Recenzja II

Gliwice, 8.10.2016
dr hab. inż. Robert Michnik, Prof. nzw. w Pol. Śl.
Katedra Biomechatroniki
Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Biomedycznej
ul. Roosevelat 40
41-800 Zabrze
e-mail: [email protected]
RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
mgr inż. Magdaleny Żuk
pt.: „Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka”
1
Podstawa formalna opracowania recenzji
Podstawę opracowania recenzji stanowi decyzja Rady Wydziału Mechanicznego
Politechniki Wrocławskiej oraz pismo Pana Dziekana Wydziału informujące o wyznaczeniu
mnie na recenzenta rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Żuk w dyscyplinie Mechanika.
2
Przedmiot i zawartość rozprawy
Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska pt.: "Spersonalizowane badanie
i modelowanie chodu człowieka" autorstwa pani mgr inż. Magdaleny Żuk. Praca ma charakter
teoretyczno-badawczy i składa się z 7 rozdziałów głównych, spisów: literatury, rysunków,
tabel oraz załączników. Całość pracy liczy 180 stron, 92 rysunki, 19 tabel. Do napisania pracy
wykorzystano 224 pozycje literaturowe związane ściśle z tematyką prowadzonych przez
autorkę badań. Rozprawa uzupełniona została 6 załącznikami zawierającymi wyniki
przeprowadzonych symulacji numerycznych. Podczas realizacji głównych celów pracy
przeprowadzono liczne badania chodu kinematyki osób zdrowych, dokonano szeregu
symulacji numerycznych pozwalających na identyfikację sił mięśniowych oraz
przeprowadzono obszerną analizę uzyskanych wyników z wykorzystaniem narzędzi
statystycznych.
Praca została podzielona na trzy części stanowiące odpowiednio wprowadzenie do
prowadzonych badań, opis badań własnych oraz podsumowanie końcowe. W skład pierwszej
części pracy wchodzą rozdziały obejmujące wstęp, analizę stanu wiedzy oraz sformułowany
cel i zakres pracy. Drugą część pracy zawiera trzy rozdziały poświęcone badaniom własnym.
Poszczególne rozdziały tej części rozprawy poświęcone są opisowi badań związanych z:
analizą kinematyki chodu z wykorzystaniem kalibracji anatomicznej (rozdział 4), analizą
wrażliwości modelu mięśniowo-szkieletowego (rozdział 5) oraz walidacji wyników symulacji
dynamicznych z wykorzystaniem elektromiografii powierzchniowej (rozdział 6). Wyniki tych
badań przedstawiono w postaci licznych wykresów oraz poddano dokładnej analizie z
wykorzystaniem metod statystycznych. Dzięki temu możliwe było sformułowanie wniosków
szczegółowych, przedstawionych na końcu z każdego rozdziałów oraz zebranych w rozdziale
7 będącym podsumowaniem końcowym pracy.
3
3.1
Ocena merytoryczna pracy
Tematyka rozprawy
Na podstawie przeprowadzonego prze autorkę pracy bardzo obszernego przeglądu
literatury w zakresie badań kinematyki chodu, metod modelowania układu ruchu człowieka,
modelowania układu mięśniowego, jak również tworzenia spersonalizowanych modeli układu
mięśniowo-szkieletowego sformułowano dwa cele pracy:

opracowanie nowych, spersonalizowanych metod badania kinematyki chodu
człowieka,

walidacja współcześnie stosowanych komputerowych, wieloczłonowych modeli
mięśniowo - szkieletowych oraz różnych technik symulacji dynamicznych.
Tu należy zauważyć, że pełna realizacja drugiego celu, ze względu na brak istniejących
nieinwazyjnych metod bezpośredniego pomiaru sił powstających w poszczególnych
mięśniach, na obecnym etapie rozwoju nauki jest praktycznie nie możliwa.
Realizacja powyższych celów została przeprowadzona na podstawie badań własnych
obejmujących pomiary kinematyki chodu różnymi metodami oraz symulacje numeryczne
obciążeń układu szkieletowo-mięśniowego.
W pracy przedstawiono nową, autorską metodę pomiarów kinematyki ruchu kończyn
dolnych podczas chodu z wykorzystaniem systemów optycznych. Metodyka ta zakłada, że
pomiar kinematyki dokonywany jest za pomocą klasterów markerów rozmieszczonych na
poszczególnych segmentach ciała, których ruch śledzony jest za pomocą optycznego sytemu.
Z każdym klastrem markerów związany jest układ współrzędnych danego segmentu ciała, w
których dodatkowo rozmieszczono są wirtualne markery. Wyznaczone przemieszczenia
klasterów markerów rozmieszczonych na segmentach ciała, pozwalają na zdefiniowanie
lokalnych układów współrzędnych a następnie wyznaczenie kątów anatomicznych.
W rozprawie zaproponowano również protokół pomiarowy pozwalający na
identyfikację położenia środka stawu biodrowego za pomocą tzw. metody funkcjonalnej oraz
metodykę badań kinematyki chodu z wykorzystaniem ultrasonografii.
Z wykorzystaniem wszystkich opisanych metod przeprowadzono badania grupy osób
zdrowych, a otrzymane wyniki skonfrontowano z wynikami uzyskiwanymi przy
wykorzystaniu standardowych protokołów pomiarowych powszechnie stosowanych w
komercyjnych systemach pomiarowych. Przeprowadzona analiza porównawcza wykazała, że
wyniki otrzymywane z wykorzystaniem standardowego protokółu pomiarowego są rozbieżne
z bardziej dokładnymi metodami pomiaru zaproponowanymi przez autorkę pracy.
Analizę wrażliwości modelu mięśniowo-szkieletowego przeprowadzono wykonując
szereg symulacji (prowadzonych w oprogramowaniu OpenSim) pozwalających na ocenę
wpływu wprowadzanych parametrów modelu ciała człowieka, modelu układu mięśniowego
oraz zastosowanych metod identyfikacji na wartości wyznaczanych sił mięśniowych. Badania
te przeprowadzano wykorzystując dane kinematyczne zaczerpnięte z literatury. W
szczególności analiza wrażliwości prowadzona była w zakresie oceny wpływu na wyznaczane
siły mięśniowe takich wielkości jak:
o parametry geometryczno-bezwładnościowych poszczególnych segmentów
modelu - parametry te zmieniano o 4% do 19% wartości przyjętej jako
prawidłowa,
o wartości
maksymalnej
siły
izometrycznej
poszczególnych
mięśni
uwzględnionych w modelu - wartości te zmieniano zwiększając lub
zmniejszając wartość przyjętą jako prawidłowa o 50%,
o wyznaczanego na podstawie pomiarów kinematycznych położenia środka
stawu biodrowego - wprowadzono zmianę położenia środku stawu
biodrowego o 20 mm w stosunku do położenia przyjętego jako
prawidłowe,
Ponadto dokonano oceny wpływu na wyniki obliczeń:
o różnych postaci funkcji celu w metodzie identyfikacji statycznej,
o różnych technik identyfikacji sił mięśniowych (porównanie wyników z
zastosowaniem metody optymalizacji statycznej i metody CMC),
o różnej liczby mięśni uwzględnionych w modelu.
Rozdział ten kończy się porównaniem wyników z różnych wariantów
przeprowadzonych symulacji, w którym autorka wskazuje jaki wpływ na wyniki mają
poszczególne modyfikacje parametrów modelu oraz wykorzystane metody obliczeniowe.
Ostatnią częścią badań własnych jest walidacja wyników symulacji dynamicznych z
wykorzystaniem elektromiografii powierzchniowej. W tym celu przeprowadzono pomiary
kinematyki chodu z równoczesnym pomiarem sił reakcji podłoża oraz sygnałów EMG
wybranych mięśni. Pomiary przeprowadzono z wykorzystaniem optycznego systemu VICON,
platform dynamometrycznych firmy Kistler oraz systemu Motion Lab. W badaniach
doświadczalnych zbadano grupę 3 zdrowych osób, a uzyskane wyniki wykorzystano jako
dane wejściowe do wyznaczenia sił mięśniowych w oprogramowaniu OpenSim.
Walidację wyników symulacji dynamicznych przeprowadzono badając korelację
pomiędzy wynikami otrzymane z dwóch różnych metod stosowanych do określenia
funkcjonowania układu mięśniowego: pomiarów EMG oraz identyfikacji sił mięśniowych z
wykorzystaniem modelowania matematycznego i metod optymalizacyjnych.
Obie metody wykorzystywane są do oceny funkcjonowania układu mięśniowego, ale
ocena ta dokonywana jest na podstawie dwóch różnych wielkości fizycznych. W pomiarach
EMG dokonywany jest pomiar różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma
elektrodami umieszczonymi na skórze nad badanym mięśniem. Przetworzona wartość
zarejestrowanych sygnałów pozwala oszacować wielkość aktywacji badanego mięśnia. Za
pomocą metod identyfikacji wyznaczamy z kolei wartości sił mięśniowych. Tak więc
ilościowe porównanie dwóch różnych wielkości, które zaproponowano w pracy nie wydaje
się do końca prawidłowe. Dodatkowo należy pamiętać również, że obydwie metody mają
swoje wady, które wpływają na dokładność otrzymanych wyników. Identyfikacja sił
mięśniowych wymaga akceptacji wykorzystanego w procesie optymalizacji hipotetycznego
kryterium sterowania przez układ nerwowy pracą mięśni. Na dokładność sygnału EMG
wpływa poprawność rozmieszczenia elektrod pomiarowych, grubość skóry oraz tkanki
tłuszczowej nad badanym mięśniem. Ponadto zgodnie z modelem mięśnia typu Hilla, wartość
siły mięśniowej oprócz aktywacji mięśnia, przekroju poprzecznego mięśnia zależy od
aktualnej długości mięśnia (lub wydłużenia) oraz od prędkości skracania włókien
mięśniowych. Tak więc nie można zakładać, że pomiędzy sygnałem EMG oraz wartością siły
mięśniowej powinna istnieć korelacja liniowa, a zaproponowana walidacja modeli na
podstawie badania korelacji pomiędzy sygnałem EMG i wyznaczanymi siłami mięśniowym
nie do końca jest miarodajna. Jest to o tyle ważna uwaga, że na podstawie przeprowadzonej w
tej części pracy badań, autorka formułuje jedne z wniosków końcowych, który brzmi
"Przeprowadzona walidacja z wykorzystaniem elektromiografii wykazała, że stosowane
techniki optymalizacyjne i przyjęte kryteria nie opisują poprawnie funkcjonowania
niektórych mięśni."
Najważniejsze osiągnięcia pracy
Do najważniejszych, oryginalnych osiągnięć badawczych przedstawionej pracy
doktorskiej należy zaliczyć:
3.2

opracowanie autorskiego protokołu badania kinematyki chodu wykorzystującego
optyczny system śledzenia ruchu i bazującego na metodzie anatomicznej oraz
weryfikacja opracowanej metody pomiarowej,

przeprowadzenie badań doświadczalnych chodu na grupie osób zdrowych
pozwalających na porównanie wielkości kinematycznych wyznaczanych za
pomocą
standardowych
protokołów
pomiarowych
oraz
opracowanego
anatomicznego protokołu,
4

opracowanie autorskiej metody identyfikacji położenia środka stawu biodrowego
podczas pomiarów kinematyki chodu oraz walidacja tejże metody
z wykorzystaniem technik obrazowania USG,

ocena wpływu różnych technik kalibracji, metod oraz modeli wykorzystywanych
w badaniach chodu na wyznaczane wartości i przebiegi kątów anatomicznych,

przeprowadzenie wielowariantowych symulacji komputerowych obciążeń układu
szkieletowo-mięśniowego z różnymi zestawami parametrów wprowadzanych do
modelu,

ocena wpływu na wyniki wyznaczanych w procesie identyfikacji sił mięśniowych:
o parametrów
geometryczno-bezwładnościowych
poszczególnych
segmentów modelu,
o wartości maksymalnej siły izometrycznej poszczególnych mięśni
uwzględnionych w modelu,
o wyznaczanego na podstawie pomiarów kinematycznych położenia środka
stawu biodrowego,
o różnych postaci funkcji celu w metodzie identyfikacji statycznej,
o różnych technik identyfikacji sił mięśniowych (porównanie wyników z
zastosowaniem metody optymalizacji statycznej i metody CMC),
o różnej liczby mięśni uwzględnionych w modelu,

sformułowanie ogólnych wytycznych związanych z personalizacją modeli
matematycznych stosowanych w identyfikacji sił mięśniowych.
Uwagi krytyczne i dyskusja materiału naukowego
1.
2.
3.
Opis matematyczny kinematyki kończyn dolnych przedstawiony w rozdziale 4.1.1 jest
bardzo skąpy. Ogranicza sie do przedstawienia macierzy rotacji. Dodatkowo nie
wiadomo w jaki sposób wyznaczono elementy macierzy R, czy są one wersorami osi
określonych na podstawie traid markerów, czy też zostały wyznaczone jako osie
anatomiczne poszczególnych segmentów kończyny dolnej.
W rozdziale 4.1.2 , w którym przedstawiono wyznaczone na podstawie autorskiej
procedury pomiarowej przebiegi kątów anatomicznych dla chodu brakuje odniesienia
do wyników innych autorów. Porównanie to ograniczyło się jedynie do komentarza:
"Otrzymane krzywe nie odbiegają bardzo od krzywych z literatury" (str. 62).
Na str. 63 znalazło się zdanie "Zgodnie z zaleceniami ISB anatomiczny układ
współrzędnych stopy zdefiniowany jest prze punkty anatomiczne podudzia w pozycji
neutralnej stopy i jest to przestrzenny układ współrzędnych." Sformułowanie to
wymagałoby dokładniejszego opisu lub ilustracji za pomocą rysunku.
4.
W rozdziale 5.1.1 "Komputerowy model układu mięśniowego" nie podano zależności,
5.
opisującej siłę mięśniową. Opis wykorzystanego modelu ograniczył się do
sformułowania (str. 88) "W modelu Gait2392 zaimplementowany został model mięśnia
Thelena, szczegółowo opisany w pracy [193]." Brak zależności opisującej siłę
mięśniową jest zaskakujący, zwłaszcza, że w tym samym rozdziale zdecydowano się
na przedstawienie charakterystyk (siła-długość, siła-wydłużenie, siła-prędkość)
wykorzystywanych w modelowaniu sił mięśniowych (rys. 5.4). Pewną wątpliwość
budzi również nazwanie wykorzystanego w obliczeniach modelu - modelem mięśnia
Thelena. W literaturze tego typu model nazywane są najczęściej modelami typu Hilla.
Taki również podpis znajduje się na rys 5.4 przy schemacie mechanicznym mięśnia.
W rozdziale 5.1.2 "Techniki symulacji komputerowej" przedstawiano wykorzystane w
6.
obliczeniach metody identyfikacji sił mięśniowych. Jedną z zastosowanych metod jest
metoda optymalizacji statycznej, dla której przedstawiono funkcję celu (wzór 5.1) oraz
równościowe warunki ograniczające w dwóch opcjonalnych wariantach wzór 5.2. oraz
wzór 5.3. Tu pojawia się pytanie, który z tych warunków wykorzystano ostatecznie w
obliczeniach. Ma to istotne znaczenie ze względu na charakter prowadzonych w
dalszej części pracy badań, w której przeprowadzono analizę wrażliwości i badano
wpływ różnych wielkości na wyniki wyznaczanych wartości sił mięśniowych.
W zadaniu optymalizacyjnym opisanym wzorami 5.1-5.3 zmiennymi decyzyjnymi są
"poziomy aktywacji mięśnia" oznaczone jako a. Powyższy zapis powinien być
uzupełniony o informacją jaka jest zmienność poziomów aktywacji mięśnia, czy
zmienność ta jest skokowa (np. zmienia się co 0,1) czy też jest ciągła. Przy tak
sformułowanym zapisie zadania optymalizacyjnego, które opisane jest funkcją celu
(wzór 5.1) oraz jednym z warunków ograniczających opisanych zależnością 5.2 lub
5.3, zakres dopuszczalnych wartości zmiennych decyzyjnych - czyli poziomów
aktywacji mięśnia a - zwiera się od - do . Według mnie brakuje tu jeszcze jednego
7.
warunku ograniczającego wartości aktywacji a do wartości z zakresu od 0 do 1, co
odpowiada fizjologicznym warunkom pracy mięśnia i powszechnie stosowane jest w
identyfikacji sił mięśniowych z wykorzystaniem metod optymalizacji.
W rozdziale 5 "Analiza wrażliwości modelu mięśniowo-szkieletowego", jako
kryterium pozwalające na porównanie wyników symulacji wykorzystano wskaźnik
MAV i MD będące odpowiednio średnią wartości bezwzględnych różnic lub średnia
wartością
różnic pomiędzy analizowanymi przebiegami sił mięśniowych. Z
przedstawionego przeglądu literatury wynika, że podobną do przeprowadzonej w
pracy analizę wrażliwości przeprowadziło również wielu innych autorów, stosując
różne wskaźniki do oceny wrażliwości modeli układu szkieletowo-mięśniowego.
Szkoda, że nie zdecydowano się zastosować ich w recenzowanej pracy. Niewątpliwie
ułatwiłoby to porównanie wyników pracy z wynikami innych autorów.
8.
9.
W rozdziale 5 w podsumowaniu przeprowadzonych wariantów badań w kilku
miejscach pracy (str. 113, 116, 124) znalazło się sformułowanie, że wyznaczonych
przebiegach odnotowano zarówno różnice w wartościach jak również w kształcie
otrzymanych krzywych. Analizując, wykresy przedstawione w tym rozdziale, jak
również w załączniku, można jednak odnieść wrażenie, że przebiegi poszczególnych
sił mięśniowych wyznaczone przy różnych wariantach zaburzeń parametrów modelu,
czy też metod identyfikacji są do siebie mocno zbliżone. Szkoda, że nie zdecydowano
się tu na ocenę podobieństwa przebiegów chociażby z wykorzystaniem korelacji i
poprzestano tylko na ocenie wzrokowej.
W rozdziale 5.3 przeprowadzono symulację wprowadzając bardzo szeroki zakres
wprowadzonych zmian wartości maksymalnej siły skurczu izometrycznego Fmax.
Wartości te, przewyższający nawet zakres zmienności spotykany w literaturze. Należy
pamiętać, że wartość Fmax czy też bezpośrednia z nią związana wartość przekroju
fizjologicznego mięśnia PCSA jest cechą osobniczą zależną od wymiarów badanej
osoby, płci, wieku, aktywności fizycznej. Jeśli porównujemy wartość Fmax czy też
PCSA z badań różnych autorów to wielkość te zostały wyznaczone dla konkretnych
osób. Prowadząc identyfikację sił mięśniowych z wykorzystaniem modelowania i
optymalizacji należy zadbać aby wprowadzane dane Fmax odpowiadały wymiarom
badanej osoby lub wykorzystać algorytmy pozwalające na przeskalowanie parametrów
modelu układu mięśniowego do wymiarów badanej osoby.
10. Warto również zauważyć, że seria badań modelowych przeprowadzonych w rozdziale
5.3, w której zmieniamy wartość Fmax jednego mięśnia w rzeczywistości odpowiada
sytuacji patologicznej, w której wszystkie mięśnie funkcjonują poprawnie oprócz
jednego, mianowicie tego, dla którego zmieniliśmy siłę Fmax. Tak więc otrzymane
różnice pomiędzy wynikami dla modelu wyjściowego i zmodyfikowanego będą raczej
świadczyć o prawidłowym opisie funkcjonowania układu mięśniowego. Niepokojąca
byłaby sytuacja, w której dla modelu z prawidłowymi przekrojami PCSA oraz modelu
patologicznego (np. ze zmniejszonym przekrojem jednego mięśnia lub grupy
mięśniowej) otrzymalibyśmy takie same lub zbliżone wyniki.
11. W rozdziale 6 zdecydowano się na walidację wyznaczanych za pomocą symulacji
numerycznych sił mięśniowych z zarejestrowanymi sygnałami EMG poprzez analizę
korelacji. Tak więc porównywane są dwie różne wielkości fizyczne, pomiędzy
którymi istnieje zależność, ale zgodnie z modelem mięśnia typu Hilla nie jest ona
liniowa. W większości podobnych badań, sygnał EMG wykorzystywany jest do
walidacji jakościowej wyznaczanych przebiegów sił mięśniowych. W zasadzie
ogranicza się do porównania czasowego włączania/wyłączania mięśni wyznaczanego
na podstawie sygnału EMG.
12. W pracy do identyfikacji sił mięśniowych wykorzystano optymalizację statyczną oraz
metodę CMC. Prawidłowe funkcjonowanie tego algorytmu wymaga odpowiedniego
doboru tzw. nastaw regulatora typu PD, czyli współczynników oznaczonych w
zależności 5.4 jako: kp i kv. W pracy nie podano dla jakich wartości tychże
współczynników prowadzono obliczenia. Jedyna wzmianka o wartościach kp i kv
znaduje się na str. 90 i brzmi ona "kp i kv to wzmocnienia wynoszące typowo 20 i
100".
13. Jakość przedstawionych w rozdziale 6 wyników symulacji numerycznych z
wykorzystaniem algorytmu CMC jest mocno dyskusyjna. Uwaga ta dotyczy przede
wszystkim wyników obliczeń otrzymanych dla osoby drugiej oraz trzeciej. Przebiegi
sił mięśniowych przedstawione na rys. 6.3 i 6.4 z zastosowaniem algorytmu CMC
charakteryzują się bardzo dużą zmiennością w czasie. Najprawdopodobniej zaburzenia
w przebiegu sił mięśniowych są wynikiem nieprawidłowego doboru współczynników
kp i kv.
5
Wnioski końcowe
Podsumowując należy stwierdzić, że przedstawiona do oceny rozprawa zawiera cenne
aspekty poznawcze w szeroko rozumianej dyscyplinie Mechanika.
Prace badawcze przedstawione w rozprawie zostały zrealizowane na wysokim poziomie
naukowym. Wyniki badań uzupełniają dotychczasową wiedzę w zakresie metod prowadzenia
badań kinematyki chodu oraz identyfikacji sił mięśniowych. Niewątpliwym osiągnięciem
recenzowanej rozprawy jest opracowanie i walidacja autorskiej metodyki pomiarów
kinematyki chodu. Na wyróżnienie zasługuje również liczba przeprowadzonych symulacji
numerycznych pozwalająca na wielowariantową analizę wpływu parametrów modelu układu
mięśniowego oraz różnych technik obliczeń numerycznych na wyniki symulacji obciążeń
układu szkieletowo -mięśniowego oraz ich staranna analiza. Bardzo utylitarnym wnioskiem
wynikającym z pracy jest stwierdzenie, że korzystając z modeli matematycznych służących
do wyznaczania kinematyki, czy też wyznaczania sił mięśniowych należy dołożyć wszelkiej
staranności, aby zapewnić dużą dokładność wprowadzanych do modelu
danych
wejściowych. Rozwiązaniem zapewniającym większą dokładność wprowadzonych do tego
typu modeli danych pomiarowych, czy też parametrów modelu wymaga personalizacji tychże
danych. Tak więc, aby uzyskać wysokiej dokładności wyniki, pozwalające na ocenę
funkcjonowania układu szkieletowego, czy też mięśniowego, wskazane jest tworzenia
indywidualnych modeli dedykowanych badanej osobie.
Uwagi krytyczne wymienione w punkcie 4 recenzji nie obniżają dobrego, moim
zdaniem, poziomu merytorycznego i ogólnej wysokiej oceny dysertacji. Uwagi mają
charakter porządkowy lub dyskusyjny i mam nadzieję, że przynajmniej w części będą
pomocne podczas przygotowywania artykułów do czasopism naukowych.
Recenzowana prac stanowi oryginalne rozwiązanie postawionego problemu
naukowego, które wymagało posiadania szerokiej wiedzy zakresu mechaniki, techniki
pomiarowych, przetwarzania danych pomiarowych, metod analizy wyników badań oraz
wiedzy z zakresu anatomii i biomechaniki. Rozprawa przygotowana jest na wysokim
poziomie naukowym i redakcyjnym.
Biorąc pod uwagę powyższe aspekty stwierdzam, że opiniowana praca Pani mgr inż.
Magdaleny Żuk spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim w dyscyplinie
Mechanika i jednocześnie wnoszę o dopuszczenie recenzowanej rozprawy do publicznej
obrony.
Robert Michnik