CC BY
3
Аксенов А.Ю.
PhD (Doctor of Philosophy) University of Salford
ассистент
кафедра биотехнических систем
Матвеева В.Н. бакалавр
кафедра биотехнических систем Никитина Ю.А. бакалавр
кафедра биотехнических систем Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КИНЕТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ГОЛЕНОСТОПНОГО СУСТАВА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВИДЕОАНАЛИЗА
Аннотация: Видеоанализ нашел широкое применение в диагностике, лечении и реабилитации лиц с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Тем не менее, существует необходимость в оптимизации метода снятия кинематических данных стопы. Исследование проводилось для сравнения точности кинематики и кинетики голеностопного сустава системой Qualisys (Швеция) при использовании двух методов установки пассивных маркеров на кожу стопы и поверхность обуви. В исследовании приняли участии 9 здоровых мужчин. Производился видеоанализ ходьбы при использовании обуви с различной высотой каблука.
Исследование показало, что два метода имели статически значимые изменения для угла и мощности голеностопного сустава между 0-18% и 70100% цикла переката стопы.
Ключевые слова: биомеханика, видеоанализ, кинематика, кинетика, голеностопный сустав, конструкция обуви.
Abstract: video-based motion capturing is widely used to assess and treat different pathologies of the musculoskeletal system. However, the accuracy of the data strongly depends on a variety of influencing factors and methodology of data collection. The study was conducted to compare kinematic and kinetic data obtained by placing markers directly on the shoe surface and the skin of the foot using Qualisys (Sweden) system. Nine healthy subjects undertook a series of gait laboratory trials with adapted shoes.
The study showed that results obtained using both methods were statistically different for most of the shoes for ankle angle and ankle power between 0-18% and 70-100% of the stance phase. The results suggest that direct placement of passive markers on the skin of the foot is more precise for gait analysis.
Keywords: biomechanics, motion analysis, kinetics, kinematics, ankle joint, rocker soles.
1. Введение
Видеоанализ как метод исследования биомеханики движений позволяет
проводить регистрацию кинематики и кинетики движений человека с высокой точностью (до 0,1 мм), в связи с чем он широко применяется в медицине, спорте, реабилитации, киноиндустрии и робототехнике.
В клинической практике видеоанализ движений человека используется с целью диагностики локомоторных нарушений и мониторирования динамики восстановления двигательных функций в процессе лечения [1]. Он позволяет изучать кинематику, а комбинированное применение видеоанализа, силовых платформ и электромиографии — исследовать кинетику движений [2]. Наиболее существенное влияние на качество принимаемых решений видеоанализ оказывает в восстановительной медицине, травматологии и ортопедии, протезировании и ортезировании.
Видеоанализ активно применяется различными зарубежными компаниями для разработки ортопедических изделий, таких как корректирующие стельки и терапевтическая обувь [3-5]. Они активно используются для лечения и профилактики плоскостопия, занимающим первое место среди деформаций стоп, которым страдают 26,4% населения [6]. В этой связи регулярное использование корректирующих стелек предупреждает его развитие и уменьшает усталость ног за счёт поддерживающего эффекта.
Также одной из самых распространённых после плоскостопия патологий стопы является вальгусная деформация первого пальца стопы. По данным различных авторов соотношение мужчин и женщин варьирует от 7080 % к 20-25 % [7, 8]. Видеоанализ также активно используется и для разработки индивидуальной ортопедической обуви в целях коррекции патологии стопы.
Зарубежные фирмы и компании, такие как Reebok, Adidas, Scholl и многие другие, уже давно используют системы измерения давления под стопами с применением оптического видеоанализа для регистрации движений голеностопного сустава с помощью инфракрасных камер, что обеспечивает сбор данных, необходимых при разработке спортивной и реабилитационной обуви, в том числе обуви для диабетических стоп, а также ортопедических стелек и протезов. При этом анализ литературы показал, что основной метод регистрации кинематики и кинетики голеностопного сустава для разработки реабилитационной обуви заключается в установке маркеров только на тестируемой обуви [3, 9-12].
Однако, как показали наши исследования, локомоторные движения, совершаемые одновременно в пространстве стопой и обувью, могут существенно отличаться [13].
Так, рисунок 1 демонстрирует возможное дополнительное движение стопы в обуви, которое может остаться не учтенным при установке маркеров на поверхность тестируемой обуви.
Рис.1 - Изменение угла голеностопного сустава, где красные маркеры установлены на обувь, фиолетовые - на кожу стопы: а) начальное положение
ноги, угол голеностопного сустава равен 80°; Ь) начало шага, угол голеностопного сустава при установке маркеров на обувь - 73 °, на кожу - 68
о
Использование такого метода для снятия данных регистрации движений, т.е. без учета движения стопы в тестируемой обуви, может привести к получению недостоверных данных и, следовательно, к разработке неадекватной конструкции обуви, не позволяющей достичь соответствующего лечебного эффекта при ее ношении, что в свою очередь может лишь усугубить протекание болезни.
Цель данного исследования - оптимизация метода регистрации кинематики и кинетики голеностопного сустава и оценки вариабельности кинематических и кинетических данных голеностопного сустава. 2. Методология
Исследование проводилось в клинико-биомеханической лаборатории видеоанализа. Общий вид лаборатории анализа походки движения человека представлены на рисунке 2.
Рис.2 - Пример использования системы видеоанализа: а - общий вид лаборатории видеоанализа; б - схема расположения камер и силовых платформ; в - окно программы Qualisys для регистрации движений; г - окно программы Visual3D с моделью человека и результатами обследования В исследовании приняли участие 9 мужчин в возрасте 25.3 ± 2.73 лет с массой тела 71.3 ± 8.5 кг, ростом 1.74 ± 0.06 м и размером стопы, соответствующим 8 размеру обуви по европейской системе. Кинематические данные регистрировались в трех плоскостях с помощью 16 высокоскоростных инфракрасных камер компании Qualisys (Швеция) OQUS ™ 3+ с установленной частотой 100 Гц. Регистрация кинетических данных осуществлялась четырьмя силовыми платформами с частой измерения 1000 Гц (AMTI, Watertown, MA, USA, model BP600400).
В процессе биомеханических исследований тестировались 5 пар обуви с разной высотой каблука 1.5 см, 2.5 см, 3.5 см, 4.5 см и 5.5 см.
Рисунок 3 демонстрирует конструкцию и характеристики обуви, которая использовалась при тестировании.
Голеностопный сустав
\ о .
Рис. 3 - Конструкция обуви Производился контроль скорости ходьбы 5 км/час ± 2.5% [14, 15]. Данные обрабатывались в программном пакете Visual3D (C-Motion). При обработке кинематические данные фильтровались низкочастотным фильтром четвёртого порядка Баттерворта с частотой среза 12 Гц. Кинетические данные фильтровались с частотой 25 Гц.
Подсчет импульса (площадь кривой графика) мощности и момента голеностопного сустава осуществлялись по формуле трапеции для вычисления определённых интегралов [16]. Статистические данные были обработаны в программе IBM SPSS statistics V.23 методом однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Уровень статистической значимости был установлен p<0.05.
3. Результаты
Таблица 1 и рисунок 4 демонстрируют различия биомеханических показателей голеностопного сустава при установке маркеров на поверхность обуви и непосредственно на кожу стопы через проделанные отверстия в обуви.
Таблица 1 - Результаты экспериментальных данных средних значений и среднеквадратического отклонения (в скобках), где (*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.0001) в индексе отражают статистическую значимость сравнения двух мето дов
Угол голеностопного сустава (°)
Макс. дорсифлекция(0-62%) Макс. флексия сустава (10-50%)
Высота каблука 1.5 см Кожа 7.7 (1.5) ** 13.7 (1.9) **
Обувь 6.7 (1.6) ** 12.7 (1.8) **
2.5 см Кожа 6.0 (1.0)** 15.8 (1.2) **
Обувь 4.3 (1.3) ** 14.5 (1.3) **
3.5 см Кожа 5.3 (1.1) *** 16.2 (1.4) ***
Обувь 3.4 (1.3) *** 14.7 (1.5) ***
4.5 см Кожа 6.3 (1.1) ** 17.7 (1.6) **
Обувь 5.2 (1.2) ** 16.8 (1.7) **
5.5 см Кожа 5.5 (1.0) ** 17.6 (1.4) **
Обувь 4.1 (1.0) ** 16.1 (1.4) **
Импульс мощности голеностопного сустава (W/kg*s)
Генерация мощности Абсорбция мощности
Высота каблука 1.5 см Кожа 30.7(3.7) -77.8(17.3)*
Обувь 31.5(3.8) -72.3(17.0)*
2.5 см Кожа 28.8(2.5) -61.5(11.1)**
Обувь 29.1(3.1) -56.4(10.7)**
3.5 см Кожа 24.6(3.0) -66.3(14.2)*
Обувь 25.0(3.5) -61.3(13.0)*
4.5 см Кожа 22.4(.3.5) -76.4(15.5)*
Обувь 22.2(3.6) -71.6(15.7)*
5.5 см Кожа 23.3(2.9)* -73.9(16.5)**
Обувь 22.2(2.5)* -65.2(14.8)**
Максимум мощности генерации/абсорбции голеностопного сустава (W/kg)
Максимум мощности Максимум мощности абсорбции (60-100%)
генерации (60100%)
Высота 1.5 см Кожа 2.02(0.25) -0.53(0.19)*
каблука Обувь 2.02(0.29) -0.48(0.21)*
2.5 см Кожа 2.30(0.22) -0.67(0.16)*
Обувь 2.28(0.29) -0.57(0.22)*
3.5 см Кожа 2.09(0.28) -0.88(0.24)***
Обувь 2.02(031) -0.67(0.23)***
4.5 см Кожа 1.80(0.25)* -0.95(0.22)**
Обувь 1.74(0.25)* -0.82(0.24)**
5.5 см Кожа 1.81(0.23)* -0.95(0.21)***
Обувь 1.76(0.24)* -0.75(0.21)***
Статистически значимые, когда в индексе *р<0.05, **р<0.01,
***p<0.000
Цнкп персы*!« стопы (%)
Рис. 4 - Графики изменения угла и мощности голеностопного сустава при сравнении двух методов установки маркеров
По анализу статистических данных видно, что в промежутке 30-60% цикла шага значительно увеличивается дорсифлекция угла голеностопного сустава для данных, полученных при использовании метода установки маркеров на кожу. Разница сравнения данных, полученных разными методами, показала статистическую значимость для мощности абсорбции
сустава между 60-100% фазы переката стопы для всех пар обуви, однако для генерации мощности значимыми оказались данные для обуви с высотой каблука 4.5 и 5.5 см. Результаты импульса (площадь графиков) мощности аналогичны результатам, полученным для максимумов значений, различаются только значения статистической значимости для мощности генерации при ходьбе в обуви с высотой каблука 4.5 см, что отражено в таблице 1.
4. Дискуссия
Исследование проводилось с целью сравнения двух методов установки пассивных маркеров для оптимизации метода регистрации кинематики и кинетики голеностопного сустава. Статистический анализ данных показал высокую вариабельность двух методов. Очевидно, что маркеры, установленные на кожу человека, предоставляют более точную картину движения стопы, чем маркеры, установленные на обувь. В клинической практике и исследованиях для врачей и ортопедов точность регистрируемых данных движения стопы является приоритетной для лечения и реабилитации пациентов.
Результаты исследования показали, что угловые движения стопы и обуви в значительной степени отличаются. Данные свидетельствуют, что пространство внутри обуви имеет дополнительный объем для передвижения стопы. Этот объем может меняться для разных людей в силу анатомических особенностей.
Можно отметить, что при расчете мощности используются данные угловых измерений голеностопного сустава, силы реакции опоры и расстояния плеча до сустава. Поэтому разброс угловых значений и изменения плеча повлек за собой высокую вариабельность получаемой мощности.
Учитывая это обстоятельство, при использовании метода установки маркеров на обувь рекомендуется изготавливать обувь для каждого испытуемого индивидуально для уменьшения свободного пространства внутри. Конечно же данный подход несет огромные расходы, связанные со снятием антропометрических данных и изготовлением тестируемой обуви, которая будет отличаться между собой за счет индивидуальных антропометрических данных и анатомических особенностей стоп каждого испытуемого. В силу этих причин метод установки маркеров именно на кожу испытуемого (через отверстия, специально проделанные на поверхности обуви) является оптимально точным, быстрым и удобным для большинства исследователей.
5. Заключение
Современные технологии видеоанализа вывели диагностику опорно-двигательного аппарата на новый уровень, однако метод регистрации может в значительной степени исказить получаемые данные. Результаты исследования показали, как два разных метода регистрации одного и того же сигнала могут изменить значения кинематики и кинетики голеностопного сустава. Основываясь на этом, при проведении исследований в ортопедии с
использованием видеоанализа рекомендуется детально прорабатывать методологию регистрации биомеханики стопы, чтобы повысить качество диагностики и обеспечить более точную подборку ортопедических средств.
Использованные источники:
1. Simon S.R. Quantification of human motion: gait analysis-benefits and limitations to its application to clinical problems // J Biomech, 2004. 37(12): 7. 1869-80.
2. Скворцов Д.В. Методика исследования кинематики движений и современные стандарты. Видеоанализ. Лечебная физкультура и спортивная медицина 2012; 12: 4-10. //.
3. Romkes J., Rudmann C., and Brunner R. Changes in gait and EMG when walking with the Masai Barefoot Technique // Clinical Biomechanics, 2006. 21(1): 7. 75-81.
4. Long J.T., Klein J.P., Sirota N.M., Wertsch J.J., Janisse D., and Harris G.F. Biomechanics of the double rocker sole shoe: Gait kinematics and kinetics // Journal of Biomechanics, 2007. 40(13): 7. 2882-2890.
5. Duivenvoorden T., van Raaij T.M., Horemans H.L., Brouwer R.W., Bos P.K., Bierma-Zeinstra S.M., Verhaar J.A., and Reijman M. Do laterally wedged insoles or valgus braces unload the medial compartment of the knee in patients with osteoarthritis? // Clin Orthop Relat Res, 2015. 473(1): 7. 265-74.
6. Котельников Г.П. М.С.П., Мирошниченко В.Ф. // Травматология и ортопедия: Учебник. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2006: 7. 400.
7. Корышков Н.А. П.С.М., Корышков А.Н., Ясенев Д.С. Эндопротезирование мелких суставов стоп // Вестник травматологии и ортопедии России. - 2005. - № 3. - С. 74-76 //.
8. Kuhn H. G.-K.R., Kuster H.H.Das Cinderella-Schuh-Syndrom // Fuss und Sprungge lenk. - 2007. - N 1. - P. 26-31. //.
9. Sobhani S., Hijmans J., van den Heuvel E., Zwerver J., Dekker R., and Postema K. Biomechanics of slow running and walking with a rocker shoe // Gait & Posture, 2013. 38(4): 7. 998-1004.
10. Kurup H.V., Clark C.I.M., and Dega R.K. Footwear and orthopaedics // Foot and Ankle Surgery, 2012. 18(2): 7. 79-83.
11. Lee C. The Effects of Lower Extremity Angle According to Heel-height Changes in Young Ladies in Their 20s during Gait // Journal of Physical Therapy Science, 2014. 26(7): 7. 1055-1058.
12. Esenyel M., Walsh K., Walden J.G., and Gitter A. Kinetics of high-heeled gait // J Am Podiatr Med Assoc, 2003. 93(1): 7. 27-32.
13. Aksenov A. An investigation into the relationship between rocker sole designs and alteration to lower limb kinetics, kinematics and muscle function during adult gait. 2014, University of Salford: Manchester. p. 390.
14. Смирнова Л.М., Никулина С.Е. Игнорирование фактора скорости локомоции как причина снижения точности динамоплантографического исследования. Биомедицинская радиоэлектроника, 2010(№ 5): p. 19-25. //.
15. Chung M.-J. and Wang M.-J.J. The change of gait parameters during walking at
different percentage of preferred walking speed for healthy adults aged 20-60 years // Gait & Posture, 2010. 31(1): 7. 131-135.
16. Liengme B.V. A Guide to Microsoft Excel 2007 for Scientists and Engineers. 2009, Academic Press: Boston. p. ix-x.
Аксенов А.Ю.
PhD (Doctor of Philosophy) University of Salford
ассистент
кафедра биотехнических систем Никитина Ю.А. бакалавр
кафедра биотехнических систем Клишковская Т.А.
бакалавр
кафедра биотехнических систем
Матвеева В.Н. бакалавр
кафедра биотехнических систем Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ КАБЛУКА НА ПЛАНТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПОД СТОПАМИ
Введение: Около 60% женщин носят обувь на высоком каблуке, однако характер влияния различной высоты каблука на биомеханику стопы еще недостаточно изучен.
Методология: в исследовании приняли участие 8 молодых женщин без патологий стопы и опорно-двигательного аппарата. В ходе эксперимента тестировались четыре пары обуви с разной высотой каблука (0.5,1.5, 6.5, 9.5 см). Измерение плантарного давления проводилось на системе ДиаСлед-М.
Результаты: экспериментальные результаты исследований показали, что обувь на высоком каблуке (6.5 и 9.5см) приводит к значительному увеличению как интегральной нагрузки, так и максимального давления в переднем отделе медиальной части стопы. В обуви с высотой каблука в 1.5 см центр масс и максимальное давление в значительной степени сместились в латеральную часть переднего отдела стопы.
Заключение: длительное использование обуви с неадекватно подобранной высотой каблука может способствовать развитию различных патологий стопы.
Ключевые слова: стопа, плантарное давление, высота каблука, интегральная нагрузка, баланс, система ДиаСлед-М.
1.Введение
По данным ВОЗ около 75 % населения имеют проблемы, связанные с патологией стопы, которые могут негативно влиять на социальную сторону
