koŃczyn gÓrnych z wykorzystaniem systemu … · 2015-04-18 · procesie pomiarowych z użyciem...

Andrzej BIENIEK, Marek GZIK, Robert MICHNIK, Jacek JURKOJĆ, Piotr WODARSKI, Ewa STACHOWIAK, Katedra Biomechatroniki, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, Zabrze

WSPOMAGANIE PROCESÓW DIAGNOSTYKI KOŃCZYN GÓRNYCH Z WYKORZYSTANIEM

SYSTEMU WIRTUALNEJ JASKINI 3D - ANALIZA DYNAMIKI

SUPPORTING OF UPPER LIMB DIAGNOSTIC

PROCESSES IN CAVE 3D SYSTEM - DYNAMICS ANALYSIS

Słowa kluczowe: kończyna górna, AnyBody, wirtualna rzeczywistość, wirtualna jaskinia 3D 1. WSTĘP Wyznaczanie parametrów dynamicznych w zakresie kończyn górnych wymaga przeprowadzenia analizy kinematyki i dynamiki [1]. Istnieje możliwość pozyskania wielkości kinematycznych w oparciu o systemy analizy ruchu. Pozyskanie wielkości dynamicznych takich jak reakcje w stawach, momenty sił oraz chwilowe wartości sił mięśniowych wymaga pomiarów inwazyjnych w postaci implantów pomiarowych, nieinwazyjnych pomiarów EMG lub badań modelowych. Te ostatnie, dzięki opracowywaniu coraz lepszych modeli, pozwalają na uzyskanie rezultatów podobnych do tych uzyskiwanych z badań z użyciem elektromiografu [2][3]. Bazę danych wejściowych do modelu mogą stanowić dane kinematyki pozyskane w procesie pomiarowych z użyciem optycznych bądź inercyjnych systemów do analizy ruchu. 2. CEL BADAŃ Celem przeprowadzonych badań jest opracowanie wzorca obciążeń w układzie szkieletowo-mięśniowych na podstawie danych pozyskanych podczas ćwiczeń w systemie Wirtualnej Jaskini 3D, w aplikacji, której scenariusz motywuje do wykonywania wyselekcjonowanych przez terapeutów ćwiczeń. Badania stanowią pierwszy krok do opracowania interaktywnego systemu z elementami technologii wirtualnej rzeczywistości do wspomagania diagnostyki kończyn górnych. 3. METODYKA BADAŃ

Przeprowadzone w Katedrze Biomechatroniki Politechniki Śląskiej badania kinematyki i dynamiki obejmowały wyselekcjonowanie z udziałem terapeutów dwóch sekwencji ruchowych, Sekwencje te nawiązują do ćwiczeń wykonywanych w praktyce klinicznej podczas diagnostyki i rehabilitacji dzieci. Na podstawie zmierzonych dla fizjoterapeuty (wiek 25 lat), wykonującego poprawnie wyselekcjonowane ćwiczenia, wielkości kinematycznych opracowano interaktywną aplikację w systemie Wirtualnej Jaskini 3D motywującą do wykonywania wyselekcjonowanych ruchów. Z udziałem interaktywnego systemu przebadano

XII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej s. 6

grupę 25 studentów (w wieku od 22 do 28 lat, średnia 23,3 odh. std. 1,34). U badanych osób nie stwierdzono żadnych defektów kończyn górnych. Z wykorzystaniem inercyjnego kombinezonu do analizy ruchu MVNBiomech nagrano wykonywane ruchy dla wszystkich badanych osób. Zmierzone wielkości posłużyły jako dane wejściowe do obliczeń modelowych w programie AnyBody. Dla każdej osoby opracowano spersonalizowany model i obliczono obciążenia w układzie szkieletowo mięśniowym. Przebieg badań przedstawia rys. 1. Opracowany model w programie AnyBody przedstawia rys. 2.

Rys. 1. Przebieg badań w systemie Cave dla przygotowanych aplikacji motywujących do wykonywania wyselekcjonowanych przez terapeutów

czynności.

Rys. 2. Opracowany model w programie AnyBody

3. WYNIKI Wyniki obejmują chwilowe wartości momentów sił i reakcji w stawach oraz wartości sił mięśniowych dla każdej z wyselekcjonowanych osób. Dane posłużyły do obliczenia wzorca wyznaczonych wielkości dla wyselekcjonowanych przez terapeutów czynności ruchowych. Wyniki wypadkowych reakcji i momentów w stawach po odniesieniu do masy osób badanych przedstawiono na wykresach czasowych. Wykreślono również maksymalną aktywność mięśniową dla poszczególnych mięśni w modelu kończyny górnej. 4. WNIOSKI Wykorzystanie systemu Wirtualnej Jaskini pozwoliło na wzrost motywacji do wykonywania założonych w scenariuszu ćwiczeń. Osoby ćwiczące miały wrażenie przebywania w świecie 3D, grania w przygotowaną grę, przez co nie skupiały się na badaniach co może wpłynąć na bardziej zbliżone do rzeczywistości wyniki pomiarów. Opracowana metodyka pozwalająca na obliczanie obciążeń w układzie szkieletowo mięśniowych posłuży celom diagnostycznym do oceny stopnia niepełnosprawności kończyn górnych. Opracowane wyniki badań stanowią bazę danych określających prawidłowo wykonywane w aplikacji czynności. Metodyka pozwoli na opracowanie systemu automatycznego wspomagania diagnostyki oraz oceny postępów rehabilitacji w obrębie kończyn górnych. LITERATURA [1] A.M.A. Chan, A.C. Nicol : A new portable 3-D gyroscope system for the evaluation of

upper limb function, Bioengineering Unit, University of Strathclyde, [2] Bober T., Zawadzki J., : Biomechanika układu ruchu człowieka, Katedra Biomechaniki

Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, Wrocław 2003, [3] Quentala C., Folgadoa J., Ambrósioa J., Monteiro J.: Critical analysis of musculoskeletal

modelling complexity in multibody biomechanical models of the upper limb, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 24 Oct 2013.