Magdalena Żuk Streszczenie pracy doktorskiej Spersonalizowane

Magdalena Żuk
Streszczenie pracy doktorskiej
Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka
Niniejsza rozprawa doktorska podejmuje problematykę badania i modelowania
chodu człowieka. Motywacją do podjęcia tej tematyki było potencjalne zastosowanie
w praktyce klinicznej. Celem pracy było opracowanie nowych, spersonalizowanych
metod badania kinematyki chodu człowieka, jak również walidacja współcześnie
stosowanych komputerowych, wieloczłonowych modeli mięśniowo-szkieletowych oraz
różnych technik symulacji dynamicznych.
W ramach pracy przedstawiono i zweryfikowano różne możliwości personalizacji
badań kinematyki chodu człowieka. W pierwszym etapie przeprowadzono walidację
autorskiego, anatomicznego protokołu analizy ruchu oraz weryfikację opracowanych
narzędzi. Przedstawiono opis kinematyki chodu prawidłowego zebranego dla grupy
osób z zastosowaniem opracowanego protokołu, jak również przeprowadzono analizę
porównawczą z protokołem klasycznym. W kolejnym etapie zaproponowano i zweryfikowano procedurę identyfikacji środka stawu biodrowego metodą funkcjonalną
będącą rozwinięciem opracowanego protokołu anatomicznego oraz przeprowadzono
ocenę wpływu kalibracji anatomicznej na opis kinematyki chodu.
W ramach walidacji współcześnie stosowanych wieloczłonowych modeli narządu
ruchu i technik symulacji dynamicznych, przeprowadzono analizę wrażliwości wyników symulacji oraz ich walidację z wykorzystaniem elektromiografii. Przeprowadzona analiza wrażliwości wykazała, że uzyskanie wysokiej dokładności wyników
symulacji dynamicznych wymaga personalizacji komputerowych modeli mięśniowoszkieletowych, w tym przede wszystkim określenia warunków brzegowych dla sił
poszczególnych mięśni, a w mniejszym stopniu identyfikacji położenia środka stawu
biodrowego oraz mas członów. Ponadto istotna jest liczba i dobór mięśni modelu,
jak również technika symulacji. Przeprowadzona walidacja z wykorzystaniem elektromiografii wykazała, że stosowane techniki optymalizacyjne i przyjęte kryteria nie
opisują poprawnie funkcjonowania niektórych mięśni.
Opracowana metodologia badania kinematyki chodu może zostać wykorzystana
przez innych badaczy, natomiast przedstawiony ilościowy opis chodu prawidłowego
stanowić może odniesienie w diagnostyce patologii chodu, jak również wzorzec chodu
na potrzeby projektowania urządzeń wspierających lokomocję. Przeprowadzona walidacja wybranego modelu mięśniowo-szkieletowego pozwoliła na zdefiniowanie wytycznych dotyczących personalizacji ogólnych modeli mięśniowo-szkieletowych oraz
wskazanie dalszych kierunków rozwoju modelowania narządu ruchu człowieka.
Summary of doctoral thesis
Studying and subject-specific modelling of the human gait
The subject of this doctoral thesis is studying and modelling of the human gait.
The main motivation for undertaking this theme was its potential application in the
clinical practise. The purpose of the dissertation was to develop a new methods of
studying kinematics of the human gait, as well as the validation of currently used
computer multibody musculoskeletal models and dynamic simulation techniques.
Within the dissertation, different methods for personalized analysis of the human gait using 3D motion tracking system have been proposed and validated. In
the first stage author’s anatomically based gait analysis protocol has been validated,
as well as developed analytical tools have been verified. Kinematic data for healthy
subjects obtained using the proposed protocols have been presented. Furthermore,
a comparative analysis of proposed and conventional gait analysis protocol has been
carried out. In the next stage, the functional method of the hip joint centre identification, as the enhancement of proposed gait analysis protocol, has been proposed
and validated. Then, the effect of the hip joint centre identification method on joint
kinematics has been assessed.
Within the validation of currently developed musculoskeletal model and dynamic
simulation techniques, sensitivity analysis of dynamic simulation results and validation using the surface electromyography have been performed. Sensitivity analysis
has shown that high accuracy of dynamic simulation of gait requires subject-specific
musculoskeletal models, especially determination of boundary conditions for muscle
forces, to a minor extend identification of hip joint centre and masses of body segments. Moreover, selection and number of muscles in model, as well as simulation
technique also significantly affect obtained results. Conducted validation based on
surface electromyography measurement has shown, that operation of selected muscles can not be correctly explained by applied optimization techniques and criteria.
The developed methodology of studying kinematics of human gait can be used by
other researchers, while presented quantitative description of physiological gait may
constitute a reference data in diagnostics of pathology gait, as well as gait pattern
for the purpose of design of prosthesis and orthotic devices. Validation of selected
musculoskeletal model allows to define recommendation for musculoskeletal model
personalization and indication further directions of development of musculoskeletal
modelling.