recenzja - Politechnika Wrocławska

prof. dr hab. inż. Mieczysław Szata, prof. nadzw. PWr
Wrocław, 2016-09-03
Politechnika Wrocławska
Wydział Mechaniczny
Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej
Dyscyplina: mechanika
Specjalność: wytrzymałość materiałów (mechanika pękania, zmęczenie)
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 WROCŁAW
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Żuk
p.t. Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka
Opis identyfikacyjny: komputeropis na prawach rękopisu, stron 142, pozycji
literatury 224.
Promotorzy rozprawy doktorskiej:
dr hab. inż. Celina Pezowicz, prof. nadzw. PWr,
dr hab. n. med. inż. Małgorzata Syczewska.
Zleceniodawca: Prodziekan Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej,
dr inż. Tadeusz Lewandowski, zlecenie z dnia 29 lipca 2016 r.
Rozprawa zawiera spis treści, 7 numerowanych rozdziałów, bibliografię, spis
rysunków, spis tabel oraz 6 załączników.
W rozdziale 1. zatytułowanym Wprowadzenie, we Wstępie Autorka krótko
omawia zakres tematyczny pracy oraz definiuje za literaturą chód jako podstawową
formę lokomocji człowieka i tym samym jedną z najważniejszych aktywności
ruchowych. Pojawia się tu ciekawa definicja chodu jako warunku indywidualnej
wolności. Niezwykle złożony i zoptymalizowany w procesie ewolucji mechanizm
chodu jako synonim wolności może być utracony w wyniku urazów, uszkodzeń
układu nerwowego, zaburzeń koordynacji ruchowej, zmniejszenia ruchomości
stawów, schorzeń degeneracyjnych. Potrzeba leczenia różnych dysfunkcji w obrębie
narządu ruchu jest główną motywacją badań nad biomechaniką chodu człowieka.
Badanie i modelowanie narządu ruchu człowieka jest złożonym, wieloetapowym
procesem, poruszającym zagadnienia z pogranicza mechaniki, medycyny
i informatyki.
W rozdziale 2., zatytułowanym Analiza stanu wiedzy, Doktorantka
wprowadza czytelnika w problematykę modelowania narządu ruchu człowieka
i symulacji dynamicznych człowieka.
1
Biomechanika narządu ruchu człowieka od wieków pasjonuje naukowców
i inżynierów, mimo to wiele ze sformułowanych dotychczas problemów nadal
pozostaje bez rozwiązania. Współcześnie w obszarze zainteresowania naukowców,
inżynierów i lekarzy znajduje się opis takich wielkości mechanicznych, jak:
kinematyka szkieletu, wypadkowe momenty sił w stawach, siły poszczególnych
mięśni, obciążenia w stawach, czy wydatek energetyczny. Złożoność narządu ruchu
człowieka oraz ograniczone możliwości pomiarowe powodują, że dokładna
identyfikacja tych wielkości mechanicznych nadal jest dużym wyzwaniem. Mimo
ciągłego rozwoju technik pomiarowych, wydaje się, że bezpośrednie i bezinwazyjne
pomiary sił wewnętrznych działających w układzie szkieletowo-mięśniowych jeszcze
na długo pozostaną niedostępne. Odpowiedzią na te ograniczenia jest rozwój metod
symulacji komputerowych i modeli dynamicznych układu ruchu człowieka.
W ostatnich latach zaobserwować można wzrost zainteresowania zagadnieniami
modelowania narządu ruchu i symulacji dynamicznych, co znajduje odzwierciedlenie
w rosnącej liczbie publikowanych prac z tego zakresu.
Obecny stan wiedzy wraz ze współczesnymi możliwościami technik komputerowych
i pomiarowych pozwala na oszacowanie wypadkowych momentów sił w stawach, sił
poszczególnych mięśni czy reakcji w stawach, na podstawie wieloczłonowych
modeli ciała człowieka i charakterystyk kinematycznych wybranej czynności
ruchowej. Brak dostatecznej weryfikacji i walidacji metod zapewniających
dokładność uzyskanych wyników symulacji stanowi dużą barierę w powszechnym
stosowaniu modelowania mięśniowo- szkieletowego, zarówno w praktyce klinicznej,
jak i w projektowaniu urządzeń medycznych.
Proces modelowania i symulacji obejmuje następujące etapy: rejestrację danych
eksperymentalnych, stanowiących dane wejściowe symulacji dynamicznych, budowę
ogólnego modelu biomechanicznego ciała człowieka, budowę modelu
indywidualnego, dostosowanego do anatomii badanej osoby, symulację dynamiczną,
weryfikację modelu i uzyskanych wyników.
Rejestracja danych eksperymentalnych to przede wszystkim zebranie charakterystyk
kinematycznych będących danymi wejściowymi w zadaniu dynamiki odwrotnej.
Najczęściej jest to pomiar trajektorii markerów umieszczonych na ciele człowieka.
Metody pomiaru i ilościowego opisu kinematyki narządu ruchu człowieka pełnią
szczególną rolę, gdyż nie tylko dostarczają danych wejściowych do symulacji
dynamicznych, ale również stanowią niezależne narzędzie diagnostyczne i badawcze.
Uzupełnieniem tych danych są często pomiary sił reakcji z podłożem, które mogą
również stanowić dane wejściowe w zadaniu dynamiki odwrotnej lub służyć do
walidacji wyników. Pomiar czynności elektrycznej mięśnia metodą elektromiografii
powierzchniowej dostarcza natomiast informacji o czasie i poziomie aktywacji
mięśnia. Dane te mogą być wykorzystane zarówno do walidacji wyników symulacji
dynamicznych odwrotnych, jak również jako dane wejściowe symulacji dynamicznej
prostej, gdzie model sterowany jest pobudzeniem mięśnia.
Powszechnie stosowane w praktyce klinicznej metody rejestracji i opisu kinematyki
stawów (tzw. protokoły klasyczne) zostały zaproponowane wraz z pojawieniem się
pierwszych optycznych systemów śledzenia ruchu, które determinowały liczbę
i wzajemne rozmieszczenie markerów. W związku z tym najczęściej stosowane
2
protokoły klasyczne wprowadzają pewne założenia dotyczące struktury
kinematycznej szkieletu już na etapie samego pomiaru.
W literaturze – jak dotąd – brakuje opisu i weryfikacji metod rejestracji danych
kinematycznych opartych na anatomicznych definicjach układów współrzędnych,
dostosowanych do wymagań symulacji dynamicznych.
Kolejnym etapem modelowania jest budowa ogólnego modelu mięśniowoszkieletowego, polegająca na przyjęciu wieloczłonowego modelu fizycznego
szkieletu, modelu układu mięśniowego oraz modelu matematycznego adekwatnego
dla przyjętych modeli fizycznych. Wieloczłonowy model fizyczny szkieletu definiuje
strukturę i geometrię układu oraz parametry masowo-bezwładnościowe
poszczególnych członów. Ciekawą inicjatywą jest udostępnianie przez naukowców
opracowanych modeli komputerowych. Tworzenie ogólnodostępnych bibliotek
modeli może mieć bardzo duże znaczenie w dalszym rozwoju modelowania
mięśniowo-szkieletowego. Udostępnianie modeli może nie tylko ułatwić
i rozpowszechnić modelowanie szkieletowo-mięśniowe, ale jednocześnie pozwoli na
efektywniejszą weryfikację i walidację samych modeli i wyników symulacji.
Potencjalne zastosowania modelowania narządu ruchu w praktyce klinicznej
wymagają uzyskania możliwie dokładnych wyników dla badanego pacjenta, stąd
potrzeba tworzenia modeli indywidualnych, w których wybrane wielkości
antropometryczne są bezpośrednio zmierzone. Spersonalizowane modelowanie
mięśniowo-szkieletowe jest nowym kierunkiem w biomechanice układu ruchu
człowieka. Istotnym czynnikiem są rosnące możliwości pomiarowe, głównie rozwój
obrazowania medycznego. Dotychczas personalizacja obejmowała głównie
zastosowanie obrazowania do personalizacji geometrii szkieletu i układu
mięśniowego, a badania wykazały znaczące różnice w ramionach sił mięśniowych,
długości mięśni oraz wielkości kinematycznych, uzyskanych dla przeskalowanych
modeli ogólnych oraz modeli indywidualnych. Chociaż można oczekiwać wzrostu
zainteresowania personalizacją wieloczłonowych modeli narządu ruchu, to jednak
nadal brakuje badań wskazujących parametry modelu, które należałoby
personalizować i określających, jaki wpływ ma ten proces na dokładność symulacji
dynamicznych.
Następnym
etapem
procesu
modelowania
są
symulacje
dynamiczne
z wykorzystaniem modeli mięśniowo-szkieletowych. Współcześnie są to symulacje
komputerowe, często prowadzone przy użyciu specjalistycznych pakietów
symulacyjnych, w tym pakietów przeznaczonych do modelowania narządu ruchu.
W symulacjach dynamicznych stosuje się różne podejścia w zależności od
postawionego celu eksperymentu symulacyjnego i dostępnych danych pomiarowych.
Wyróżnić można symulację dynamiczną odwrotną, kiedy znany jest ruch,
a wyznaczane są siły, który ten ruch wywołały oraz symulację dynamiczną prostą,
kiedy wyznaczany jest ruch układu na podstawie działających sił. Brak możliwości
bezpośredniego i nieinwazyjnego pomiaru sił mięśniowych oraz ograniczenie
pomiaru poziomu aktywacji do mięśni powierzchniowych sprawiają, że częściej
stosuje się symulację dynamiczną odwrotną wraz z pomiarem kinematyki i sił
reakcji.
3
Głównym problemem w identyfikacji sił mięśniowych jest nadmiarowość układu
mięśniowego człowieka. Układ mięśniowy jest układem redundantnym, liczba mięśni
biorąca udział w realizacji ruchu jest większa od liczby stopni swobody stawów,
zatem udział wielu mięśni z technicznego punktu widzenia nie jest konieczny.
Wydaje się, że nadmiarowość ma zapewnić uniwersalność i większą efektywność
narządu ruchu, aczkolwiek jej przyczyny pozostają przedmiotem badań naukowych
z zakresu biomechaniki.
Weryfikacja i walidacja stosowanych modeli i technik symulacji dynamicznych jest
bardzo ograniczona przez brak
możliwości
bezpośrednich
pomiarów sił
występujących w układzie ruchu człowieka. Dotychczas bezpośrednia walidacja
wyników polegała głównie na pomiarach uzyskanych z zastosowaniem
wszczepialnych endoprotez. Metoda ta mogłaby stanowić złoty standard, niemniej
liczba osób z takimi endoprotezami jest niewielka; są to pacjenci po interwencji
chirurgicznej o stosunkowo wysokiej średniej wieku i tylko nieliczne ośrodki
badawcze mają dostęp do tych pacjentów. Zdecydowanie częściej stosowaną formą
walidacji wyników symulacji dynamicznych jest porównanie uzyskanych przebiegów
sił mięśni z zarejestrowanymi sygnałami elektromiograficznymi. Jest to walidacja
pośrednia, a sygnał EMG najczęściej wykorzystywany jest do oceny udziału
poszczególnych mięśni podczas realizacji ruchu. Inną formą pewnej oceny
dokładności wyników jest analiza wrażliwości symulacji dynamicznych. Analiza ta
umożliwia przede wszystkim ocenę odporności modelu i opis zależności wyników
symulacji od poszczególnych parametrów modelu i technik symulacji, wstępną ocenę
ich adekwatności i zakresu stosowania. Wskazanie parametrów, na które symulacje
dynamiczne są szczególnie wrażliwe, oraz personalizacja tych wielkości może
istotnie zwiększyć dokładność uzyskanych wyników symulacji.
Problematyka modelowania narządu ruchu człowieka i symulacji dynamicznych jest
ważna i aktualna, o czym świadczy szereg potencjalnych zastosowań wyników
symulacji i obecne ograniczenia tych metod. Proces badania i modelowania jest dość
złożony i – jak wykazano w rozprawie – na każdym jego etapie znaleźć można wiele
ciekawych i aktualnych problemów stanowiących wyzwanie dla naukowców.
Podczas realizacji badań własnych skupiono się na rozwoju nowych,
spersonalizowanych metod badania kinematyki chodu oraz walidacji współcześnie
rozwijanych modeli mięśniowo-szkieletowych i technik symulacji pod kątem ich
personalizacji.
W rozdziale 3., Autorka formułuje cel i zakres pracy.
Na podstawie przeprowadzonej krytycznej analizy literatury z zakresu metod badania
i modelowania narządu ruchu człowieka Doktorantka wykazała, że poruszana
tematyka jest ważna, aktualna i ma duży potencjał aplikacyjny. Przedstawiła aktualny
stan wiedzy ze wskazaniem najważniejszych problemów i ograniczeń, które mogą
stanowić barierę w powszechnym wykorzystaniu tych metod w praktyce klinicznej
i bioinżynierii. W odpowiedzi na wybrane problemy, w tym ograniczenia obecnie
stosowanych metod rejestracji charakterystyk kinematycznych chodu, oraz brak
dostatecznej walidacji wyników symulacji dynamicznych z wykorzystaniem
4
wieloczłonowych modeli narządu ruchu, Doktorantka formułuje własne zadania
badawcze.
W ocenie Autorki, cele główne rozprawy to:
 opracowanie
nowych,
spersonalizowanych metod badania
kinematyki chodu człowieka,
 walidacja
współcześnie
stosowanych
komputerowych,
wieloczłonowych modeli mięśniowo-szkieletowych oraz różnych
technik symulacji dynamicznych.
Zakres rozprawy doktorskiej obejmuje:
 rozwój i walidację anatomicznego protokołu analizy kinematyki chodu
z weryfikacją opracowanych narzędzi analitycznych,
 opis kinematyki chodu prawidłowego z zastosowaniem opracowanego
protokołu,
 opracowanie procedur kalibracji anatomicznej protokołu analizy ruchu
z wykorzystaniem
obrazowania
ultrasonograficznego
oraz
metod
funkcjonalnych,
 ocenę wpływu kalibracji anatomicznej na uzyskany opis kinematyki chodu,
 analizę wrażliwości wyników symulacji dynamicznych na wybrane parametry
modelu oraz różne techniki symulacji,
 ocenę zasadności personalizacji wybranych parametrów komputerowego
modelu narządu ruchu,
 walidację różnych kryteriów optymalizacyjnych i technik symulacji
z wykorzystaniem elektromiografii powierzchniowej.
W tym miejscu należy odpowiedzieć na pytanie, czy podjęta przez Doktorantkę
tematyka jest aktualna i ważna. Recenzent nie ma wątpliwości co do aktualności
tematu i jego znaczenia dla rozwoju Inżynierii Biomedycznej, a przede wszystkim
dla zdrowia i komfortu pacjentów. Zaproponowane i zastosowane nowoczesne
metody badawcze i analiza uzyskanych rezultatów bez wątpienia przyczynią się do
rozwoju dyscypliny Mechanika, w której lokuje się recenzowana interdyscyplinarna
rozprawa.
Badania własne opisane zostały w drugiej części pracy, składającej się z trzech
rozdziałów. Rozdział czwarty dotyczy rozwoju nowych metod badania i opisu
kinematyki kończyny dolnej. W rozdziale tym zaproponowano i zweryfikowano
różne możliwości personalizacji modeli przeznaczonych do badania chodu człowieka
z wykorzystaniem optycznych systemów śledzenia ruchu, jak również przedstawiono
opis kinematyki chodu prawidłowego zebranego dla grupy osób zdrowych.
5
W rozdziale 5. przedstawiono szczegółowe wyniki analizy wrażliwości
wybranego modelu mięśniowo-szkieletowego. Przeanalizowano również wpływ
zmiany wybranych parametrów modelu, w tym mas członów, maksymalnych sił
izometrycznych mięśni, położenia środka stawu biodrowego oraz liczby mięśni
uwzględnionych w modelu, na wyniki symulacji sił mięśni. Ponadto porównano
różne techniki symulacji dynamicznych, jak optymalizacja statyczna z różnymi
kryteriami czy algorytm wykorzystujący rozwiązanie zagadnienia dynamiki prostej,
optymalizację statyczną oraz regulację PD. Istotną częścią rozdziału jest analiza
porównawcza, pozwalająca na ocenę zasadności personalizacji wybranych
parametrów modelu (zamieszczona w podrozdziale 5.7) oraz podsumowanie
(podrozdział 5.8).
W rozdziale 6. przedstawiono walidację wyników symulacji dynamicznych
z wykorzystaniem elektromiografii. Wykonano badania eksperymentalne oraz
symulacje numeryczne, które pozwoliły na ilościową ocenę zgodności oszacowanych
sił i zmierzonych sygnałów elektromiograficznych. Analiza obejmowała symulacje
z zastosowaniem trzech różnych kryteriów optymalizacyjnych, algorytm
wykorzystujący regulacje PD oraz dwa modele o różnej złożoności. Podsumowanie
wyników walidacji zamieszczono w podrozdziale 6.4.
Syntetyczne podsumowanie najważniejszych osiągnięć pracy zamieszczono
w rozdziale 7. W końcowej części pracy zamieszczono bibliografię, spis ilustracji
i tabel oraz załącznik zawierające dodatkowe wyniki symulacji dynamicznych
przeprowadzonych w ramach rozdziału czwartego.
Bibliografia rozprawy doktorskiej mgr Magdaleny Żuk zawiera 224 pozycje,
spośród których 61 (27%) obejmuje okres od roku 2010. Świadczy to o aktualności
i rosnącym znaczeniu tematyki podjętej przez Doktorantkę. W 8 cytowanych
publikacjach z okresu 2011 – 2016 Doktorantka jest głównym autorem.
UWAGI O ROZPRAWIE
Rozprawa jest napisana poprawnym, zrozumiałym językiem i wykazuje bardzo
dobry poziom edytorski. Na szczególne podkreślenie zasługuje bogata dokumentacja
graficzna. Rysunki oraz fotografie są wykonane bardzo starannie z umiejętnym
wykorzystaniem koloru i odzwierciedlają szeroki program badań. Tabele są
przejrzyste dla czytelnika.
Recenzent, niebędący entuzjastą niedawnych zmian strukturalnych na
Wydziale Mechanicznym PWr musi odnotować, na przykładzie recenzowanej
rozprawy, ich pozytywne strony. Otóż metody i podejście, znane i stosowane
dotychczas w Zakładzie Mechatroniki i Teorii Mechanizmów, po połączeniu
z Zakładem Inżynierii Biomedycznej zostały z powodzeniem zastosowane
w recenzowanej rozprawie doktorskiej. Znaczący element rozprawy stanowią bogato
udokumentowane własne badania eksperymentalne, uzupełniane szeroką analizą
numeryczną.
6
Na stronie 66 Autorka pisze:
…zgodnie ze zmodyfikowanym protokołem Helen Hayes (HH, model BTS
MAS) [49] [96] [155]. Rozmieszczenie markerów przedstawiono na rysunku 4.8. Ten
sam badacz wskazał punkty anatomiczne wykorzystywane w obu protokołach, …
Z tekstu czytelnik domyśla się, że Helen jest kobietą, jednak dalsza część opisu
może wprawić go w zakłopotanie.
Chciałbym prosić Doktorantkę o opinię w sprawie regulacji PD
(proporcjonalno-różniczkującej), o której pisze m.in. na stronie 90 rozprawy.
Wiadomo, że z całkowaniem sygnałów nie ma większych problemów, kłopoty
zaczynają się przy różniczkowaniu. Często stosuje się oddzielne mierniki prędkości
i przyśpieszenia, aby uniknąć różniczkowania zmierzonego sygnału przemieszczenia.
Jak dobierać krok kwantowania? Co z oszacowaniem dokładności?
Doktorantce należy się pochwała za dobór literatury – znajdują się tam nie
tylko pozycje najnowsze, lecz także publikacje ważne dla tego obszaru badawczego,
opublikowane wcześniej. Spośród 224 pozycji zdecydowaną większość stanowią
publikacje w języku angielskim. Jest to odbicie aktualnych wymagań, że publikować
należy po angielsku.
Brakuje odwołań do adresów internetowych, co obecnie należy do rzadkości.
Uwagi te nie zmieniają mojej bardzo pozytywnej oceny rozprawy. Zdaniem
recenzenta, rozprawa wyróżnia się ze względu na podjęcie trudnej tematyki
i wykorzystanie nowoczesnych interdyscyplinarnych narzędzi badawczych.
PODSUMOWANIE
Istotny i twórczy wkład mgr inż. Magdaleny Żuk w rozwój mechaniki, w jej
część teoretyczną, eksperymentalną i metodologiczną polega na tym, że przedstawiła
rozwiązanie postawionego problemu badawczego, tj. Spersonalizowane badanie
i modelowanie chodu człowieka, na podstawie którego można sformułować
następujące wnioski i osiągnięcia:



W rozprawie Doktorantka rozwinęła metody rejestracji i opisu kinematyki
kończyny dolnej z wykorzystaniem autorskiego, anatomicznego protokołu
analizy chodu, w szczególności rozwinęła i zweryfikowała autorskie
oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z optycznego systemu śledzenia
ruchu.
Zaproponowała opis kinematyki chodu prawidłowego, zebranego dla grupy
osób zdrowych z zastosowaniem opracowanego anatomicznego protokołu oraz
analizę porównawczą z protokołem klasycznym.
Opracowała procedurę identyfikacji środka stawu biodrowego metodą
funkcjonalną, będącą rozwinięciem własnego protokołu anatomicznego oraz jej
walidację z wykorzystaniem obrazowania ultrasonograficznego.
7




Ważnym osiągnięciem Doktorantki jest ocena wpływu różnych metod kalibracji
anatomicznej, w tym metody palpacyjnej, metody funkcjonalnej i obrazowania
ultrasonograficznego z wolnej ręki, na opis kinematyki chodu.
Największe osiągnięcia Doktorantki w zakresie walidacji współcześnie
stosowanych wieloczłonowych modeli narządu ruchu i technik symulacji
dynamicznych, to przede wszystkim ocena wpływu dokładności identyfikacji
wybranych parametrów modelu mięśniowo- szkieletowego oraz różnych technik
symulacji dynamicznych na oszacowane siły mięśni.
Równie ważne było zdefiniowanie przez Autorkę wytycznych dotyczących
personalizacji ogólnych modeli mięśniowo – szkieletowych oraz wskazanie
dalszych kierunków rozwoju modelowania narządu ruchu człowieka na
podstawie analizy wrażliwości wybranego, współczesnego modelu narządu
ruchu.
Istotnym osiągnięciem rozprawy jest ocena zgodności wyników symulacji
dynamicznych
uzyskanych
z
zastosowaniem
różnych
kryteriów
optymalizacyjnych i technik symulacji z otrzymanymi eksperymentalnie
sygnałami elektromiograficznymi stanowiąca pośrednią walidację metod
modelowania i symulacji komputerowej. Doktorantka wykazała, że uzyskanie
dużej dokładności wyników symulacji dynamicznych wymaga zarówno
personalizacji komputerowych modeli mięśniowo- szkieletowych, jak również
identyfikacji złożonych strategii sterowania neuro-mięśniowego.
WNIOSEK
o dopuszczenie do publicznej obrony
Rozprawa doktorska mgr inż. Magdaleny Żuk stanowi oryginalne
rozwiązanie postawionego zagadnienia naukowego, wykazuje ogólną wiedzę
teoretyczną Autorki w dyscyplinie naukowej Mechanika i umiejętność
samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Odpowiada więc warunkom
ustawy Nr 595 z dnia 14 marca 2003 r., a w szczególności warunkom określonym
w artykule 13 rozdziału 2 ustawy (Dz. U. nr 65/2003 z 16 kwietnia 2003 r.).
Wnioskuję o dopuszczenie rozprawy do publicznej obrony.
8