stejné parametry od různých jedinců. Tímto způsobem lze kvantifikovat rozdíly


mezi závodníky různé výkonnosti, změny v pohybové činnosti pacienta po rehabilitaci apod. Závislost je zpravidla určována s přihlédnutím k časovému průběhu pohybu, ale stejně frekventované je např. porovnání změn sousedních úhlů v kinematickém řetězci. Hos

Mat

Cen

Pav

4,50

-1

rychlost (ms )

5,00

4,00 3,50 3,00

1 1 1

3 3

2 2

3

2

1

4

2

4

1 4 1

1 4

3

2,50 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

čas (s)

Legenda: 1 – zasazení levá strana, 2 – vytažení levá strana, 3 – zasazení pravá strana, 4 – vytažení pravá strana Obr. 12

Rychlost pohybu kajaku v jednotlivých fázích záběru vpřed

g) Kombinace výstupů uvedených v bodech a) až f) Umožňuje komplexnější informaci o sledované pohybové činnosti. Množství výstupů však nesmí být na úkor názornosti a přehlednosti.

Dynamická analýza pohybu v biomechanice Dynamická analýza pohybu využívá pro kvantifikaci pohybové činnosti měření silových parametrů (síly vnitřní x vnější). Při dynamometrii je výstupem velikost maximální síly. Tento parametr je pro posouzení např. schopností sportovce důležitý, avšak pro detailnější analýzu je nutné znát změny síly v průběhu dané činnosti. K tomu nám slouží určení závislosti síly na čase (F(t)), které je výstupem při použití dynamografie. Základním přístrojovým vybavením, které je využíváno pro určení této závislosti, jsou silové (tenzometrické, piezoelektrické) plošiny (obr. 13). Tato zařízení využívají pro analýzu pohybu měření reakční síly, která vzniká při kontaktu těla s povrchem plošiny. Výsledná reakční síla je rozložena na tři základní složky ve směru anteroposteriorním, mediolaterálním a


vertikálním (obr. 14). Tento rozklad nám umožňuje popsat prostorově pohyb z hlediska působící síly. Dalším důležitým parametrem je velikost silových momentů jednotlivých složek reakční síly.

Obr. 13 A)

Obr. 14

Silová plošina AMTI pro měření reakční síly B)

Znázornění reakční síly v rovině vertikální u zdravého jedince (A) a u osoby s hemiparézou (B)

Silové plošiny lze dále využít při posouzení rovnováhy (stability, balance) pomocí analýzy trajektorie váženého průměru tlakových sil, které působí na kontaktu těla s podložkou – COP (centre of pressure). Člověk, např. při stoji, reaguje na měnící se podmínky titubacemi těla, které se promítají do kontaktní polohy. Výsledkem těchto průmětů za určitou dobu je tzv. konfidenční elipsa (obr. 15). Její parametry (velikost obsahu, délka a směr os, hodnota směrodatných odchylek v daném směru apod.) nás informují o velikosti změn v průběhu sledované úlohy.

METODY BIOMECHANICKÉHO VÝZKUMU – M. JANURA AREA

[cm]

SDy

Confident ellips e

SDx

Obr. 15

[cm]

Konfidenční elipsa zobrazující 95 % poloh COP v průběhu měření

Pro detailnější analýzu tlakových sil je využívána pedobarografie. Jedná se vlastně o obdobu klasických plantogramů, ovšem v daleko detailnější formě. Pro záznam rozložení tlakových sil je využívána matice několika set miniaturních snímačů, pravidelně rozmístěných v relativně malých vzdálenostech. Výhodou výstupů, které je možné provádět v různých obměnách, je možnost rozdělení chodidla na několik částí. Na obr. 16 je dobře patrný rozdíl v zatížení levé a pravé nohy při chůzi (červeně označené plochy jsou nejvíce zatížená, případně přetížená místa). Na levé noze je minimální zatížení střední části nohy, k odrazu je využívána oblast předonoží (I. metatarz) a palce. To se v grafickém znázornění projevuje na tvaru „žluté“ křivky, která je výrazně větší na levé noze.

Obr. 16 Grafické znázornění rozložení tlakových sil na kontaktu nohy s podložkou při chůzi


Na obr. 17 je porovnání kontaktu levé a pravé nohy při chůzi u vrcholové sportovkyně, která intenzivně využívá levou nohu jako odrazovou. Rozdíl ve způsobu zatížení levé a pravé nohy je významný. Důležitým ukazatelem je také průběh COP (body procházející od paty přes předonoží a prsty). Zatímco na pravé noze je možné označit trajektorii těchto bodů jako klasickou, na levé dochází k rychlému přesunu zatížení z paty na přední část chodidla. Závodnice tedy „přenáší“ provedení pohybu z odrazu ve sportu do běžné denní lokomoce. To je samozřejmě vážné zjištění, které se může negativně projevit v budoucím období.

Obr. 17 Grafické znázornění rozložení tlakových sil na kontaktu nohy s podložkou při chůzi – vrcholová sportovkyně, levá noha slouží jako odrazová

Rozdělení metod biomechanického výzkumu. stroboskopie. tapping EMG RTG KINEMATIKA DYNAMIKA. pedobarografie. dynamometrie

Recommend Documents