ocena obciążeń układu szkieletowo

KatarzynaNOWAKOWSKA, Robert MICHNIK, Jacek JURKOJĆ, Katarzyna
JOCHYMCZYK-WOŹNIAK, Piotr WODARSKI, Katedra Biomechatroniki, Wydział
Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, Zabrze
Marek MANDERA, Górnośląskie Centrum Zdrowia Dziecka im. Jana Pawła II, Katowice
OCENA OBCIĄŻEŃ UKŁADU SZKIELETOWO-MIĘŚNIOWEGO
PODCZAS CHODUU PACJENTÓW Z MÓZGOWYM PORAŻENIEM
DZIECIĘCYM
ANALYSISOFMUSCULOSCELETAL SYSTEM LOADSDURING
GAIT IN PATIENTS WITH CELEBRAL PALSY
Słowa kluczowe: analiza chodu, Anybody,
siłmięśniowych, mózgowe porażenie dziecięce
BTS,
identyfikacja
1. WSTĘP
Jednym z podstawowych zadań współczesnej biomechaniki jest wyznaczenie obciążeń
przenoszonych przez układ szkieletowo-mięśniowy.Niestety określenie reakcji w stawach
oraz sił generowanych przez mięśnie nie jest możliwe nadrodze pomiarów bezpośrednich.
Najpopularniejszymobecnie sposobem wykorzystywanym do tego celu są matematyczne
modele ruchu wykorzystujące techniki optymalizacyjne [2]. Połącznie tych dwóch metod jest
możliwe w środowiskuAnybodyModeling System, które zostało wykorzystane w ramach
niniejszej pracy. Oprogramowanie Anybodyumożliwia prowadzenie analizy kinematycznej
ruchów człowieka oraz identyfikację działania mięśni szkieletowych [1].
Celem pracy było utworzenie wzorców aktywowania się poszczególnych mięśni kończyn
dolnych w czasie chodu oraz analiza obciążeń układu szkieletowo-mięśniowego pacjentów
z mózgowym porażeniem dziecięcym.
2. MATERIAŁ I METODA
Grupa badawcza składała się z grupyosób o chodzie prawidłowym (w wieku od 8 do 16
lat) oraz 3 pacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym (w wieku od 7 do 12), którzy
zakwalifikowani zostali do leczenia z wykorzystaniem toksyny botulinowej. Wszystkie
osoby poddane zostały
badaniom doświadczalnym chodu przy wykorzystaniu
optoelektronicznego systemu do analizy ruchu BTS Smart. Badania funkcji lokomocyjnych
przeprowadzono w Górnośląskim Centrum Zdrowia
Dziecka im. Jana Pawła II w Katowicach. Uzyskane
dane wielkości kinematycznych i dynamicznych
(otrzymane dzięki systemowi BTS) posłużyły do
przeprowadzenia analizy chodu w oprogramowaniu
Anybody. Wykorzystany model kończyn dolnych
składał się z 17 segmentów biomechanicznych oraz
114 mięśni (rys 1.). W modelu uwzględniono
oddziaływanie
sił:
grawitacji,
bezwładności,
zewnętrznych (reakcji podłoża) oraz oddziaływania
układu mięśniowego. W wyniku rozwiązania
Rys. 1. Model kończyn dolnych
odwrotnego zadania dynamiki z wykorzystaniem
w środowisku Anybody
XII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 90
metod optymalizacji statycznej uzyskano wartości reakcji w stawach oraz sił mięśniowych.
Przyjętym do obliczeń kryterium optymalizacyjnym była minimalizacja sumy sześcianów
stosunku siły mięśniowej do jego siły maksymalnej.
3. WYNIKI
Otrzymane wyniki dla grupy osób o chodzie prawidłowym utworzyły wzorcowe zakresy
aktywowania się poszczególnych mięśni w czasie chodu. Wartości sił
mięśniowychpacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym zostały porównane z wynikami
grupy kontrolnej. Na rys 2.przedstawiono przykładowy przebieg zmiany sił mięśnia prostego
uda dla pacjentów z MPD. Wyznaczono najwyższe wartości siły osiągnięte dla porażonej
kończyny w czasie trwania fazy podporowej w stosunku do maksymalnej siły generowanej
przez mięsień(rys. 3). Odnotowano zależności między zaburzeniami kinematyki chodu
pacjentów z MPD, a niewłaściwym działaniem poszczególnych mięśni w obrębie kończyn
dolnych.
max (Fm/Fmax)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
pacjent 1
Rys. 2. Zmiana sił mięśnia prostego uda podczas chodu
pacjent 2
pacjent 3
Rys. 3. Maksymalne wartości Fm/Fmax dla mięśnia
prostego uda osiągnięte dla porażonej kończyny
dolnej pacjentów z MPD w czasie trwanie fazy
podporowej chodu
4. PODSUMOWANIE
Na podstawie otrzymanych wyników badań grupy osób o chodzie prawidłowym oraz
pacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym, stwierdzono, iż wyznaczanie obciążeń
układu szkieletowo-mięśniowego może ułatwić proces diagnostyki narządu ruchu.
W przyszłości zakłada się kontynuowanie podjętej w pracy problematyki badawczej. Kolejne
prace będą związane z przeprowadzeniem badań modelowych z wykorzystaniem systemu
Anybody na większej liczbie osób zdrowych oraz pacjentów z MPD.
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji
numer DEC-2011/01/B/NZ7/02695
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] Michnik R., Badania modelowe i doświadczalne chodu człowieka w aspekcie procesu
jego rehabilitacji, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB,
Gliwice 2013.