Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00121 005561 13091716 na godz. na dobę w sumie
Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka - ebook/pdf
Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka - ebook/pdf
Autor: Liczba stron:
Wydawca: AWF Warszawa Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-89630-72-8 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> naukowe i akademickie
Porównaj ceny (książka, ebook, audiobook).

Celem niniejszej pracy było opracowanie i uzasadnienie wyboru metod pomiarowych do oceny układu ruchu człowieka przydatnych do celów optymalizacji leczenia i rehabilitacji. Przedstawiono przegląd piśmiennictwa dotyczący metrologicznych aspektów biomechanicznej diagnostyki układu ruchu. Szczególną uwagę w przeglądzie literatury przedmiotu poświęcono rozwojowi metod diagnostycznych dotyczących oceny cech fizycznych człowieka w Polsce. Dokonano krytycznej analizy metod oceny funkcjonalnej narządu ruchu stosowanej w klinikach. Stwierdzono, że w porównaniu do zaawansowanych metod diagnostyki, jakie stosuje się w sporcie wyczynowym, kliniczna ocena funkcjonalna narządu ruchu opiera się wyłącznie na testach nie spełniających warunków wymaganych do obiektywnej oceny funkcjonalnej układu ruchu, czyli nie opiera się na metodach pomiaru bezpośredniego i zasadach metrologii. Dokonano wyboru metod pomiarowych przydatnych do oceny siły mięśniowej wybranych stawów. Przeprowadzono pomiary statycznych momentów siły w stawach: łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych oraz pomiary podczas prób stabilograficznych na młodych i zdrowych ochotnikach, w zdecydowanej większości studentach Akademii Wychowania Fizycznego w Warszawie. Łącznie dla celów niniejszej pracy przebadano 1122 osoby. W pomiarach statycznych momentów sił rozwijanych w stawie łokciowym uczestniczyło 101 kobiet i 99 mężczyzn. Pomiarów dokonano na prototypowym stanowisku w pozycji leżenia przodem w położeniach kątowych stawu od pełnego wyprostu co 15° do 165°. Mierzono momenty sił podczas zginania i prostowania. Pomiarów momentów sił w stawie biodrowym dokonano na 80 kobietach i 80 mężczyznach.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Akademia Wychowania Fizycznego Józefa Piłsudskiego w Warszawie Michał Wychowański WYBRANE METODY OCENY DYNAMIKI UKŁADU RUCHU CZŁOWIEKA Warszawa 2008 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Komitet Redakcyjny Przewodniczący Sekretarz Członkowie – Jerzy Kosiewicz – Tomasz Gabryś – Krzysztof Klukowski Andrzej Kosmol Jerzy Nowocień Anna Pawlikowska-Piechotka Recenzenci prof. dr hab. T. Bober prof. dr hab. med. K. Klukowski Studia i Monografi e nr 127 ISBN 978-83-89630-72-8 @ Copyright by Akademia Wychowania Fizycznego Wszystkie prawa zastrzeżone. Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości lub części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione. Redakcja i korekta techniczna – Joanna Kłyszejko Projekt okładki – Waldemar Dorcz Wydawnictwo AWF Objętość 9,60 aw Warszawa 2008 Nakład 2000 egz., druk w seriach Wydanie I Format B-5 Skład, łamanie, druk: Agencja Reklamowo-Wydawnicza A. Grzegorczyk www.grzeg.com.pl ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 3 Spis treści Streszczenie .................................................................................................... 5 1. Wstęp do zagadnienia identyfi kacji budowy i funkcji układu ruchu człowieka w kategoriach metodologii stosowanej w mechanice .......................................................................................... 9 1.1. Biomechaniczna charakterystyka układu ruchu człowieka .......... 22 1.2. Własności mechaniczne układu kostnego .................................... 25 1.3. Własności mechaniczne układu mięśniowego ............................. 28 1.4. Teorie sterowania mięśniami ........................................................ 32 1.5. Metody wyznaczania charakterystyk funkcjonalnych mięśni ...... 38 1.6. Wybrane problemy diagnostyki klinicznej układu ruchu w Polsce ........................................................................................ 42 1.7. Wnioski dotyczące aktualnego stanu wiedzy w zakresie klinicznej diagnostyki układu ruchu ............................................. 49 1.8. Cele i zakres pracy, hipotezy ........................................................ 52 Statyczne i dynamiczne charakterystyki układu ruchu człowieka .............................................................................................. 55 2.1. Charakterystyki statycznych momentów sił zginaczy i prostowników stawu łokciowego ............................................... 58 2.2. Statyczne momenty sił zginaczy, prostowników, odwodzicieli, przywodzicieli i rotatorów stawu biodrowego ............................. 65 2.3. Charakterystyki statycznych momentów sił zginaczy i prostowników stawu kolanowego .............................................. 69 2. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 2.4. Statyczne momenty sił zginaczy podeszwowych i grzbietowych stopy .................................................................... 73 2.5. Charakterystyka stanu utrzymywania równowagi w pozycji stojącej .......................................................................................... 78 2.6. Ocena skoczności, siły i mocy podczas wyskoku pionowego z miejsca ....................................................................................... 85 M. WYCHOWAŃSKI 2.7. Charakterystyki bioelektrycznej aktywności zginaczy i prostowników stawu łokciowego (EMG) .................................. 90 2.8. Podsumowanie dotyczące pomiarów statycznych i dynamicznych charakterystyk układu ruchu człowieka ..................................... 101 3. Wartości normatywne do oceny mięśni .......................................... 105 3.1. Normy statycznych momentów sił zginaczy i prostowników stawu łokciowego ....................................................................... 111 3.2. Normy statycznych momentów sił zginaczy, prostowników, przywodzicieli odwodzicieli oraz rotatorów stawu biodrowego ......114 3.3. Normy statycznych momentów sił zginaczy i prostowników stawu kolanowego ...................................................................... 122 3.4. Normy statycznych momentów sił zginaczy i prostowników stawu skokowo-goleniowego ..................................................... 125 3.5. Normy utrzymania równowagi ciała w pozycji stojącej ............ 128 3.6. System jednolitej klasyfi kacji siły mięśniowej i zdolności koordynacyjnych ........................................................................ 131 4 4. Identyfi kacja charakterystyk dynamicznych układu ruchu na przykładzie stawu łokciowego .................................................... 135 4.1. Model matematyczny zginania w stawie łokciowym ................. 136 4.2. Opis i wyniki eksperymentu ....................................................... 142 4.3. Identyfi kacja charakterystyk siłowo-prędkościowych mięśni zginających i prostujących kończynę w stawie łokciowym ......... 145 5. Dyskusja............................................................................................. 151 5.1. Krytyczna ocena stosowanych metod pomiarowych własności biomechanicznych układu ruchu ............................... 157 5.2. Wyniki badań dynamiki mięśni stawu łokciowego na tle danych literaturowych ...................................................... 161 5.3. Proponowana perspektywa dalszych badań ............................... 166 6. Podsumowanie................................................................................... 169 7. Piśmiennictwo ................................................................................... 171 Załączniki................................................................................................... 189 Spis tabel .................................................................................................... 193 Spis rycin.................................................................................................... 195 Spis wzorów ............................................................................................... 198 Contents ..................................................................................................... 200 Summary .................................................................................................... 202 List of tables............................................................................................... 205 List of fi gures ............................................................................................. 207 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 5 Streszczenie Celem niniejszej pracy było opracowanie i uzasadnienie wyboru metod pomiarowych do oceny układu ruchu człowieka przydatnych do celów optyma- lizacji leczenia i rehabilitacji. Przedstawiono przegląd piśmiennictwa dotyczący metrologicznych aspektów biomechanicznej diagnostyki układu ruchu. Szcze- gólną uwagę w przeglądzie literatury przedmiotu poświęcono rozwojowi me- tod diagnostycznych dotyczących oceny cech fi zycznych człowieka w Polsce. Dokonano krytycznej analizy metod oceny funkcjonalnej narządu ruchu stoso- wanej w klinikach. Stwierdzono, że w porównaniu do zaawansowanych metod diagnostyki, jakie stosuje się w sporcie wyczynowym, kliniczna ocena funkcjo- nalna narządu ruchu opiera się wyłącznie na testach nie spełniających warun- ków wymaganych do obiektywnej oceny funkcjonalnej układu ruchu, czyli nie opiera się na metodach pomiaru bezpośredniego i zasadach metrologii. Dokonano wyboru metod pomiarowych przydatnych do oceny siły mięś- niowej wybranych stawów. Przeprowadzono pomiary statycznych momentów siły w stawach: łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych oraz pomiary podczas prób stabilografi cznych na młodych i zdrowych ochotni- kach, w zdecydowanej większości studentach Akademii Wychowania Fizyczne- go w Warszawie. Łącznie dla celów niniejszej pracy przebadano 1122 osoby. W pomiarach statycznych momentów sił rozwijanych w stawie łokciowym uczestniczyło 101 kobiet i 99 mężczyzn. Pomiarów dokonano na prototypowym stanowisku w pozycji leżenia przodem w położeniach kątowych stawu od pełne- go wyprostu co 15° do 165°. Mierzono momenty sił podczas zginania i prosto- wania. Pomiarów momentów sił w stawie biodrowym dokonano na 80 kobietach i 80 mężczyznach. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku w pozycji półleżącej na plecach z kątem w stawie biodrowym 130° i tułowiem nachylonym pod kątem 30° do poziomu. Mierzono momenty sił podczas zginania, prostowa- nia, przywodzenia, odwodzenia, rotacji wewnętrznej oraz rotacji zewnętrznej. Izometryczne momenty sił w stawie kolanowym zbadano u 95 kobiet i 102 męż- czyzn. Pomiary odbyły się na specjalnym stanowisku w pozycji siedzącej z kątami w stawach biodrowych równych 90°. Zmierzono momenty sił podczas zginania ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 6 M. WYCHOWAŃSKI i prostowania w kątach stawowych od 90° co 15° do 165°. Statyczne momenty sił w stawie skokowo-goleniowym zmierzono na 110 kobietach i 110 mężczyznach. Badania przeprowadzono w pozycji siedzącej. Kąty w stawach biodrowych, ko- lanowych i skokowo-goleniowych wynosiły po 90°. Badania stabilografi czne przeprowadzono na 135 kobietach i 148 mężczyznach. Wykonano 30 sekundowe próby pomiaru drogi środka parcia stóp na podłoże w pozycji stania na dwóch koń- czynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach z oczami zamknię- tymi oraz na prawej i lewej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi, zgodnie z testem Romberga. W badaniach skoczności uczestniczyło 28 kobiet i 27 mężczyzn uczennic i uczniów szkół mistrzostwa sportowego siatkarek i siatkarzy. U badanych mierzono wysokość wyskoku na platformie dynamometrycznej, wy- sokość wyskoku w obronie i ataku, drogę środka parcia stóp na podłoże podczas prób stabilografi cznych oraz statyczne momenty sił stawu skokowo-goleniowego. W badaniach dynamiki stawu łokciowego, w ramach których przeprowadzono pomiary EMG, mięśnia dwugłowego ramienia i mięśnia trójgłowego ramienia, w warunkach statycznych i dynamicznych, uczestniczyło 7 mężczyzn. Na podstawie przeprowadzonych, na ludziach zdrowych i nie trenujących wyczynowo, badań statycznych momentów sił stawów łokciowego, biodrowe- go, kolanowego, i skokowo-goleniowego stwierdzono, że mężczyźni są istotnie silniejsi od kobiet i nie zauważono znamiennych różnic pomiędzy momentami siły lewej i prawej strony ciała w obu populacjach. Stwierdzono istotną zależność momentów siły od masy ciała. Zaobserwowano, że istnieje związek pomiędzy momentami sił rozwijanymi przez antagonistyczne grupy mięśniowe tego same- go stawu. Dotyczy to zginaczy i prostowników wszystkich badanych stawów oraz odwodzicieli, przywodzicieli i rotatorów stawu biodrowego. W badaniach stabi- lografi cznych nie stwierdzono różnic w sprawności mechanizmu utrzymywania równowagi pomiędzy kobietami i mężczyznami oraz pomiędzy lewą i prawą stroną ciała. Stwierdzono istotne różnice pomiędzy wynikami prób wykonywa- nych na dwóch kończynach dolnych z oczami otwartymi, na dwóch kończynach dolnych z oczami zamkniętymi, na jednej kończynie dolnej z oczami otwarty- mi oraz na jednej kończynie dolnej z oczami zamkniętymi. Stwierdzono istotny wpływ wysokości ciała na wyniki prób stabilografi cznych. Badania skoczności wraz z pomiarami statycznych momentów sił rozwijanych w stawach skokowo- goleniowych i próbami stabilografi cznymi, wykonane na siatkarkach i siatka- rzach nie pozwoliły na wykazanie wzajemnych związków pomiędzy wynikami tych pomiarów. Podobnie jak nie wykazano związku pomiędzy momentami sił zginaczy grzbietowych i podeszwowych stopy a sposobem utrzymywania rów- nowagi w grupach 33 kobiet i 40 mężczyzn. Nie stwierdzono związku pomiędzy skocznością mierzoną na platformie dynamometrycznej i podczas testu wyskoku dosiężnego w obronie jak i ataku. Stwierdzono wysokie współczynniki korelacji pomiędzy sygnałem EMG towarzyszącym działaniu mięśni, a momentem siły ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Streszczenie 7 rozwijanym przez mięśnie zarówno w wysiłkach statycznych jak i dynamicznych polegających na zginaniu w stawie łokciowym. Aktywność mięśni prostujących, czyli mięśni hamujących ruch zginania, rośnie wraz ze zmniejszeniem obciążenia zewnętrznego. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów polegających na minimalno-czasowym podnoszeniu ciężarków o różnej masie wykazano moż- liwość pomiaru charakterystyki siła-szybkość w sposób zaproponowany przez Hilla (Winters, 1990). Wykazano, że charakterystyka siłowo-szybkościowa może być pominięta w równaniu ruchu zginania w stawie łokciowym. Wyniki pomia- rów dużych grup ludzi młodych i o dobrej kondycji fi zycznej oraz przeprowadzo- ne eksperymenty praktyczne jak i symulacyjne potwierdzają dużą przydatność pomiarów statycznych momentów sił do oceny narządu ruchu. Na podstawie wniosków wynikających z przeprowadzonych pomiarów momentów sił mięśniowych opracowano sposoby obliczania wartości norma- tywnych pozwalających na oceną siły mięśni stawów łokciowych, biodrowych, kolanowych i skokowo-goleniowych u pacjentów i ludzi zdrowych. Opracowa- ne normy oceny siły mięśni uwzględniają wpływ płci, masy ciała oraz w przy- padku stawu łokciowego i kolanowego wpływ kąta stawowego na izometryczne momenty sił. Zakresy norm momentów sił w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego przedstawiono grafi cznie na wykresach przyjmując jako granice nor- my zakres: średnia ± 2 SD. Wyniki badań stabilografi cznych posłużyły do przy- jęcia sposobu obliczania wartości normatywnych dla prób stania na dwóch koń- czynach dolnych z oczami otwartymi i zamkniętymi oraz na jednej kończynie dolnej z oczami otwartymi i zamkniętymi. Do oceny sposobu utrzymywania równowagi u kobiet i mężczyzn zaproponowano ten sam sposób obliczania wartości normatywnych, które uwzględniają rodzaj próby oraz wpływ wysoko- ści ciała na drogę środka parcia stóp na podłoże podczas 30 sekundowej próby utrzymywania pionowej pozycji ciała. Normy stabilografi czne przedstawiono na wykresach przyjmując jako zakres normy: średnią ± 2 SD. Analizując dynamikę ruchu podnoszenia, w minimalnym czasie, ciężar- ków o różnej masie stwierdzono duże podobieństwo maksymalnego kąta zgięcia w stawie łokciowym dla wszystkich podnoszonych ciężarków. W sposób za- proponowany przez Hilla (Winters, 1990) wyznaczono charakterystykę maksy- malnych prędkości zginania w stawie łokciowym w zależności od obciążenia. Podjęto próbę identyfi kacji charakterystyki siła – szybkość zginania w stawie łokciowym. Zadanie zostało zrealizowane przy założeniu, na podstawie lite- ratury, znajomości charakterystyki siłowo-szybkościowej prostowników tego stawu. Wyniki identyfi kacji i symulacji komputerowych skłaniają do stwierdze- nia, że w równaniu ruchu opisującym dynamikę zginania w stawie łokciowym charakterystyka siłowo-szybkościowa mięśni nie występuje. Wyniki symulacji komputerowych zginania w stawie łokciowym potwierdzają możliwość predyk- cji ruchów dynamicznych, minimalno-czasowych, na podstawie zmierzonych ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 8 M. WYCHOWAŃSKI charakterystyk statycznych momentów siły mięśni i sygnałów EMG traktowa- nych jako sygnały sterujące. Brak zależności pomiędzy statycznymi momentami sił a wynikami testów koordynacyjnych wskazują na konieczność autonomicznej oceny potencjału si- łowego człowieka i jego zdolności koordynacyjnych. Te dwa aspekty, siłowy i techniczny, funkcjonowania układu ruchu są całkowicie niezależne i powinny być osobno oceniane. Brak zależności, u siatkarzy, pomiędzy skocznością mie- rzoną za pomocą platformy dynamometrycznej, a skocznością mierzoną rutyno- wo z zastosowaniem testów wyskoku dosiężnego potwierdza teorię Bernsteina o doskonaleniu procesów sterowania ruchami i był przesłanką wyboru metody oceny potencjału siłowego pacjentów przy użyciu pomiarów momentów sił mięśniowych w warunkach statycznych oraz wyboru sposobu oceny koordy- nacji podczas jednego z najbardziej zautomatyzowanych nawyków ruchowych, jakim jest utrzymywanie pionowej pozycji ciała. Reasumując należy stwierdzić, że wyniki przeprowadzonych badań włas- nych pozwalają na konkluzję, iż prawidłowa ocena funkcjonalna narządu ruchu w warunkach klinicznych wymaga zastosowania dwóch niezależnych metod pomiarowych: do oceny cech fi zycznych i do oceny zdolności koordynacyjnych pacjenta. Za najważniejszą cechę fi zyczną, z punktu widzenia leczenia i uspraw- niania narządu ruchu uznano siłę mięśni wybranych zespołów mięśniowych mie- rzoną w warunkach statycznych, a za najważniejszą cechę koordynacyjną drogę środka parcia stóp na podłoże podczas utrzymywania pionowej pozycji ciała. Krótsza droga środka parcia świadczy o sprawniejszym mechanizmie utrzymy- wania równowagi. Opracowano i sprawdzono na ludziach zdrowych protokoły badań statycznej siły mięśniowej jak i drogi parcia stóp na podłoże podczas prób stabilografi cznych. Stwierdzono brak różnic statystycznych pomiędzy siłą rozwi- janą przez zespoły mięśniowe prawej i lewej strony ciała, podobnie jak nie wykry- to różnic w sposobie utrzymywania równowagi podczas stania na prawej i lewej kończynie, u kobiet i mężczyzn. Potwierdzono bezsporny fakt mówiący o tym, że mężczyźni, w odniesieniu do wartości średnich dysponują większą siłą mięś- niową niż kobiety. Nie stwierdzono znamiennych statystycznie różnic w sposobie utrzymywania równowagi pomiędzy młodymi oraz zdrowymi kobietami i męż- czyznami. Opracowano, w formie wzorów matematycznych, wartości normatyw- ne do oceny siły mięśniowej w zależności od płci, masy ciała i kąta stawowego oraz wartości normatywne do oceny prób stabilografi cznych zależne wyłącznie od wysokości ciała. Na przykładach symulacji komputerowych dynamiki zginania w stawie łokciowym potwierdzono duże znaczenie diagnostyczne charakterystyk momentów sił mięśniowych mierzonych w warunkach statycznych. Wykazano podobieństwo kształtu charakterystyki siłowo-szybkościowej uzyskanej podczas podnoszenia ciężarków o różnej masie z maksymalną prędkością do charakte- rystyk siłowo-szybkościowych uzyskanych przez Fenna i Marsha w 1935 roku na szkieletowym mięśniu izolowanym żaby (Fenn i Marsh, 1935). ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 9 1. Wstęp do zagadnienia identyfi kacji budowy i funkcji układu ruchu człowieka w kategoriach metodologii stosowanej w mechanice W 1971 roku Morecki i wsp. opublikowali monografi ę „Bionika ruchu” (Morecki i wsp., 1971) dając tym wydarzeniem podwaliny rozwojowi biome- chaniki w Polsce. Trudno przecenić znaczenie tej monografi i w rozwoju pol- skiej biomechaniki oraz jej wpływu na kształtowanie się kierunków badań biomechanicznych na świecie. Zaproponowany przez autorów tytuł oddawał wiernie treść i sposób ujęcia materiału, chociaż pojęcie „bionika” nie przyję- ło się. Obecnie, zagadnienia zawarte we wspomnianej monografi i określane są jako biocybernetyka lub biomechanika. Autorzy „Bioniki Ruchu” dokonali analizy i klasyfi kacji strukturalnej układu ruchu człowieka, wprowadzili po- jęcie udziałów mięśni oraz przedstawili najważniejsze zagadnienia dotyczące sterowania mięśniami. Jako jedni z pierwszych stworzyli metodologiczne pod- stawy kompleksowego badania narządu ruchu człowieka. Badanie tak skom- plikowanego mechanizmu jakim jest człowiek autorzy bioniki oparli na pod- stawowych metodach badawczych stosowanych w naukach przyrodniczych to znaczy na pomiarach i modelowaniu. O przełomowym znaczeniu „Bioniki Ruchu” (Morecki i wsp., 1971) w metodologii badania ruchu człowieka, nie tylko w Polsce, mogą świadczyć liczne cytowania i odniesienia do wybra- nych zagadnień rozpatrywanych w omawianej pracy (Bieżanowska i Kędzior, 1981; Bieżanowska, 1982; Kornecki, 1986; Buśko i wsp., 1988; Dąbrowska, 1988; Winters, 1990; Stryła, 1991; Siemieński, 1994; Eliasz i wsp., 1994; Wychowański, 1994; Erdmann, 1995; Jaszczuk, 1995; Będziński, 1997; Michnik, 2002; Morecki i wsp., 2002; Ronikier, 2003a;). O nowatorskim wkładzie Moreckiego i wsp. w metodykę badania funkcjonalnego układu ru- chu świadczy także porównanie podejścia do tego zagadnienia jednego z wy- bitnych światowych prekursorów badania motoryczności człowieka Meinela ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 10 M. WYCHOWAŃSKI (1967), który przed pojawieniem się wyżej wymienionych publikacji do opisu zjawisk związanych z ruchem człowieka stosował wyłącznie opis słowny. Mimo ogromnego postępu technologicznego w ostatnich latach metody badania siły mięśni w czasie wysiłków statycznych jak i w ruchu nie zmieniły się w swoich podstawowych założeniach, zaproponowanych między innymi przez Fidelusa i Skorupskiego (1970) do oceny siły sportowców. W Polsce wielu autorów wykorzystało ideę oceny potencjału ruchowego człowie- ka do opracowywania urządzeń pomiarowych i wdrożenia ich, najczęściej do praktyki sportowej: Dworak (1987), Buśko i wsp. (1988), Wychowański (1988, 1994, 1998), Wit (1992), Eliasz i wsp. (1994), Bober (2003), Trzaskoma i wsp. (2004), Buśko (2006). Obecnie dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod pomiaru sił i wprowadzeniu elektronicznej techniki cyfrowej istnieje wiele różnych stanowisk pomiarowych pozwalających na badanie głównych zespołów mięśni szkieletowych narządu ruchu człowieka w warunkach sta- tycznych i w ruchu. Stanowiska pomiarowe są zautomatyzowane jeśli chodzi o pomiary oraz realizację obciążeń pokonywanych przez badanego i dostar- czają wielu charakterystyk dynamicznych wybranego zespołu mięśniowego jak to ma miejsce w przypadku stanowiska opracowanego przez Mianowskiego (1993). W pomiarach sił mięśniowych oprócz wysiłków w warunkach izome- trycznych wyodrębniono badania przy koncentrycznej i ekscentrycznej pracy mięśni, jak na przykład w pracy Pincivero i wsp. (2006). Z uwagi na rodzaj siły obciążającej badany staw, zarówno w pracy ekscentrycznej jak i kon- centrycznej pomiary prowadzone są dla izokinetycznego lub izotonicznego obciążenia zewnętrznego (Backman i Oberg, 1989; Kuchta, 1997; Luh i wsp., 1999; Trappe i wsp., 2001). Pierwsze modele sterowania ruchami ludzkimi powstały w połowie ubie- głego stulecia. Prekursorem tych badań i twórcą teorii sterowania ruchami ludzkimi był Mikołaj Bernstein (1896 – 1966) neurofi zjolog rosyjski, twór- ca pojęcia biomechanika jako określenia nauki o ruchu żywych organizmów. Dubowskij i Fiedorowa, (2003, str. 13) uważają biomechanikę jako „jedną z najstarszych gałęzi biologii”. Współczesna defi nicja biomechaniki zapropo- nowana przez Nigga i Herzoga (1995, str. 2): „Biomechanika jest to nauka, która bada siły działające wewnątrz i na żywe organizmy oraz efekty działania tych sił” wywodzi się z założenia Bernsteina. Bernstein korzystając przede wszystkim z teorii Pawłowa o odruchach warunkowych opracował w latach 1947 – 1957 fundamentalny model opisujący sposób sterowania ruchami ludzi i zwierząt. W myśl założeń Bernsteina istota sterowania polega na nadążnym porównywaniu wartości pożądanej, którą wypracowuje człowiek w trakcie uczenia się jako program ruchu, z faktyczną wartością bieżącą parametrów ruchu (Morecki i wsp., 2002, str. 311). Podsumowaniem badań dotyczących koordynacji i problematyki sterowania ruchami ludzkimi tego autora była pra- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 11 ca opublikowana w 1967 roku (Bernstein, 1967), już po jego śmierci. Istotny wkład w rozwój teorii sterowania ruchami człowieka wniósł Hatze (1981a; 1986; 2000) tworząc rozbudowane modele sterowania mięśniami człowieka na poziomie makro i mikro (Hatze, 2001; Hatze, 2002). Pełne wykorzysta- nie tych modeli będzie możliwe w przyszłości, gdy uda się lepiej niż obec- nie zidentyfi kować charakterystyki mięśni in vivo. Aktualny stan wiedzy na temat mechaniki mięśni zawierają monografi e: Funga (1981), Gatto i Schwanellego (1990), Wintersa (1990), Nigga i Herzoga (1995), Wintera (1995b), Epsteina i Herzoga (1998), Zatsiorskiego (1998), Herzoga (2000a, 2000b) oraz Semmlera i Enoki (2000). Autorzy przedstawiają modele opi- sujące przede wszystkim zależności siły mięśnia od jego długości oraz cha- rakterystyki siłowo-szybkościowe mięśni oparte na klasycznych modelach Hilla (1938), Huxleya (1957) i Wilkiego (1985). Upłynęło kilkadziesiąt lat od chwili gdy w 1923 roku Hill otrzymał nagrodę Nobla za badania „nad przemianą materii i energii w pracującym mięśniu” (Hill, 1934, str. X). Me- chanika mięśni jest obecnie jednym z głównych zagadnień podejmowanych przez biomechaników. Prace badaczy zajmujących się miologią koncentrują się głównie na problemach poznania budowy i wyjaśnienia zjawiska skur- czu mięśnia na poziomie molekularnym (Herzog, 2000a; Yoshida, 2000; Hatze, 2002; Bhargawa i wsp., 2004; Saito i wsp., 2006). Najnowsze ten- dencje modelowania mięśni opisuje praca Walcotta i wsp. (2006). Identyfi - kacji takich charakterystyk geometrycznych jak długość i bierne właściwo- ści mięśnia (Grieve i wsp., 1978; Woo i wsp., 1993; Hawkins i Bey, 1997) jego wymiary przestrzenne (Gatto i Swannell, 1990; Tognella i wsp., 1997; Ilnicka, 1999), kierunki przebiegu włókien mięśniowych, kierunki działania sił i ramiona działania sił mięśniowych (Spor i Van Leeuwen, 1992; Murray i wsp., 1995; Monti i wsp., 1999; Krevolin i wsp., 2004; Nijhof i Gabriel, 2006). Identyfi kacji udziałów mięśni w określonych zadaniach ruchowych (Youm i wsp., 1979; Zhang i Nuber, 2000; Li i wsp., 2006). Identyfi kacji charakterystyk siła-szybkość jednostek motorycznych, pojedynczych mięś- ni oraz zespołów mięśniowych (Van Ingen Schenau i wsp., 1984; Winters, 1990; Van der Helm, 1994; Monti i wsp., 1999; De Ruiter i wsp., 2000; Komi i Ishikawa, 2000; Refl ections on the force-velocity curve, 2004). Wyjaśnieniu sposobu sterowania mięśniami wykonującymi świadomie określone czynno- ści (Hatze, 1981a; Zmysłowski, 1991; Gribble i wsp., 1998; Semmler i Enoka, 2000; Hatze, 2001; Wychowański i wsp., 2004; Wychowański i wsp., 2006a; Wychowański i wsp., 2006b). Modelowaniu i optymalizacji złożonych czyn- ności ruchowych człowieka (Garg i Walker, 1990; Maroński, 1990; Maroński, 1991; Fidelus i wsp., 1995; Gerritsen i wsp., 1996; Marczewski i Krężałek, 1997; Wojnarowski i Margielewicz, 2004; Nagano i wsp., 2006). Wpływu zmęczenia na wykonanie zadań ruchowych (Enoka i Stuart, 1992; Haw- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 12 M. WYCHOWAŃSKI kins i Hull, 1993; Roman-Liu i wsp., 1997; Pietraszewski i Siemieński, 2003; Pincivero i wsp., 2006; Piscione i Gamet, 2006). Wpływowi starzenia się na stan i funkcjonowanie mięśni (Lindle i wsp., 1997; Weinans, 1999; Lanza i wsp., 2003; Laughton i wsp., 2003; Lauretani i wsp., 2003; Rantanen, 2003). Nie wszystkie charakterystyki układu ruchu człowieka można zmie- rzyć bezpośrednio dlatego stosuje się metody identyfi kacji matematycznej (Eykoff, 1980; Kowalska i Wicher, 1984; Dąbrowska, 1988; Levinson i wsp., 1995; Söderström i Stoica, 1997). W badaniach zachowania się człowieka w różnych procesach sterowania czy uczenia się, na przykład: w działaniu nadążnym, w badaniach układów biologicznych takich jak układ nerwowo- mięśniowy, układu sterowania źrenicy oka, sterowania kończynami i wielu innych bardzo przydatne okazały się metody matematycznej estymacji pa- rametrów i funkcji (Eykoff, 1980). Identyfi kacja systemów jest działem matematycznego modelowania systemów na podstawie badań eksperymen- talnych (Söderström i Stoica, 1997). Na wykorzystaniu matematycznej iden- tyfi kacji systemów do badania układu ruchu człowieka opierają się prace: Weryńskiego (1979), Korneckiego (1984), Dąbrowskiej (1988), Raikovej (1999), Blajera i Mazura (2003a, 2003b), Blajera i wsp. (2006a, 2006b). Istotnych informacji na temat obciążeń układu ruchu mogą dostarczyć badania symulacyjne różnych działań ruchowych człowieka. Szczególne znaczenie ma to w przypadku większości dyscyplin sportowych, w których dochodzi do ciągłego i długotrwałego obciążenia stawów. Przede wszystkim kolano współczesnego człowieka jest najbardziej zagrożonym uszkodzeniami stawem organizmu ponieważ jest ono połączeniem długich dźwigni łańcu- cha kinematycznego, nie posiada odpowiedniej osłony mięśniowej, a często szczególnie w sporcie podejmowane są wysiłki na pograniczu fi zycznych możliwości ciała (Dziak i Tayara, 2000). Według tych autorów sytuację po- garsza fakt że sport wyczynowy i narastająca moda na przedłużanie sprawno- ści fi zycznej i pomnażanie zdrowia wybitnie zwiększają istniejące zagrożenia stawu kolanowego. Co więcej, wypada nadmienić, że o ile nowoczesne buty narciarskie i wiązania wyraźnie zmniejszyły liczbę urazów stawu skokowego, to z kolei zwiększyły znacznie liczbę uszkodzeń stawu kolanowego. Mimo wielkiej wytrzymałości więzadła rzepki wielokrotnie powtarzane mikrourazy spowodowane biomechanicznymi przeciążeniami są w stanie je uszkodzić, szczególnie na podłożu pierwotnie upośledzonego mikrokrążenia w obrębie dolnego bieguna rzepki – dochodzi do entezopatii więzadła rzepki czyli tak zwanego kolana skoczka (Dziak i Tayara, 2000). Biomechaniczne przyczyny powstawania kolana skoczka u skoczków narciarskich wyjaśnili za pomocą sy- mulacji komputerowej fazy lądowania Skórska-Oknińska i Maryniak (2004). Autorzy stwierdzili, że wartość pionowych obciążeń, działających w stawach kolanowych zawodników rośnie wraz z długością skoku. Im dłuższy skok, ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 13 tym większe siły działają na skoczka. Są one na tyle duże, że w realny sposób zagrażają zawodnikowi, i można powiedzieć, że skoki o największej długoś- ci oddawane są na granicy bezpieczeństwa (Skórska-Oknińska i Maryniak, 2004). Wyniki tego typu badań mają bardzo duży wpływ na zwiększenie bez- pieczeństwa w sporcie poprzez odpowiednią konstrukcję zeskoku i stosowa- nie przez zawodników optymalnej, ze względu na minimalizację obciążeń i wynik sportowy, techniki ruchu. Powszechnie wiadomo, że bardzo duża częstość występowania zespołów bólowych kręgosłupa jest trudnym problemem medycznym i społecznym. Jed- ną z przyczyn występowania schorzeń kręgosłupa jest wyczynowe uprawia- nie sportu. Monografi a Ogurkowskiej (2007) dotyczy zmian strukturalnych i funkcjonalnych kręgosłupa lędźwiowego u zawodników wyczynowo upra- wiających wioślarstwo. Autorka przeprowadziła badania na 20 zawodnikach, członkach kadry narodowej w wieku 21 do 34 lat trenujących średnio około 13 lat. Przeprowadzono badania kręgów L1 – L5 metodą tomografi i kom- puterowej, ocenę geometrii kręgosłupa za pomocą goniometrów elektrycz- nych, zmierzono kąty pochylenia miednicy, przeprowadzono testy kliniczne Thomasa oraz zastosowano metodę elementów skończonych do oceny wy- trzymałości i kinematyki segment u L4 – L5. Biomechaniczna analiza skutków obciążeń kręgosłupa pozwoliła wykazać, że wyczynowe uprawianie wioślar- stwa prowadzi do trwałych zmian przeciążeniowych w odcinku lędźwiowym kręgosłupa już w trzeciej dekadzie życia. Wieloletnie wyczynowe uprawianie wioślarstwa prowadzi do zamierania kręgów z powodu braku ich dostateczne- go odżywiania. Autorka opracowała metody symulacyjne pozwalające leka- rzom i fi zjoterapeutom na diagnozowanie i planowanie terapii chorób wywo- łanych długotrwałymi przeciążeniami lędźwiowego odcinka kręgosłupa. W literaturze biomechanicznej znajdują się nieliczne próby optymaliza- cji, na modelach matematycznych, wybranych działań ruchowych ze względu na przyjęte kryterium. Siemieński (1992, 1994, 2006) podjął próby określenia kryteriów optymalizacji współdziałania aktonów mięśniowych przydatnych do określenia udziałów mięśni. Autor dokonał przeglądu literatury dotyczącej metod optymalizacji współdziałania mięśni i zanegował skuteczność opub- likowanego przez Weber W. i Weber E. w 1836 roku, według (Siemieński, 1992), kryterium najmniejszego naprężenia mięśni. Zaproponował kryterium łagodnego nasycenia, które zweryfi kował na przykładach porównując własny, optymalny przebieg sterowania z kształtem sygnału EMG mięśni stawu bio- drowego i kolanowego. Optymalizacja sposobu wykonania zadań ruchowych, czyli techni- ki ruchu, rozwinęła się głównie w aspekcie techniki sportowej w pracach Marońskiego (1990, 1991, 1995) Marczewskiego i Krężałka (1997). W przy- padku optymalizacji techniki sportowej łatwo można sformułować funkcjonał ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 14 M. WYCHOWAŃSKI kryterialny, inaczej funkcję celu oraz ograniczenia (Kurcyusz, 1982; Stachurski i Wierzbicki, 1999), które są jednoznacznie zdefi niowane w przepisach spor- towych określonej konkurencji. Funkcją celu jest prawie zawsze wynik spor- towy, a ograniczenia wynikają z przepisów sportowych i bezpieczeństwa zawodników. Pewnym rodzajem optymalizacji techniki ruchu są zagadnie- nia doboru i trymowania sprzętu sportowego odpowiednio do cech fi zycz- nych zawodnika i warunków atmosferycznych. Metodę doboru czyli opty- malizacji wiosła kajakowego w konkurencji kajaków jedynek zaproponował Wychowański (1994). Bober (2003) przeprowadził ocenę potencjału rucho- wego człowieka na podstawie zmierzonych momentów sił głównych stawów człowieka oraz możliwości wykorzystania energii zmagazynowanej w ścięg- nach i mięśniach podczas cyklu rozciąganie-skurcz do doskonalenia techni- ki ruchu. Ze względu na złożoność procesu sterowania ruchami przez układ nerwowy (Bernstein, 1967; Weryński, 1979; Enoka i Stuart, 1992; Grottel i Celichowski, 1992) wyniki optymalizacji techniki ruchu a przede wszystkim ich praktyczne zastosowanie są zwykle dalekie od oczekiwań. Do celów analizy statycznej i dynamicznej układu ruchu człowieka nie- zbędna jest znajomość danych antropometrycznych, to jest wymiarów geo- metrycznych ciała od wymiarów włókien mięśniowych po dane o ogólnej masie ciała, rozłożenie tych mas w poszczególnych segmentach ciała, położe- nia ogólnego środka masy oraz środka masy w segmentach, a także wartości momentów bezwładności. Dane te są potrzebne do opisu cech ciała jednej badanej osoby lub scharakteryzowania całej badanej populacji (Fidelus, 1972; Batogowska, 1996; Morecki i wsp., 2002). Antropometria jest najstarszą ga- łęzią pomiarów biomechanicznych. Z punktu widzenia metrologii jest ona metodą stosunkowo najlepiej opracowaną, najczęściej stosowaną i najdo- kładniejszą, ponieważ dotyczy prawie wyłącznie pomiaru masy, długości, obwodów i kątów oraz nie zależy od zaangażowania psychicznego badanego (Batogowska, 1996; Ilnicka, 1999). Wyniki pomiarów antropometrycznych populacyjnych mają duże znaczenie poznawcze (Ilnicka, 1999), są wyko- rzystywane do symulacji komputerowych działań dynamicznych człowieka (Levinson i wsp., 1995; Murray i wsp., 1995; Veeger i wsp., 1997; Hughes i wsp., 1998; Nagano i wsp., 2006), w ergonomii (Nakajima i wsp., 1999; Reiter i wsp., 2004; Fraysse i wsp., 2006), w medycynie (Spor i Van Leeuwen, 1992; Zuurbier i wsp., 1994; Van Soest i wsp., 1995; Hasler i Herzog, 1998; Memberg i wsp., 2001), w sporcie do badania zagrożenia i wyjaśniania oko- liczności powodujących urazy (Garg i Walker, 1990; Kuchta, 1997; Liu i wsp., 1999; Skórska-Oknińska i Maryniak, 2004). W praktyce klinicznej w zdecy- dowanej większości analizowane są jednak przypadki urazów układu ruchu w zależności od jakościowych cech budowy anatomicznej, przykładem takie- go podejścia jest praca Józsa i Kannusa (1997). Na podstawie danych antropo- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 15 metrycznych i znajomości maksymalnych momentów sił analizuje się obcią- żenia wybranych elementów ciała człowieka, najczęściej kręgosłupa zarów- no podczas najprostszych czynności polegających na podnoszeniu ciężarów (Będziński, 1997; Brinckmann i wsp., 2002; Dubowskij i Fiedorowa, 2003; Duda i Heller, 2003) jak i w sytuacji ekstremalnych obciążeń, które występują na przykład podczas próby zderzeniowej samochodu osobowego (Morecki i wsp., 2002, str. 572-575). Rodzajem pomiarów antropometrycznych są ba- dania zmierzające do określania parametrów i charakterystyk tkanek w celach poznawczych i diagnostycznych. Do badania własności mechanicznych tka- nek oraz w diagnostyce medycznej stosuje się obecnie najbardziej zaawan- sowane technologicznie metody pomiarowe. Powszechnie stosowana meto- dą diagnostyczna jest ultrasonografi a (Levinson i wsp., 1995; Huijing, 1999; Reiter i wsp., 2004). Często do badań obrazowych wykorzystuje się metodę rezonansu mag- netycznego (Huijing, 1999; Kim i Eng, 2003), metody radiologiczne, na przy- kład z wykorzystaniem markerów implantowanych do kości (Högfors i wsp., 1991), mikroskopy elektronowe (Tracqul i Ohayon, 2006), fi lm o częstotli- wości fi lmowania większej niż standardowe 50 klatek na sekundę, na przy- kład do badania szybkich ruchów (Schneider i wsp., 1989). Ruch człowieka jest analizowany przede wszystkim na podstawie fi lmu. Badanie kinematyki ruchu polega na zarejestrowaniu ruchu badanej osoby, kamery podczas po- miarów nie zmieniają położenia oraz parametrów optycznych. Sfi lmowany ruch poddaje się następnie analizie kinematografi cznej. Obecnie do pomia- rów kinematografi cznych używa się wyspecjalizowanych, wydajnych syste- mów analizy ruchu. Najbardziej znane systemy analizy ruchu to Vicon, Elite i Ariel (Morecki i wsp., 2002, str. 540). Ruch człowieka analizuje się także za pomocą fotokomórek (Riskowski i wsp., 2005) i przyspieszeniomierzy (Lafortune, 1991; Mayagoita i wsp., 2002). Dla zwiększenia dokładności Lafortune (Lafortune, 1991) przymocował zestaw przyspieszeniomierzy przez- skórnie do kości piszczelowej. Dynamikę ruchu analizuje się także na specjal- nych urządzeniach, typu ergometr, w treningu i diagnostyce rehabilitacyjnej (Tognella i wsp., 1997; Weinhardt, 2002), w sporcie (Buśko, 2004; Buśko, 2006), w przypadku tetraplegików (Memberg i wsp., 2001) czy zwierząt ba- danych w warunkach przyżyciowych (Toscano i wsp., 2006. W badaniach układu ruchu stosuje się pomiary sił za pomocą rożnego rodzaju dynamome- trów. Na przykład platform, z których najczęściej stosowane są platformy fi r- my Kistler (Van Ingen Schenau i wsp., 1984; Jarić i wsp., 1989; Bacik, 2005). Na platformach dynamometrycznych najczęściej bada się wyskoki pionowe (Jarić i wsp., 1989; Tuulik i wsp., 2001) i na przykład sposób wstawania z krze- sła u ludzi starszych i ze schorzeniami narządu ruchu (Schultz i wsp., 1992). Badania wybranych zespołów mięśniowych wykonuje się na specjalnych ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 16 M. WYCHOWAŃSKI stanowiskach w warunkach statycznych, izokinetycznych i dynamicznych (Lanza i wsp., 2003). Powszechnie znane są urządzenia fi rm Cybex, Biodex, Ariel i innych umożliwiające tego typu badania (Niku i Henderson, 1989; Eliasz i wsp., 1994). Specjalnym rodzajem platform dynamometrycznych są platformy do badań mechanizmu utrzymania równowagi nazywane platfor- mami stabilografi cznymi (Nitecki i Preibisch, 1997; Błaszczyk i wsp., 2000; Kruczkowski, 2000; Kuczyński, 2000; Mayagoita i wsp., 2002; Bacik, 2005; Hof i wsp., 2005; Audu i wsp., 2006; Doyle i wsp., 2006; Piechota, 2006; Gerbino i wsp., 2007). Spośród specjalistycznych dynamometrów należy wymienić te, które służą do pomiarów momentów sił rotatorów przedramie- nia (Zieliński i wsp., 1998), do symulacji i pomiaru obciążeń występujących w stawach kolanowych po całkowitej rekonstrukcji tego stawu (Sathasivam i Walker, 1997), czy do diagnostyki pacjentów z endoprotezami, lub chorobą zwyrodnieniową stawu biodrowego (Popieluch i Zieliński, 2004). Wei (2006) zastosował pomiary siły i szybkości narastania siły kończyn dolnych do oceny skuteczności treningu wspomaganego wibracjami całego ciała (whole body vibration). Autor stwierdził, że 8 tygodniowy trening wspomagany 3 wibra- cjami o częstotliwości 20 ÷ 25 Hz i przyspieszeniem 15 ÷ 20 m/s2, w tygo- dniu spowodował wzrost siły kończyn dolnych o 42,3 , a tradycyjny trening, o tym samym czasie trwania spowodował wzrost siły o 15,2 . Nastąpił także istotny statystycznie wzrost szybkości narastania siły, wzrost siły amortyza- cji jak również stopnia wykorzystania energii sprężystości. Tensometryczną metodę pomiaru sił w endoprotezach doskonalił od końca lat siedemdziesią- tych ubiegłego wieku Bergmann (Bergmann i wsp., 1979; Bergmann i wsp., 2003). Obecnie metoda ta pozwala na bezpośredni pomiar sił i momentów siły w sztucznych stawach. Do wyznaczania naprężeń w tkankach stosuje się me- todę elementów skończonych (MES) na przykład w celu wyznaczenia naprę- żeń w kręgosłupie podczas podnoszenia ciężarów lub drgań układu człowiek pojazd (Morecki i wsp., 2002, str. 572-576). Szczegółową analizę innych metod stosowanych w biomechanice do pomiaru naprężeń i odkształceń w kościach przedstawił w swoich pracach Będziński (1997, 1998, 2003). Metody modelowania matematycznego mają bardzo istotne znaczenie w powszechnej obecnie metodzie leczenia jaką jest endoprotezoplastyka (Kędzior i wsp., 2004). W Polsce ta metoda jest najczęściej stosowana w przy- padku zmian zwyrodnieniowych stawów biodrowych i złamań szyjki kości udowej (Bajer i wsp., 1999; Dietrich i wsp., 2001; Włodarski i wsp., 2004; Wang i wsp., 2006). Poza powszechnie stosowanym w badaniach biomechanicznych modelo- waniem matematycznym dynamiki ruchu obiektów biologicznych wykorzy- stuje się coraz częściej modelowanie metodą sztucznych sieci neuronowych ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 17 (Uchiyama i wsp., 1998; Liu i wsp., 1999; Luh i wsp., 1999; Wang i Buchnan, 2002). (1991), natomiast podstawowe Do identyfi kacji sygnałów sterujących mięśniami wykorzystuje się elektromiografi ę (EMG) i stosunkowo rzadko elektroencefalografi ę (EEG). Zasady elektromiografi cznych pomiarów klinicznych zawarte są w artykule Hausmanowej-Petrusewicz informacje o zastosowaniach biomechanicznych EMG zgromadzili Acierno i wsp. (1995). Metoda EMG może służyć do identyfi kacji sił działających w układzie mięśniowym człowieka (Cholewicki i McGill, 1994; Winter, 1995b; Yoshida, 2000; Amarantini i Martin, 2004; Solnik, 2006a;) do oceny sygnałów sterujących mięśniami (St-Onge i wsp., 1997; Rutkowska-Kucharska i wsp., 1998; Kilner i wsp., 1999; Roetenberg i wsp., 2003; Kebel i Siemieński, 2004) lub do badania zmęczenia mięśni (Pietraszewski i Siemieński, 2003; Pincivero i wsp., 2006; Solnik, 2006b). Przykładem zastosowania EEG do oceny wpływu sygnałów świetlnych na stan funkcjonalny mózgu jest praca Tulika i wsp. (2001). Materiał badań układu ruchu najczęściej stanowią ludzie zdrowi, młodzi i o dobrej kondycji fi zycznej szczególnie jeśli chodzi o opracowywanie war- tości normatywnych umożliwiających ocenę układu ruchu u dzieci (Backman i Oberg, 1989; Syczewska i wsp., 1996; Witkowski i wsp., 2004) i u ludzi dorosłych (Dworak, 1987; Bober i Hay, 1990; Jaszczuk, 1995; Batogowska, 1996; National Isometric Muscle Strength, 1996; Bieniek, 2000; Słoniowska, 2000; Wychowański, 2000; Wychowański i wsp., 2002; Putkaradze K., 2006; Putkaradze N., 2006). Obszerne charakterystyki siły i mocy zawodników wyczynowych opracowali Trzaskoma (2003) oraz Trzaskoma i wsp. (2004). Często materiałem badawczym są ludzie zdrowi i chorzy, natomiast zdrowi stanowią odniesienie do oceny ludzi chorych (Stryła, 1991; Syczewska i wsp., 1996; Popieluch i Zieliński, 2004; Trzaskoma, 2004; Piechota, 2006). Wie- le prac dotyczących przede wszystkim badań geometrii mięśni i kinematyki ruchu w stawach (Grieve i wsp., 1978; Garg i Walker, 1990; Murray i wsp., 1995; Hughes i wsp., 1998), jak również synergii mięśniowych (Veeger i wsp., 1997; Meijer i wsp., 1998; Nakajima i wsp., 1999) wykonywana jest na zwło- kach. Wykorzystując materiał zwierzęcy badane są obciążenia stawów (Hasler i Herzog, 1998), charakterystyki siły mięśni w zależności od długości i pręd- kości (Van Soest i wsp., 1995; Hawkins i Bey, 1997; Siebert i wsp., 2006), wpływ odżywiania na siłę i moc mięśni (Toscano i wsp., 2006) oraz porówny- wana skoczność człowieka i małpy (Scholz, 2006). Wolgemuth (2006) przed- stawił propozycję modelu lokomocji bakterii typu myxobacteria za pomocą którego, siły rozwijane przez bakterie oszacował na 50 – 150 pN. Nawiązując do wymienionych przez Moreckiego i wsp. (2002, str. 512, 536-543) typów badań biomechanicznych należy zauważyć, że pomiary bio- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 18 M. WYCHOWAŃSKI mechaniczne są powszechnie stosowane do badania układu ruchu w trzech aspektach: oceny potencjału ruchowego, czyli sił, momentów sił, mocy, któ- rymi człowiek może dysponować podczas wykonywania zadań ruchowych (Bieżanowska, 1982; Prochazka i Trend, 1988; Chadwick i Nicol, 2000; Blajer i Mazur, 2003a; Blajer i Mazur, 2003b; Rantanen, 2003; Bhargawa i wsp., 2004; Dyszkiewicz i Wróbel, 2004; Fraysse i wsp., 2006) oraz oce- ny obciążeń występujących w tkankach (Backman, 1988; Backman i Oberg, 1989; Batogowska, 1996; Duda i wsp., 1997; Będziński, 1998; Blajer i wsp., 2006b). W odróżnieniu od urządzeń technicznych takich jak siłowniki i silniki poddawanych badaniom mocy dysponowanej człowiek nie jest w stanie ge- nerować siłę i moc na założonym jej poziomie przez określony czas. Wynika to z własności fi zjologicznych narządu ruchu człowieka. Praktycznie istnieje tylko jedna możliwość oceny potencjału ruchowego człowieka a mianowi- cie, pomiar maksymalnych wartości siły lub mocy jakie może on generować na odpowiednio skonstruowanych urządzeniach pomiarowych. Sposób takich pomiarów najlepiej ilustruje od dawna stosowana metoda pomiaru siły mak- symalnej zespołów mięśniowych obsługujących określony staw lub działają- cych na całe łańcuchy kinematyczne podczas pojedynczej próby rozwijania i utrzymania siły w warunkach statycznych MVC (maximal voluntary con- traction) (Semmler i Enoka, 2000). Pomiary statyczne, w bezruchu, odpowia- dają fi zjologicznie izometrycznej pracy mięśni to znaczy, że podczas skurczu przyczepy mięśni nie zmieniają wzajemnego położenia. Długość mięśnia nie zmienia się. Ze względu na istotną zmienność obiektu biologicznego, muszą być spełnione określone warunki aby dokonać pomiaru siły, momentu siły lub mocy jako jednego z parametrów określających potencjał ruchowy człowie- ka. Przede wszystkim badany musi mieć świadomość czego dotyczy pomiar, po co się go wykonuje i nie może być sprzeczności pomiędzy wynikiem po- miaru a korzyścią badanego. Wykluczone jest badanie osób niepełnospraw- nych intelektualnie z powodu trudności w komunikowaniu się, trudności w zrozumieniu przez nich istoty badania oraz ze względów etycznych i bez- pieczeństwa. Osoba poddana badaniom powinna być zainteresowana dobrym wynikiem próby. Przedstawione powyżej problemy związane z pomiarami biomechanicznymi znacznie wykraczają poza zakres klasycznej metrologii. Powszechnie stosowane w sporcie metody oceny potencjału ruchowego czło- wieka nie są jak dotychczas powszechnie stosowane w praktyce klinicznej. Wydaje się jednak, że metody pomiarowe oparte na zasadzie MVC mogą być, po ograniczeniu ich stosowania do pomiarów w warunkach statycznych do- stępne w klinikach i szpitalach do oceny postępów leczenia i rehabilitacji. Warunkiem skutecznego wykorzystania tych pomiarów jest, w przypadku za- stosowań medycznych, opracowanie odpowiednich wartości referencyjnych, najlepiej w postaci norm. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 19 Równie istotnym zagadnieniem jak pomiar potencjału ruchowego czło- wieka jest ocena techniki ruchu, czyli sposobu wykonania zadania ruchowe- go. Podczas oceny techniki ruchu stosuje się różne metody rejestracji parame- trów kinematycznych za pomocą przyspieszeniomierzy, czujników girosko- powych, goniometrów lub video. Do oceny techniki ruchu wykorzystuje się także pomiary sił oparte na czujnikach tensometrycznych lub piezoelektrycz- nych. Najczęściej analizy techniki ruchu dokonuje się na podstawie sił reakcji podczas chodu, biegu lub uderzeń (Morecki i wsp., 2002). W sporcie najważniejszym kryterium oceny techniki ruchu jest wynik sportowy, chociaż technikę można oceniać na podstawie innych arbitralnie przyjętych kryteriów (Fidelus, 1970; Wychowański, 1994). Wpływ różnych elementów techniki na wynik sportowy można badać stosując metodę analizy pseudowrażliwości parametrycznej rozwiązań równań ruchu (Wychowański, 1994). Trenerzy i zawodnicy najczęściej praktycznie oceniają wpływ elemen- tów techniki na wynik sportowy co jest trudne, pracochłonne i często kończy się niepowodzeniem. W klinice w czasie przygotowania do leczenia opera- cyjnego jak również podczas rehabilitacji ciągłej ocenie powinny podlegać przede wszystkim najważniejsze dla człowieka funkcje realizowane przez na- rząd ruchu to znaczy utrzymanie pionowej pozycji ciała oraz chód. Parametry chodu i stania można mierzyć metodą kinematografi czną lub za pomocą plat- form mierzących siły reakcji podłoża. Chód jest najlepiej zbadaną dziedziną działalności ruchowej człowieka. Przebiegi sił reakcji podłoża, kąty stawowe, przemieszczenia środka masy ciała itp. dla chodu normalnego są dobrze zna- ne, a ich ocena nie nastręcza obecnie trudności (Duda i wsp., 1997; Seyfried i wsp., 1998; Lafortune, 1991; Komi i Ishikawa, 2000; Anderson i Pandy, 2001; Michnik, 2002; Kim i Eng, 2003; Roetenberg i wsp., 2003; Bogey i wsp., 2005; Riskowski i wsp., 2005). Niespełna trzydzieści lat temu Bober i Szyślak (1979), wychodząc z te- orii Bernsteina (Bernstein, 1967) przyjęli, że częścią składową swego rodza- ju koordynacji ruchowej jest umiejętność zaadaptowania własnych napięć mięśniowych do sił zewnętrznych i od poziomu tej adaptacji zależy efekt wielu zadań ruchowych. Umiejętność adaptacji do sił zewnętrznych wyraża się dwiema cechami: dokładnością przestrzenną odpowiedzi ruchowej na bo- dziec zewnętrzny i szybkością tej odpowiedzi. Do badania tak zdefi niowanych zdolności koordynacyjnych judoków autorzy zastosowali urządzenie nazwa- ne deregulatorem ruchu. Cechą charakterystyczną urządzenia było wprowa- dzanie ciągłych, lecz nie znanych badanemu co do kierunku i wielkości zakłó- ceń ruchu w trakcie wykonywania zadania. Test był diagnostyczny i dobrze różnicował badanych wewnątrz grupy. Praca Bobera i Szyślaka (1979) jest przykładem metody badania koordynacji jako reakcji badanego na nieznany bodziec zakłócający ruch. Taki sposób badania jest często stosowany w pra- ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 20 M. WYCHOWAŃSKI cach polskich i zagranicznych autorów. Waśkiewicz (2002) do oceny wpływu zmęczenia wysiłkami anaerobowymi na koordynację ruchową człowieka wy- korzystał kilka testów stosowanych od dawna w psychologii klinicznej i eks- perymentalnej. Do oceny wybranych aspektów koordynacji u studentów autor zastosował pomiary: czasu reakcji prostej, częstotliwości ruchów, częstotli- wości naśladowanych uderzeń ręką lub stopą, odchyłek podczas śledzenia obiektu poruszającego się na ekranie, orientacji przestrzennej za pomocą ste- reometru, dostosowania motorycznego z wykorzystaniem urządzenia własnej konstrukcji polegającego na wykonywaniu specyfi cznego zadania ruchowego na ekranie monitora za pośrednictwem manipulatora, poczucia równowagi na platformie dynamometrycznej i umiejętności różnicowania siły na platfor- mie dynamometrycznej. Badania stabilografi czne przeprowadzano podczas stania na dwóch kończyna dolnych z oczami otwartymi i zamkniętymi. Ocenie podlegała wartość odchylenia standardowego od średniej współrzędnej rzutu wypadkowej siły nacisku na platformę w płaszczyźnie strzałkowej i czołowej. Umiejętność różnicowania siły oceniano na podstawie testu podczas którego badany miał za zadanie rozwinąć podczas wyskoku pionowego zadane warto- ści impulsu siły. Autor nie wykazał jednoznacznie wpływu zmęczenia na pa- rametry stabilografi czne i stwierdził, że kontrola wzrokowa nie różnicowała poziomu stabilności posturalnej (Waśkiewicz, 2002). Ocena mechanizmu utrzymania równowagi ma istotne znaczenie w diagnostyce zdolności koordynacyjnych człowieka. Gerbino i wsp. (2007) przyjmują, że prawidłowe utrzymywanie równowagi w postawie stojącej jest umiejętnością stania z możliwie jak najmniejszymi odchyleniami ciała od pionu. Wartość tych odchyleń uważa się za wskaźnik jakości układu kon- troli utrzymywania równowagi w postawie stojącej. Umiejętność ta może być oceniana w staniu spokojnym lub po perturbacjach takich jak skok lub nagłe zatrzymanie się. Obecnie najczęściej stosowaną i najdokładniejszą metodą oceny stabilności układu równowagi jest metoda oparta na badaniu właści- wości sygnału przemieszczania punktu przyłożenia wypadkowej siły reak- cji podłoża (COP) podczas stania na platformie dynamometrycznej. Oceny tej można dokonywać między innymi za pomocą pomiaru wychyleń środka masy lub wychyleń środka parcia podczas stania na platformie stabilografi cz- nej w określonym czasie. Głównym parametrem umożliwiającym tę ocenę jest najczęściej łączna droga jaką kreśli środek parcia stóp na podłoże pod- czas próby stania (Gerbino i wsp., 2007). Odpowiednio opracowany protokół badania stabilografi cznego umożliwia nie tylko ogólną ocenę mechanizmu utrzymania równowagi, ale także przybliżenie przyczyn jego ograniczonej wydolności. Gorsze wyniki stabilografi czne w sytuacji ograniczenia wpływu wzroku, w porównaniu z osobą zdrową wykonującą próbę także z zamknięty- mi oczami, świadczą o pogorszeniu się czucia głębokiego w stawach kończyn ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Wstęp do zagadnienia identyfi kacji... 21 dolnych najczęściej na skutek urazów i leczenia operacyjnego (Stolarczyk i wsp., 2000). Trudność w utrzymaniu równowagi pod kontrolą wzroku mogą świadczyć o zaburzeniach związanych z funkcjonowaniem centralnego ukła- du nerwowego, a w szczególności móżdżku. Podobnie jak podczas badania potencjału ruchowego pacjentów, właściwa ocena mechanizmu utrzymania równowagi możliwa jest pod warunkiem posiadania odpowiednich wartości odniesienia. Obecnie coraz częściej w klinikach stosowane są metody oceny narządu ruchu za pomocą odpowiednich metod pomiarowych jako obiektywny sposób oceny skutków leczenia i usprawniania. Wielu lekarzy, szczególnie ortope- dów, jest istotnie zainteresowanych uzyskaniem rzetelnej oceny narządu ru- chu pacjenta. Podobnie pacjenci w zdecydowanej większości są bardzo zain- teresowani stanem własnego narządu ruchu, bo od tego zależy w dużej mierze jakość ich funkcjonowania i rokowania odnośnie efektów leczenia i rehabili- tacji. Wyposażenie w sprzęt pomiarowy do badania podstawowych charakte- rystyk narządu ruchu jest konieczne do planowania i realizacji zabiegów oraz ćwiczeń usprawniających w klinikach rehabilitacyjnych. Lekarze i fi zjotera- peuci nie są w stanie uzyskać tak dokładnych informacji na podstawie ba- dań wykonywanych za pomocą testów klinicznych takich jak na przykład test Lovetta ani tym bardziej na podstawie ankiet wypełnianych przez pacjentów. Diagnostyka narządu ruchu pacjentów w aspekcie oceny potencjału ruchowe- go i zdolności koordynacyjnych stawia przed specjalistami z dziedziny inży- nierii biomedycznej szczególne wymagania. Urządzenia pomiarowe do zasto- sowań klinicznych powinny być przede wszystkim bezpieczne. Każda metoda badania potencjału ruchowego powinna być jak najprostsza i nie powodować zmęczenia. Wynik pomiaru powinien być natychmiast i jednoznacznie zin- terpretowany w odniesieniu do wcześniej opracowanych wartości referencyj- nych lub norm. Wynik pomiaru, na przykład momentu siły rozwijanego przez prostowniki stawu kolanowego wyrażony w niutonometrach nie mówi wiele pacjentowi, lekarzowi i fi zjoterapeucie, ale porównanie tego wyniku z normą dostarcza istotnej informacji o stanie mięśni i całego narządu ruchu pacjenta. Wydaje się, że podstawowymi metodami diagnostycznymi układu ruchu, poza testami klinicznymi i antropometrycznymi wprowadzanymi do praktyki klinicznej, w pierwszej kolejności powinny być pomiary momentów sił mięś- niowych w statyce (MSMS) oraz badania stabilografi czne. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw==
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: