Nowakowska K., Gzik M., Michnik R., Jurkojć J., Suchoń S., Burkacki

Katarzyna NOWAKOWSKA, Marek GZIK, Robert MICHNIK, Jacek JURKOJĆ,
Sławomir SUCHOŃ, Michał BURKACKI, Katedra Biomechatroniki, Wydział Inżynierii
Biomedycznej, Politechnika Śląska, Zabrze
Andrzej MYŚLIWIEC, Wydział Fizjoterapii, AWF im. J. Kukuczki, Katowice
Hanna ZADOŃ, SKN Biomechatroniki „Biokreatywni”, Politechnika Śląska, Zabrze
WYKORZYSTANIE METOD MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO
I OPTYMALIZACJI STATYCZNEJ DO OCENY OBCIĄŻEŃ ODCINKA
LĘDŹWIOWEGO KRĘGOSŁUPA PODCZAS SIADANIA
I WSTAWANIA Z KRZESŁA
THE USE OF METHODS OF MATHEMATICAL MODELLING
AND STATIC OPTIMIZATION TO ASSESS LOADS ON THE LUMBAR
SPINE DURING SITTING DOWN AND GETTING UP
Słowa kluczowe: modelowanie matematyczne, obciążenia, siły mięśniowe,
Anybody, odcinek lędźwiowy kręgosłupa
1. WSTĘP
Dane statystyczne wskazują, iż bóle dolnego odcinka kręgosłupa są najczęściej
występującą dolegliwością przewlekłą w Polsce. Istotnymi informacjami z punktu widzenia
biomechaniki, medycyny i ergonomii jest znajomość mechanizmów obciążania kręgosłupa
oraz wielkości obciążeń układu szkieletowo-mięśniowego podczas wykonywania różnych
czynności. Obecnie obciążenia układu szkieletowo-mięśniowego można wyznaczyć za
pomocą: implantów pomiarowych, sygnału EMG oraz modeli matematycznych [3,4,5]. Ze
względu na bezinwazyjność coraz częściej wykorzystuje się matematyczne modele układu
mięśniowo-szkieletowego [1,2].
Celem pracy było wyznaczenie obciążeń układu szkieletowo-mięśniowego odcinka
lędźwiowego kręgosłupa podczas siadania i wstawania z krzesła przy wykorzystaniu modelu
matematycznego opracowanego w środowisku AnyBody Modeling System.
2. MATERIAŁ I METODA
Grupę badawczą stanowiło 30 osób (rodziców dzieci niepełnosprawnych)
uskarżających się na przewlekłe bóle dolnego odcinka kręgosłupa. W pierwszym etapie
przeprowadzono badania doświadczalne kinematyki ruchów siadania i wstawania z krzesła
przy wykorzystaniu optycznego systemu APAS. Uzyskane dane kinematyczne posłużyły do
przeprowadzenia symulacji danego ruchu w środowisku AnyBody Modeling System. W tym
celu wykorzystano model całego ciała (Standing Model), który skalowano biorąc pod uwagę
wzrost, masę oraz procent
tkanki tłuszczowej badanej osoby (metoda
ScalingLengthMassFatExt). Analizowany model odcinka lędźwiowego kręgosłupa składał
się z 5 kręgów, miednicy, klatki piersiowej, zdefiniowanych połączeń stawowych, ponad 180
aktonów mięśni pleców i brzucha oraz modelu ciśnienia śródbrzusznego. Model
zweryfikowano porównując wyniki aktywacji poszczególnych grup mięśniowych
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 92
z zarejestrowanym sygnałem EMG. Przyjętym kryterium optymalizacyjnym, pozwalającym
na oszacowanie wartości sił mięśniowych, była minimalizacja sumy sześcianów stosunku siły
mięśniowej do jego siły maksymalnej. Przeprowadzono analizę otrzymanych wyników
badając wpływ kinematyki ruchów na reakcje w stawie L5-Sacrum oraz aktywność mięśni
brzucha i grzbietu.
3. WYNIKI
Maksymalne wartości obciążeń w odcinku lędźwiowym kręgosłupa oraz sił
mięśniowych przedstawiono na rys. 1-2. Otrzymane wyniki znormalizowano względem
ciężaru ciała (BW).
wstawanie
siadanie
0,8
1,8
0,7
siła mięśniowa [N/BW]
reakcja w stawie [N/BW]
siadanie
2
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
wstawanie
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,2
0
0
T12L1
L1L2
L2L3
L3L4
L4L5
L5Sacrum
Rys. 1. Zakresy maksymalnych sił reakcji na poszczególnych
segmentach odcinka lędźwiowego kręgosłupa
m. prostownik grzbietu m. poprzeczny brzucha
Rys. 2. Aktywność mięśni podczas
siadania i wstawania
4. WNIOSKI
Ruch siadania i wstawania może powodować wzrost obciążenia w segmencie L5
Sacrum nawet do 180% w porównaniu z pozycją stojącą. Najbardziej aktywnymi grupami
mięśni podczas wykonywanej czynności są prostownik grzbietu oraz mięsień poprzeczny
brzucha. Uzyskane wyniki reakcji w segmencie L5 Sacrum oraz wartości sił mięśniowych
prostownika grzbietu oraz mięśnia poprzecznego brzucha są istotnie skorelowane
z kinematyką wykonywanego ruchu tj. kątem pochylenia tułowia oraz kątem w stawie
biodrowym. Otrzymane wyniki będą pomocne w procesie weryfikacji i modyfikacji
programów ćwiczeń terapeutycznych mających na celu aktywizację mięśni brzucha oraz
zwiększenie kontroli ustawienia miednicy, co w rezultacie może przyczynić się do redukcji
dolegliwości bólowych kręgosłupa lędźwiowego oraz poprawienia jakości życia populacji.
LITERATURA
[1] Damsgaard M. et.al., Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling,
System, Simulation Modelling Practice and Theory 14, 2006, p. 1100–1111.
[2] Gzik M., Joszko K., Pieniążek J., Engineering support for the spine with
spondylolisthesis treatment. Computational vision and medical image processing IV,
2013, 01, p. 349-354.
[3] Rohlmann A., (et al.), Measured loads on vertebral body replacement during sitting.
The Spine Journal, 2011, vol. 11(9), p. 870-875.
[4] Wilke H., (et al.), New in vivo measurements of pressures in the intervertebral disc in
daily life. Spine, 1999, 24(8), p. 755-762.
[5] Zander T., (et al.), Spinal loads as influenced by external loads: A combined in vivo
and in silico investigation. Journal of Biomechanics, 2015, 48(4), p.578-584