Analiza chodu - Gait analysis

„Analiza chodu” przekierowuje tutaj. Książka autorstwa Jacquelin Perry i Judith M. Burnfield znajduje się w artykule Analiza chodu: funkcja normalna i patologiczna .
Laboratorium analizy chodu wyposażone w kamery termowizyjne i podłogowe platformy siłowe

Analiza chodu to systematyczne badanie lokomocji zwierząt , a dokładniej badanie ruchu człowieka za pomocą oka i mózgu obserwatorów, wspomagane przyrządami do pomiaru ruchów ciała, mechaniki ciała i aktywności mięśni. Analiza chodu służy do oceny i leczenia osób ze schorzeniami wpływającymi na ich zdolność chodzenia. Jest również powszechnie stosowany w biomechanice sportowej, aby pomóc sportowcom biegać wydajniej i identyfikować problemy związane z postawą lub ruchem u osób po kontuzjach.

Badanie obejmuje kwantyfikację (wprowadzenie i analizę mierzalnych parametrów chodu ), a także interpretację, czyli wyciągnięcie różnych wniosków na temat zwierzęcia (stan zdrowia, wiek, wielkość, waga, szybkość itp.) Z jego wzorca chodu.

Historia

Pionierami naukowej analizy chodu byli Arystoteles w De Motu Animalium (O chodzie zwierząt), a znacznie później, w 1680 roku, Giovanni Alfonso Borelli zwany także De Motu Animalium (I i II) . XIX wieku niemiecki anatom Christian Wilhelm Braune i Otto Fischer opublikowali serię artykułów na temat biomechaniki ludzkiego chodu w warunkach obciążenia i bez obciążenia.

Wraz z rozwojem fotografii i kinematografii stało się możliwe uchwycenie sekwencji obrazów, które ujawniają szczegóły lokomocji ludzi i zwierząt, których nie można było dostrzec podczas oglądania ruchu gołym okiem. Eadweard Muybridge i Étienne-Jules Marey byli pionierami tego rozwoju na początku XX wieku. Na przykład fotografia seryjna po raz pierwszy ujawniła szczegółową sekwencję „ galopu ” konia , która była zwykle błędnie przedstawiana na obrazach wykonanych przed tym odkryciem.

Chociaż wiele wczesnych badań przeprowadzono przy użyciu kamer filmowych, powszechne zastosowanie analizy chodu u ludzi ze stanami patologicznymi, takimi jak porażenie mózgowe , choroba Parkinsona i zaburzenia nerwowo-mięśniowe , zaczęło się w latach 70.XX wieku wraz z udostępnieniem systemów kamer wideo, które mogłyby prowadzić do szczegółowych badań indywidualnych pacjentów w ramach realistycznych kosztów i ograniczeń czasowych. Rozwój schematów leczenia, często obejmujących chirurgię ortopedyczną , opartych na wynikach analizy chodu, znacznie się rozwinął w latach 80. Wiele wiodących szpitali ortopedycznych na całym świecie ma obecnie laboratoria chodu, które są rutynowo wykorzystywane do projektowania planów leczenia i monitorowania.

Rozwój nowoczesnych systemów komputerowych następował niezależnie w późnych latach 70. i wczesnych 80. XX wieku w kilku szpitalnych laboratoriach badawczych, niektóre w wyniku współpracy z przemysłem lotniczym. Rozwój komercyjny wkrótce nastąpił wraz z pojawieniem się telewizji komercyjnej, a później systemów kamer na podczerwień w połowie lat osiemdziesiątych.

W 2018 roku pojawiła się nowa propozycja kinetycznego miernika sumarycznego - wskaźnika kinetyki chodu .

Proces i wyposażenie

Pozyskanie informacji o położeniu markerów w 2D przez komory z lewej i prawej strony, ta kombinacja informacji daje obraz 3D na pozycji markerów

Typowe laboratorium analizy chodu ma kilka kamer (wideo lub podczerwieni) umieszczonych wokół chodnika lub bieżni, które są połączone z komputerem. Pacjent ma markery umiejscowione w różnych punktach odniesienia ciała (np. Kolce biodrowe miednicy, kostka stawu skokowego i kłykcie kolana) lub grupy markerów nałożone na połowę segmentów ciała. Pacjent idzie po wybiegu lub bieżni, a komputer oblicza trajektorię każdego znacznika w trzech wymiarach. Model jest stosowany do obliczania ruchu kości leżących pod spodem. Daje to całkowite rozbicie ruchu każdego stawu. Jedną z powszechnych metod jest użycie zestawu markerów Helen Hayes Hospital , w którym łącznie 15 markerów jest przymocowanych do dolnej części ciała. 15 ruchów markera jest analizowanych analitycznie i zapewnia ruch kątowy każdego stawu.

Aby obliczyć kinetykę wzorców chodu, większość laboratoriów ma zamontowane na podłodze przetworniki obciążenia, znane również jako platformy sił, które mierzą siły i momenty reakcji podłoża, w tym wielkość, kierunek i położenie (zwane środkiem nacisku). Przestrzenny rozkład sił można zmierzyć za pomocą sprzętu do pedobarografii . Dodanie tego do znanej dynamiki każdego segmentu ciała umożliwia rozwiązywanie równań opartych na równaniach ruchu Newtona – Eulera, co pozwala na obliczenia sił wypadkowych i momentów wypadkowych siły wokół każdego stawu na każdym etapie cyklu chodu. Obliczeniowa metoda stosowana w tym celu jest nazywana dynamiką odwrotną.

Jednak takie zastosowanie kinetyki nie prowadzi do uzyskania informacji o poszczególnych mięśniach, ale o grupach mięśni, takich jak prostowniki lub zginacze kończyny. Aby wykryć aktywność i udział poszczególnych mięśni w ruchu, konieczne jest zbadanie aktywności elektrycznej mięśni. Wiele laboratoriów wykorzystuje również elektrody powierzchniowe przymocowane do skóry, aby wykryć aktywność elektryczną lub elektromiogram (EMG) mięśni. W ten sposób można zbadać czasy aktywacji mięśni i, do pewnego stopnia, wielkość ich aktywacji - oceniając w ten sposób ich wkład w chód. Odchylenia od normalnych wzorców kinematycznych, kinetycznych lub EMG są wykorzystywane do diagnozowania określonych patologii, przewidywania wyników leczenia lub określania skuteczności programów szkoleniowych

Czynniki i parametry

Analiza chodu jest modulowana lub modyfikowana przez wiele czynników, a zmiany w normalnym schemacie chodu mogą być przejściowe lub trwałe. Czynniki mogą być różnego rodzaju:

  • Zewnętrzne: takie jak teren, obuwie, odzież, ładunek
  • Wewnętrzne: płeć, waga, wzrost, wiek itp.
  • Fizyczne: takie jak waga, wzrost, budowa ciała
  • Psychologiczne: typ osobowości, emocje
  • Fizjologiczne: cechy antropometryczne, tj. Wymiary i proporcje ciała
  • Patologiczne: na przykład urazy, choroby neurologiczne, wady mięśniowo-szkieletowe, zaburzenia psychiatryczne

Parametry brane pod uwagę przy analizie chodu to:

  • Długość kroku
  • Długość kroku
  • Rytm
  • Prędkość
  • Dynamiczna podstawa
  • Linia postępu
  • Kąt stopy
  • Kąt biodra
  • Wydajność przysiadów

Techniki

Sekwencje chodzenia nagrane metodą motion capture

Analiza chodu obejmuje pomiar, w którym wprowadza się i analizuje mierzalne parametry oraz interpretację, w której wyciągane są wnioski na temat (stan zdrowia, wiek, rozmiar, waga, prędkość itp.). Analiza polega na pomiarze:

Czasowe / przestrzenne

Składa się z obliczenia prędkości, długości rytmu, wysokości i tak dalej. Pomiary te są przeprowadzane poprzez:

  • Stoper i znaki na ziemi.
  • Chodzenie po macie naciskowej.
  • Czujniki laserowe zasięgu skanują samolot kilka centymetrów nad podłogą.
  • Czujniki bezwładnościowe i oprogramowanie do interpretacji żyroskopów 3D i danych akcelerometrycznych 3D.

Kinematyka

  1. Chronofotografia to najbardziej podstawowa metoda rejestracji ruchu. W przeszłości do analizy chodu na pojedynczych zdjęciach stosowano oświetlenie stroboskopowe o znanej częstotliwości.
  2. Filmy kinowe lub nagrania wideo z wykorzystaniem materiału z jednej lub wielu kamer mogą być używane do pomiaru kątów i prędkości stawów. Metodzie tej pomogło opracowanie oprogramowania analitycznego, które znacznie upraszcza proces analizy i umożliwia analizę w trzech wymiarach, a nie tylko w dwóch.
  3. Pasywne systemy znaczników, wykorzystujące znaczniki odblaskowe (zwykle kulki odblaskowe), pozwalają na dokładny pomiar ruchu przy użyciu wielu kamer (zwykle od pięciu do dwunastu kamer) jednocześnie. Kamery wykorzystują stroboskopy o dużej mocy (zazwyczaj czerwone, bliskiej podczerwieni lub podczerwieni) z dopasowanymi filtrami, aby rejestrować odbicie od znaczników umieszczonych na ciele. Markery są zlokalizowane w wyczuwalnych anatomicznych punktach orientacyjnych. Na podstawie kąta i opóźnienia czasowego między sygnałem pierwotnym a odbitym możliwa jest triangulacja znacznika w przestrzeni. Oprogramowanie służy do tworzenia trójwymiarowych trajektorii na podstawie tych markerów, które następnie otrzymują etykiety identyfikacyjne. Model komputerowy jest następnie używany do obliczania kątów przegubów na podstawie względnych pozycji znaczników oznakowanych trajektorii. Są one również używane do przechwytywania ruchu w przemyśle filmowym.
  4. Systemy znaczników aktywnych są podobne do systemów znaczników pasywnych, ale używają znaczników „aktywnych”. Znaczniki te są wyzwalane przez przychodzący sygnał w podczerwieni i reagują wysyłając odpowiedni własny sygnał. Sygnał ten jest następnie używany do triangulacji położenia znacznika. Przewagą tego systemu nad pasywnym jest to, że poszczególne markery działają na z góry określonych częstotliwościach, a zatem mają swoją własną „tożsamość”. Oznacza to, że nie jest wymagana żadna dodatkowa obróbka lokalizacji znaczników, jednak systemy są zwykle mniej wyrozumiałe dla znaczników niewidocznych niż systemy pasywne.
  5. Systemy bezwładnościowe (bezkamerowe) oparte na czujnikach inercyjnych MEMS , modelach biomechanicznych i algorytmach fuzji czujników. Te systemy całego ciała lub części ciała mogą być używane wewnątrz i na zewnątrz, niezależnie od warunków oświetleniowych.

Przechwytywanie chodu bez znaczników

  • Systemy przechwytywania chodu bez znaczników wykorzystują jedną lub więcej kolorowych kamer lub czujników głębokości 2,5D (np. Kinect) do bezpośredniego obliczania pozycji stawów ciała na podstawie sekwencji obrazów. System bez markerów umożliwia nieinwazyjną analizę chodu człowieka w środowisku naturalnym bez przyczepiania markerów. Wyeliminowanie markerów może rozszerzyć zastosowanie technik pomiaru i analizy ludzkiego chodu, znacznie skrócić czas przygotowania oraz umożliwić wydajną i dokładną ocenę ruchu we wszystkich rodzajach zastosowań. Obecnie głównym systemem bez znaczników jest rejestracja ruchu oparta na wideo za pomocą kamery monokularowej lub studyjnej z wieloma kamerami. W dzisiejszych czasach coraz popularniejsza staje się analiza chodu oparta na czujniku głębokości do zastosowań klinicznych. Ponieważ czujniki głębokości mogą mierzyć informacje o głębi i dostarczać obraz głębi 2,5D, skutecznie uprościły zadanie odejmowania pierwszego planu / tła i znacznie ograniczyły niejednoznaczności w estymacji pozycji jednoocznej człowieka .

Pomiar ciśnienia

Systemy pomiaru ciśnienia są dodatkowym sposobem pomiaru chodu, zapewniając wgląd w rozkład nacisku, obszar kontaktu, ruch środka siły i symetrię między bokami. Systemy te zazwyczaj dostarczają więcej niż tylko informacje o ciśnieniu; dodatkowe informacje dostępne z tych systemów to siła , czas i parametry przestrzenne. Dostępne są różne metody oceny nacisku, takie jak mata do pomiaru nacisku lub chodnik (dłuższy, aby uchwycić więcej uderzeń stopą), a także systemy pomiaru nacisku w bucie (w których czujniki są umieszczone wewnątrz buta). Wiele systemów pomiaru ciśnienia integruje się z dodatkowymi typami systemów analitycznych, takich jak przechwytywanie ruchu, EMG lub płytki siłowe, aby zapewnić kompleksową analizę chodu.

Kinetyka

To badanie sił zaangażowanych w produkcję ruchów.

Dynamiczna elektromiografia

To badanie wzorców aktywności mięśni podczas chodu.

Aplikacje

Analiza chodu służy do analizy zdolności chodzenia ludzi i zwierząt, więc technologia ta może być wykorzystywana do następujących zastosowań:

Diagnostyka medyczna

Patologiczny chód może odzwierciedlać kompensację leżących u podstaw patologii lub sam w sobie odpowiadać za przyczynę objawów. Pacjenci z porażeniem mózgowym i udarem mózgu są często obserwowani w laboratoriach chodu. Badanie chodu umożliwia postawienie diagnozy i strategii interwencji, a także pozwala na przyszły rozwój inżynierii rehabilitacyjnej . Oprócz zastosowań klinicznych, analiza chodu jest wykorzystywana w profesjonalnym treningu sportowym w celu optymalizacji i poprawy wyników sportowych.

Techniki analizy chodu pozwalają na ocenę zaburzeń chodu oraz skutków korekcyjnej operacji ortopedycznej. Możliwości leczenia porażenia mózgowego obejmują sztuczny paraliż mięśni spastycznych przy użyciu botoksu lub wydłużanie, ponowne przywiązanie lub oderwanie poszczególnych ścięgien . Podejmowane są również korekty zniekształconej anatomii kostnej ( osteotomia ).

Zastosowania chiropraktyczne i osteopatyczne

Obserwacja chodu jest również korzystna w diagnostyce w zawodach chiropraktycznych i osteopatycznych, ponieważ utrudnienia w chodzie mogą świadczyć o nieprawidłowym ustawieniu miednicy lub kości krzyżowej. Jako sacrum i kość biodrowa biomechanicznie ruch w opozycji do siebie, zrosty pomiędzy nimi za pośrednictwem sacrospinous lub więzadło krzyżowo-guzowe (między innymi) mogą sugerować obróconym miednicę. Obaj lekarze chiropraktyki i medycyny osteopatycznej stosują chód, aby rozpoznać ułożenie miednicy i mogą zastosować różne techniki, aby przywrócić pełny zakres ruchu obszarom związanym z ruchem ambulatoryjnym. Chiropraktyczna regulacja miednicy wykazuje tendencję do pomagania w przywracaniu wzorców chodu, podobnie jak osteopatyczna terapia manipulacyjna (OMT).

Biomechanika porównawcza

Badając chód zwierząt innych niż ludzie, można uzyskać lepszy wgląd w mechanikę lokomocji, która ma różnorodne implikacje dla zrozumienia biologii danego gatunku, a także szerszej lokomocji.

Chód jako dane biometryczne

Rozpoznawanie chodu to rodzaj behawioralnego uwierzytelniania biometrycznego, które rozpoznaje i weryfikuje ludzi na podstawie stylu i tempa chodzenia. Postępy w rozpoznawaniu chodu doprowadziły do ​​rozwoju technik stosowanych w medycynie sądowej, ponieważ każda osoba może mieć chód określony przez unikalne pomiary, takie jak lokalizacja kostki, kolana i biodra.

Inwigilacja

W 2018 roku pojawiły się doniesienia, że rząd Chin opracował narzędzia nadzoru oparte na analizie chodu, umożliwiające jednoznaczną identyfikację osób, nawet jeśli ich twarze są zasłonięte.

Popularne media

Podręczniki

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki