Исследование движения нижних конечностей человека при ходьбе с использованием технологий инерциального захвата движения

ЛАЗЕРНЫЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 681.2-5

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ХОДЬБЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ИНЕРЦИАЛЬНОГО

ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЯ А.О. Кузнецов, В.М. Мусалимов

Исследованы методы измерения параметров движения нижних конечностей опорно-двигательного аппарата человека. Основное внимание уделено исследованию параметров цикла ходьбы. Применена технология инерциального захвата движения. Проведены эксперименты по исследованию ходьбы человека с использованием беспроводных измерительных устройств, оснащенных акселерометрами. Выбрана и описана методика проведения исследования параметров цикла ходьбы. Уделено внимание методике выбора мест крепления измерительных устройств на теле человека с использованием опыта специалистов Научно-исследовательского детского ортопедического института им. Г.И. Турнера (г. Санкт-Петербург, Россия). Описана конфигурация фаз движения нижних конечностей человека при ходьбе, показано соответствие фаз движения полученным в экспериментах данным.

Ключевые слова: биомеханика, опорно-двигательный аппарат человека, захват движения, беспроводные измерительные устройства.

Введение

Опорно-двигательный аппарат (ОДА) составляет около 75% веса тела и выполняет функции опоры, движения и защиты внутренних органов от повреждения. Болезни костно-мышечной системы в структуре первичной инвалидности по классам заболеваний составляют 9,3% среди взрослого населения и 5,7% среди детского населения (по данным ФГУ «Главное бюро медико-социальной экспертизы» за 2011 г.). В связи с этим повышение качества оказания медицинской помощи при заболеваниях и травмах ОДА является актуальной задачей.

Основные направления разработок в данной области - это автоматизация измерений, биомеханический анализ движений, поиск зависимостей сроков и характера восстановления ОДА от типа проводимой реабилитации. Авторы проанализировали ряд существующих моделей анализа движений человека. Основная проблема этих систем - инвариантность оценки параметров движения ОДА относительно погрешности монтирования измерительных устройств на человеке. Другая проблема - создание амбулаторных тренажеров, которые могут обеспечить проведение реабилитационных мероприятий вне специально оборудованного места. Такие тренажеры должны быть оснащены измерительной системой, а также рекомендациями по модификации реабилитационного плана в зависимости от образа жизни исследуемого человека.

Описание задачи и процедуры измерения

Для оценки состояния нижних конечностей человека необходимо собрать данные о перемещениях частей его тела в нормальных условиях. Чаще всего для таких целей используют хождение по прямой, которое легко имитировать в лабораторных условиях. Достаточно предложить человеку пройтись по прямой в помещении. При выполнении этого задания ОДА будет выполнять набор движений, привычных для него. В процессе исследования измеряются параметры движения частей тела человека.

Для исследовательских целей необходимо отобрать оборудование, отвечающее следующим требованиям:

1. простота установки на теле человека;

2. возможность контроля движения разных точек тела.

При этом важно, чтобы данные были корректны. Это значит, что измерения параметров движения человека при одинаковых условиях эксперимента должны быть равны. Для проверки этого необходимо провести несколько повторов обследования параметров походки и сравнить данные.

В качестве измерительных устройств были выбраны беспроводные измерительные модули с акселерометрами [1]. Благодаря отсутствию проводов и малым габаритам их легко можно разместить в необходимой точке тела. Модули передают данные о значениях трех проекций ускорения на компьютер с использованием Bluetooth. Модули устанавливаются на тело человека с помощью пластыря Curofix. Он специально разработан для фиксации повязок на коже. Пластырь позволяет плотно крепить модуль, исключая перемещение и вращение его по поверхности. Малый вес модуля (около 12 г) не оказывает значительного влияния на движения пациента.

Важно правильно выбрать место установки измерительных модулей. Базовым объектом ОДА можно считать костный скелет. Слои мускулов, связок, жира и кожи вносят помехи в данные о парамет-

7

рах движения скелета. При выборе места крепления необходимо по возможности минимизировать это влияние. В частности, можно использовать антропометрические точки на теле человека, характерные для медицинской практики. Как правило, это места, где кожа прилегает к кости без других прослоек. Их используют для определения антропометрических параметров человека (например, длины рук).

Параметры походки включают в себя описание шага. Наиболее выраженно ускорения проявляются, если измерительные модули установлены на стопе. Для этого было произведено сравнение данных с модулей, установленных на стопу, голень, бедро и таз человека.

Стопа - это место контакта человека с поверхностью, и она принимает на себя удар при ходьбе. Она имеет сложное строение [2]. Для более полного понимания поведения стопы модули устанавливаются на пятку и подъем стопы (рис. 1). Это позволяет полностью контролировать взаимодействие стопы с поверхностью во время работы ноги по переносу центра тяжести в течение одного периода шага. Кроме того, между устройством и костью в этих местах располагается только слой кожи, что минимизирует шум в данных.

Рис. 1. Схема (а): 1, 2 - измерительные устройства и (б) место установки устройств на человеке

120

100

, 80 о

£ 60

%0 20 0

/С ___

1 28 55 82 109 t, 0,01 с а

100 80 60 40

20

136 163

t, 0,01 с в

1

j

1

А V_ ш Яд-,

28 55 82 109 t, 0,01 с

б

136 163

140

120 100

(N

I 80

<3-60

40 20 0

¿It.....^^L-

1

28

55 82

t, 0,01 с г

109 136 163

Рис. 2. Повторяемость данных о движении: подъем левой ступни (а); подъем правой ступни (б); пятка левой ноги (в); пятка правой ноги (г). По оси ординат указаны значения модуля ускорения а

B выбранных местах стопы исследуемого человека устанавливаются модули. Они синхронно начинают передавать данные.

Задачи, которые должен выполнить исследуемый человек, выбраны на основе работ [3-5]:

1. статика;

2. ходьба по прямой;

3. повтор статики.

1

0

Измерительные модули передают информацию о движении частей тела, к которым они присоединены. Это значит, что четыре измерительных модуля, установленных на стопы, будут передавать данные о движении по 12 каналам (проекции ускорения по осям Х, У, 2). Человек выполняет одно и то же задание 10 раз. Измерительные модули в процессе повторения не снимаются.

Оценка получаемых данных

Очень важна задача оценки самоподобия данных о движении. Если графики интервалов разных циклов шага, полученные от устройства, закрепленного в определенном месте тела человека, будут подобны, то методику измерения можно использовать для анализа параметров движения.

На всех полученных графиках (рис. 2) ясно видны мгновенные увеличения ускорения, свидетельствующие о контакте стопы с полом. Интервал между такими увеличениями равен периоду шага. Для сравнения периодов шага на каждом графике были выделены 2 цикла. Графики циклов шага накладывались друг на друга. На графиках видно, что разброс в определении длительности периода цикла шага равен 0,1 с. Длительность периода цикла шага в среднем равна 2 мин. Кроме того, стоит отметить, что в измеренных данных можно выделить только 2 цикла. Один из них - это цикл начала движения, второй -торможения. Если в эксперименте человек будет делать более 3 шагов, то можно будет анализировать цикл стабильного движения. Это может уменьшить погрешность измерения периода цикла шага. Но и по полученным данным можно говорить о том, что повторяемость значений хорошая.

Конфигурация фаз движения

Существуют следующие фазы шага [6]:

1. опорный - нога контактирует с полом;

2. двуопорный - обе ноги на полу;

3. перенос - нога перемещается по воздуху.

Имеется более подробное описание этих фаз [7]. В этом описании особое внимание уделено работе различных мускулов в перемещениях ОДА (рис. 3).

Рис. 3. Графические представления цикла шага

Анализируя фазы ходьбы, можно отметить два ключевых события - наступление на пятку, отрыв подъема ноги.

Во время наступления на пятку центр масс человека движется прямо и вниз. Импульс падающего тела через стопу передается полу. Если пол - абсолютно твердое тело в рассматриваемых условиях, то скорость стопы падает до нуля. Устройство фиксирует это мгновенным значительным увеличением значения ускорения и последующим снижением его после того, как энергия перешла в пол. Изменение значения ускорения в течение этого события должно быть наибольшим на протяжении интервала цикла шага. После этого человек смещает точку опоры с пятки на носок стопы. Когда точка опора находится на носке, человек отталкивается ногой. Таким образом, он полностью переносит точку опоры на другую ногу. Итак, сначала человек разгибает голеностопный сустав, отталкиваясь от пола. Потом происходит отрыв носка от пола, после чего сустав некоторое время разгибается, так как икроножный мускул продолжает работать.

Анализ экспериментальных данных

На рис. 4, а, приведены графики данных с устройств, установленных на пятку и подъем стопы. На рис. 4, б, указана схема сил, действующих на ногу в тот же момент времени. Всего выделено пять этапов цикла шага, обозначенных на рис. 4, б.

При описании используются следующие понятия: сила гравитации, влияющая на центр масс человека (mg); сила реакции опоры (V); сила действия ног (Р); моменты сил, изменяющие положение ноги человека во время движения (М1, М2, М3).

На первом этапе после контакта правой ноги с полом возникает сила реакции опоры в пятке. Тело движется под воздействием взаимодействия силы тяжести (mg), силы отталкивания левой ноги (V) и момента силы бедра (М1). Также в этом движении участвуют мускулы туловища человека, но они здесь не рассматриваются. В результате работы всех сил происходит перемещение центра опоры с пятки в центр стопы с одновременным падением подъема стопы на пол.

На втором этапе центр опоры находится на середине стопы, она покоится на полу. Тело движется большей частью по инерции, противодействуя силами ноги (Р) силе тяжести (mg).

120

100

I

0 0,01 0,21 0,41 0,61 0,81 1,01 1,21 1,41 1,61 /, с

подъем правой стопы правая пятка

а

Рис. 4. Соответствия между данными (а) - сплошной линией обозначен график изменения ускорения устройства, установленного на подъеме стопы, пунктирной - на пятке; иллюстрация теории движении (б) -обозначены 5 этапов: I - начало одноопорного периода, контакт стопы с полом; II - одноопорный период;

III - двуопорный период; IV - период переноса; V - окончание периода переноса

На третьем этапе человек отталкивается ногой от пола силой Р. При этом центр опоры переходит с середины на носок стопы с одновременным отрывом стопы от пола. Движение происходит под влиянием взаимодействия силы толчка правой ноги Р и силы тяжести mg.

На четвертом этапе стопа движется сначала по инерции, а потом - под воздействием разгибающих сил тазобедренного (М1) и коленного (М2) суставов, а также сгибающей силы голеностопного (М3) сустава. Вся нагрузка переходит к левой ноге.

На пятом этапе происходит падение стопы к полу под воздействием силы тяжести (/ид) и толчка левой ноги (Р).

Как видно по графику на рис. 4, а, данные с устройств позволяют определить промежутки каждого из этапов, и они соответствуют описательной модели. Это предельно упрощенная модель, а график движения - сложный. Это говорит о том, что не учтено множество факторов движения. Самый главный -перемещение и вращение в пространстве инерциальной системы координат самого чувствительного элемента. Основная задача моделирования состоит в восстановлении графиков движения по заданной математической модели.

Заключение

В ходе исследований были получены теоретические и практические результаты, что необходимо для оценки правильности созданной математической модели. Метод использования инерциальных уст-

ройств для измерения движений человека был разработан для получения некоторых численных результатов. Применение этого метода на практике показало, что он может быть использован для получения объективного параметра, описывающего движение человека.

Продолжение этой работы направлено на разработку средств активной реабилитации с использованием высокотехнологичных устройств, оснащенных моторным приводом. Математическая модель может быть использована в качестве контрольного элемента работы двигательной системы такого устройства. Его главной задачей является прогнозирование движения человека для оценки нагрузки на целевой сустав.

Литература

1. Умный спорт [Электронный ресурс]. - URL: http://www.smartsport.org, свободный. Яз. рус. (дата обращения 10.05.2013).

2. Неттер Ф. Атлас ататомии человека. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. - 600 с.

3. Jansen B., Tan M., Bautmans I., Keymolen B. Van, Mets T., Deklerck R. Аcelerometer based gait analysis multi variate assessment of fall risk with fd-neat [Электронный ресурс]. - URL: http://www.etro.vub.ac.be/PUB_Files/IRIS/bjansen/BiosignalsJansen2011.pdf, свободный. Яз. рус. (Дата обращения: 04.05.2013).

4. Bugane F., Benedetti M.G., Casadio G., Attala S., Biagi F., Manca M., Leardini A. Estimation of spatial-temporal gait parameters in level walking based on a single accelerometer: Validation on normal subjects by standard gait analysis // Computer methods and programs in biomedicine. - 2012. - V. 108. - № 1. - P. 129137.

5. Sant'Anna A., Wickstrom N. A linguistic approach to the analysis of accelerometerdata for gait analysis // Proceedings of the 7th IASTED International conference on biomedical engineering. - 2010. - P. 8-16.

6. Ayyappa Ed. Normal Human Locomotion. Part 1: Basic Concepts and Terminology // JPO Journal of Prosthetics & Orthotics. - 1997. - V. 9. - № 1. - P. 10-17.

7. Капанджи А.И. Нижняя конечность. Функциональная анатомия. - М.: Эксмо, 2010. - 352 с.

Кузнецов Артем Олегович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, аспирант; ООО «Биотелемеханика», директор; ak@smartsport.org Мусалимов Виктор Михайлович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, musvm@yandex.ru