Қозғалыс зерттеуі және адам қадамын талдау

Кіріспе

Жылжынуды зерттеу

Қадам талдауы – жануарлардың жылжынуын, әсіресе адамның қозғалысын жүйелі түрде зерттеу болып табылады. Бұл зерттеу бақылаушылардың көзі мен миын пайдалану арқылы, сондай-ақ дене қозғалысын, дене механикасын және бұлшықеттердің қызметін өлшеуге арналған құралдармен толықтырылады. Қадам талдауы жүру қабілетіне әсер ететін жағдайларды бағалау және емдеу үшін қолданылады. Ол сондай-ақ спорттық биомеханикада спортшылардың тиімді жүгіруіне көмектесу және жарақат алған адамдардағы дене күйіне немесе қозғалысқа байланысты проблемаларды анықтау үшін кеңінен қолданылады. Зерттеу қадамдардың өлшенетін параметрлерін енгізу және талдау арқылы сандық өлшеуді, сондай-ақ интерпретацияны, яғни жануардың (денсаулық, жас, мөлшері, салмағы, жылдамдығы және т.б.) жүріс-тұрысынан түрлі қорытындылар жасауды қамтиды.

Тарих

Ғылыми жүріс-тұрысты талдаудың алғашқыларын Аристотельдің "De Motu Animalium" (Жануарлардың жүрісі туралы) еңбегі және одан көп уақыт өткен соң, 1680 жылы Джованни Альфонсо Бореллидің "De Motu Animalium" (I және II) атты еңбегі құрады. 1890 жылдары неміс анатомы Кристиан Вильгельм Браун және Отто Фишер адам жүрісінің биомеханикасы туралы бірнеше мақала жариялады, жүктемелі және жүктемесіз жағдайлардағы зерттеулерді қамтыды. Фотография мен кинематографияның дамуымен адам және жануарлардың қозғалысының бұрын көзге көрінбеген егжей-тегжейлі суреттерін түсіруге мүмкіндік туды. Эдвард Муйбридж және Этьен Жюль Марей 1900 жылдардың басында осы дамулардың алғашқыларын жасады. Мысалы, сериялық фотосуреттер алғаш рет жылқының "галопының" толық тізбегін көрсетті, бұл ашылуға дейін жасалған суреттерде көбінесе бұрмаланған болатын. Көптеген алғашқы зерттеулер кинокамералармен жүргізілгенімен, жүріс-тұрысты талдауды церебральды парез, Паркинсон ауруы және нейромышекеттік аурулар сияқты патологиялық жағдайлары бар адамдарға қолдану 1970 жылдары, нақты шығын мен уақыт шектеулерінде жеке науқастарды егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік беретін бейнекамера жүйелерінің пайда болуымен кеңінен тарады. 1980 жылдары жүріс-тұрысты талдау нәтижелеріне негізделген емдеу схемаларын әзірлеу, көбінесе ортопедиялық хирургияны қамтиды, айтарлықтай жетістікке жетті. Бүгінде әлемдегі көптеген жетекші ортопедиялық ауруханаларда емдеу жоспарларын жасау және оларды бақылау үшін жүйелі түрде қолданылатын жүріс зертханалары бар. Қазіргі заманғы компьютерлік жүйелерді дамыту 1970 жылдардың соңы мен 1980 жылдардың басында бірнеше ауруханалық зерттеу зертханаларында, кейбіреулері әуе-ғарыш өнеркәсібімен ынтымақтастықта дербес жүргізілді. Коммерциялық даму көп ұзамай коммерциялық теледидар және кейіннен 1980 жылдардың ортасында инфрақызыл камера жүйелерінің пайда болуымен жалғасты. 2018 жылы кинетикалық жиынтық өлшемді, "Жүріс кинетикалық индексін" ұсыну туралы жаңа ұсыныс жасалды.

Процесс және жабдық

Қадамды талдау зертханасында әдетте бірнеше камера (видео немесе инфрақызыл) жүріс жолағының немесе жүгіргіш таспаның айналасына орналастырылады, олар компьютермен байланыстырылған. Пациенттің денесінде әртүрлі анықтамалық нүктелерде (мысалы, жамбас сүйегінің илиялық тіректері, тобықтың сыртқы бүйірлік шегі және тізе бунағының кондилі) немесе дене сегменттерінің жартысына жабыстырылған маркерлер топтары орналастырылады. Пациент жүріс жолағымен немесе жүгіргіш таспамен төмен қарай жүреді, ал компьютер әрбір маркердің үш өлшемдегі траекториясын есептейді. Жасырылған сүйектердің қозғалысын есептеу үшін модель қолданылады. Бұл әр буынның қозғалысын толыққанды көрсетеді. Көп қолданылатын әдіс – Хелен Хейс ауруханасының маркерлер жиынтығын пайдалану, онда төменгі денеге барлығы 15 маркер бекітіледі. 15 маркердің қозғалысы аналитикалық түрде талданады және әр буынның бұрыштық қозғалысын қамтамасыз етеді. Жүріс үлгілерінің кинетикасын есептеу үшін көптеген зертханаларда еденге орнатылған жүктеме түрлендіргіштері, сондай-ақ күш платформалары бар, олар жердің реакциялық күштерін және моменттерін, соның ішінде олардың шамасын, бағытын және орналасқан жерін (қысым орталығы деп аталады) өлшейді. Күштердің кеңістіктегі таралуын педобарографиялық жабдықтармен өлшеуге болады. Бұл мәліметтерді әрбір дене сегментінің белгілі динамикасымен біріктіру, қозғалыс Ньютон-Эйлер теңдеулеріне негізделген теңдеулерді шешуге мүмкіндік береді, осылайша жүріс циклінің әр кезеңінде әр буынға түсетін күштер мен күш моменттерін есептеуге болады. Бұл үшін қолданылатын есептеу әдісі кері динамика деп аталады. Дегенмен, кинетиканы қолдану жеке бұлшық еттер туралы емес, бұлшық еттер тобы туралы, мысалы, аяқтың кеңейткіштері немесе бүгушілері туралы ақпарат береді. Жеке бұлшық еттердің белсенділігі мен қозғалысқа қосқан үлесін анықтау үшін бұлшық еттердің электрлік белсенділігін зерттеу қажет. Көптеген зертханалар бұлшық еттердің электрлік белсенділігін немесе электромиограмманы (ЭМГ) анықтау үшін теріге жабыстырылған беткі электродтарды да қолданады. Осылайша бұлшықеттердің белсенділік уақытын және белгілі бір деңгейде олардың белсенділігінің шамасын зерттеуге болады, осылайша олардың жүріске қосқан үлесін бағалауға болады. Қалыпты кинематикалық, кинетикалық немесе ЭМГ үлгілерінен ауытқулар белгілі бір патологияларды диагностикалау, емдеу нәтижелерін болжау немесе оқу бағдарламаларының тиімділігін анықтау үшін қолданылады.

A typical gait analysis laboratory has several cameras (video or infrared) placed around a walkway or a treadmill, which are linked to a computer. The patient has markers located at various points of reference of the body (e. g., iliac spines of the pelvis, ankle malleolus, and the condyles of the knee), or groups of markers applied to half of the body segments. The patient walks down the catwalk or the treadmill and the computer calculates the trajectory of each marker in three dimensions. A model is applied to calculate the movement of the underlying bones. This gives a complete breakdown of the movement of each joint. One common method is to use Helen Hayes Hospital marker set, in which a total of 15 markers are attached on the lower body. The 15 marker motions are analyzed analytically, and it provides angular motion of each joint. To calculate the kinetics of gait patterns, most labs have floor mounted load transducers, also known as force platforms, which measure the ground reaction forces and moments, including the magnitude, direction and location (called the center of pressure). The spatial distribution of forces can be measured with pedobarography equipment. Adding this to the known dynamics of each body segment enables the solution of equations based on the Newton–Euler equations of motion permitting computations of the net forces and the net moments of force about each joint at every stage of the gait cycle. The computational method for this is known as inverse dynamics. This use of kinetics, however, does not result in information for individual muscles but muscle groups, such as the extensor or flexors of the limb. To detect the activity and contribution of individual muscles to movement, it is necessary to investigate the electrical activity of muscles. Many labs also use surface electrodes attached to the skin to detect the electrical activity or electromyogram (EMG) of muscles. In this way it is possible to investigate the activation times of muscles and, to some degree, the magnitude of their activation—thereby assessing their contribution to gait. Deviations from normal kinematic, kinetic or EMG patterns are used to diagnose specific pathologies, predict the outcome of treatments, or determine the effectiveness of training programs

Техникалар

Қадам талдауы – өлшеу, онда өлшенетін параметрлер енгізіліп, талданады, және интерпретацияны қамтиды, онда субъект туралы (денсаулық, жас, мөлшер, салмақ, жылдамдық сияқты) қорытындылар жасалады. Талдау келесіні өлшеуден тұрады:

Уақытша / кеңістіктік

Ол жылдамдық, ырғақтың ұзындығы, тональность және т.б. есептеуден тұрады. Бұл өлшеулер мыналар арқылы жүзеге асырылады:
Топсағат пен жердегі белгілер. Қысымға сезімтал төсеніште жүру. Лазерлік сенсорлар еденнен бірнеше сантиметр биіктіктегі жазықтықты сканерлеу. Инерциялық сенсорлар және 3D гироскоптар мен 3D акселерометриялық деректерді интерпретациялауға арналған бағдарламалық құралдар.

Кинематика

Хронофотография – қозғалысты тіркеудің ең қарапайым әдісі. Бұрын, белгілі жиіліктегі строб жарығы, бір фотосуреттегі қадамдарды талдауға көмектескен. Бір немесе бірнеше камерадан түсірілген кадрларды пайдалана отырып, кинофильмдер немесе бейнежазбалар буын бұрыштары мен жылдамдықтарын өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдіске талдау процесін қатты жеңілдететін және тек екі өлшемді емес, үш өлшемді талдауға мүмкіндік беретін талдау бағдарламалық құралының жасалуы көмектесті. Пассивті маркерлік жүйелер, шағылыстыратын маркерлерді (әдетте шағылыстыратын шарларды) пайдалана отырып, бірнеше камераны (әдетте бесеуден он екіге дейін) бір уақытта қолданып, қозғалыстарды дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Камералар денеге орналастырылған маркерлерден шағылысқан жарықты тіркеу үшін сәйкес келетін фильтрлермен бірге жоғары қуатты (әдетте қызыл, жақын инфрақызыл немесе инфрақызыл) стробтарды пайдаланады. Маркерлер анық анатомиялық нүктелерде орналастырылады. Бастапқы және шағылысқан сигнал арасындағы бұрыш пен уақыт кешігуіне сүйене отырып, маркерді кеңістікте үшбұрыштауға болады. Бағдарламалық құрал осы маркерлерден үш өлшемді траекторияларды жасау үшін қолданылады, содан кейін оларға идентификациялық белгілер беріледі. Компьютерлік модель бұл белгіленген траекториялардың салыстырмалы маркерлік орналасуынан буын бұрыштарын есептеу үшін қолданылады. Бұлар сондай-ақ киноиндустриясында қозғалысты түсіру үшін де қолданылады. Активті маркерлік жүйелер пассивті маркерлік жүйеге ұқсас, бірақ "активті" маркерлерді пайдаланады. Бұл маркерлер келіп түскен инфрақызыл сигналға реакция жасайды және өздерінің сәйкес сигналын жібереді. Бұл сигнал маркердің орналасқан жерін үшбұрыштау үшін қолданылады. Бұл жүйенің пассивті жүйеге қарағанда артықшылығы – жеке маркерлер алдын ала белгіленген жиіліктерде жұмыс істейді, демек, олардың өз "ідентациясы" бар. Бұл маркерлердің орналасуын қосымша өңдеудің қажеті жоқ дегенді білдіреді, алайда бұл жүйелер пассивті жүйелерге қарағанда көрінбей қалған маркерлерге аздап төзімді келеді. МЭМС инерциялық сенсорларына, биомеханикалық модельдерге және сенсорлық біріктіру алгоритмдеріне негізделген инерциялық (камерасыз) жүйелер. Бұл толық немесе жартылай дене жүйелерін жарық жағдайларына қарамастан, үй ішінде де, сыртта да қолдануға болады.

Chronophotography is the most basic method for recording of movement. Strobe lighting at known frequency has been used in the past to aid in the analysis of gait on single photographic images. Cine film or video recordings using footage from single or multiple cameras can be used to measure joint angles and velocities. This method has been aided by the development of analysis software that greatly simplifies the analysis process and allows for analysis in three dimensions rather than two dimensions only. Passive marker systems, using reflective markers (typically reflective balls), allows for accurate measurement of movements using multiple cameras (typically five to twelve cameras), simultaneously. The cameras utilize high powered strobes (typically red, near infrared or infrared) with matching filters to record the reflection from the markers placed on the body. Markers are located at palpable anatomical landmarks. Based on the angle and time delay between the original and reflected signal, triangulation of the marker in space is possible. Software is used to create three dimensional trajectories from these markers that are subsequently given identification labels. A computer model is then used to compute joint angles from the relative marker positions of the labeled trajectories. These are also used for motion capture in the motion picture industry. Active marker systems are similar to the passive marker system but use "active" markers. These markers are triggered by the incoming infra red signal and respond by sending out a corresponding signal of their own. This signal is then used to triangulate the location of the marker. The advantage of this system over the passive one is that individual markers work at predefined frequencies and therefore, have their own "identity". This means that no post processing of marker locations is required, however, the systems tend to be less forgiving for out of view markers than the passive systems. Inertial (cameraless) systems based on MEMS inertial sensors, biomechanical models, and sensor fusion algorithms. These full body or partial body systems can be used indoors and outdoors regardless of lighting conditions.

Белгісіз жүріс-тұрысты түсіру

Маркерсіз жүріс-тұрыс түсіру жүйелері бір немесе бірнеше түсті камераларды немесе 2,5D тереңдік сенсорларын (мысалы, Kinect) пайдаланып, суреттер тізбегінен дене буындарының орналасуын тікелей есептейді. Маркерсіз жүйе табиғи ортада маркерлерді тіркемей, инвазивті емес адам жүріс-тұрысын талдауға мүмкіндік береді. Маркерлерді жою адам жүріс-тұрысын өлшеу және талдау техникаларының қолданылу аясын кеңейтеді, дайындық уақытын едәуір қысқартады және түрлі қолдануларда қозғалысты тиімді және дәл бағалауға жағдай жасайды. Қазіргі уақытта басты маркерсіз жүйе – монокуляр камерамен немесе көп камералы студиямен бейнеге негізделген қозғалыс түсіру. Бүгінде клиникалық қолдану үшін тереңдік сенсорларына негізделген жүріс-тұрысты талдау кеңінен таралды. Тереңдік сенсорлары тереңдік туралы ақпаратты өлшеуге және 2,5D тереңдік суретін беруге қабілетті болғандықтан, олар алдыңғы және артқы фонды бөліп алу жұмысын тиімді түрде жеңілдетіп, монокулярлық адам позын бағалаудағы беймәлімдікті айтарлықтай азайтты.

Қысымды өлшеу

Қысымды өлшеу жүйелері жүріс-тұрысты өлшеудің қосымша тәсілі болып табылады, олар қысымның таралуы, тірек ауданы, күш орталығының қозғалысы және екі жақ арасындағы симметрия туралы мәліметтер береді. Бұл жүйелер көбінесе қысым туралы ғана емес, сонымен қатар күш, уақыт және кеңістіктік параметрлер сияқты қосымша мәліметтерді де ұсынады. Қысымды бағалау үшін әртүрлі әдістер бар, мысалы, қысымды өлшейтін кілем немесе жол (көбірек қадамдарды тіркеу үшін ұзындығы артық), сондай-ақ ішкі сенсорлары бар аяқ киімдегі қысымды өлшеу жүйелері. Көптеген қысымды өлшеу жүйелері жүріс-тұрысты толыққанды талдау үшін қозғалысты тіркеу, ЭМГ немесе күш платформалары сияқты қосымша талдау жүйелерімен интеграцияланады.

Кинетика

Бұл – қозғалыстардың туындауына қатысқан күштерді зерттеу ғылымы.

Динамикалық электромиография

Бұл жүріс кезіндегі бұлшықет қызметінің үлгілерін зерттеу.

Медициналық диагностика

Патологиялық қадам негізгі патологиялардың орнын толтыруы мүмкін, немесе өзі симптомдардың туындауына себеп болуы мүмкін. Церебральды паралич және инсультпен ауыратын науқастар көбінесе қадам зертханаларында кездеседі. Қадамды зерттеу диагноз қоюға және емдеу стратегияларын жасауға, сондай-ақ оңалту инженериясының болашақ дамуына мүмкіндік береді. Клиникалық қолданыстардан басқа, қадам талдауы кәсіби спорттық жаттығуларда спортшылардың өнімділігін оңтайландыру және жақсарту үшін қолданылады. Қадам талдау техникалары қадам бұзылыстарын және түзетуші ортопедиялық хирургияның нәтижелерін бағалауға мүмкіндік береді. Церебральды параличті емдеудің мүмкіндіктеріне ботокс қолдану арқылы спастикалық бұлшық еттерді жасанды түрде сал қалу, немесе белгілі бір шеміршектерді (tendons) ұзарту, қайта бекіту немесе ажырату кіреді. Бұрмаланған сүйек анатомиясын түзету (остеотомия) жүзеге асырылады, сондай-ақ остеопатиялық манипуляциялық терапия (ОМТ) та қолданылады.

Салыстырмалы биомеханика

Адам емес жануарлардың қадамдарын зерттеу арқылы қозғалыс механикасы туралы тереңірек білуге болады, бұл сұрақ тудырған түрдің биологиясын түсінуге, сондай-ақ қозғалыстың өзін жан-жақты қарастыруға мүмкіндік береді.

Биометриялық жүріс

Қадамды тану – адамдарды олардың қадам басып жүру стилі мен қарқыны бойынша танитын және тексертін мінез-құлықтық биометриялық аутентификацияның бір түрі. Қадамды тану саласындағы жетістіктер әр адамның бірегей өлшемдері, мысалы, тобық, тізе және жамбас орналасуы арқылы анықталатын қадамдарының ерекшеліктерін пайдалану үшін криминалистикада қолданылатын техникаларды дамытуға мүмкіндік берді.

Бақылау

2018 жылы Қытай үкіметі адамдарды, тіпті беттері жасырылған жағдайда да, бірегей анықтауға мүмкіндік беретін, қадамдарды талдауға негізделген бақылау құралдарын жасады деген хабарлар тарады.

Халықтық ақпарат құралдары

Г.К. Честертон өзінің "Квир аяғы" атты "Фатер Браун" сырларының бірін жүріс ерекшеліктерін анықтауға негіздеді. Кори Доктороу өзінің "Кіші бауыр" кітабында жоғары мектепте қолданылатын қауіпсіздік шарасы ретінде жүріс ерекшеліктерін анықтауды кеңінен пайдаланады. Артур Конан Дойл "Қызыл киімдегі кабинет" романында Шерлок Холмстың Раш кісі өлтірушісінің бойын анықтау үшін жүріс талдауын қолдануын көрсетеді. "Mission: Impossible – Rogue Nation" фильмінде жүріс талдауы қолданылады, онда Бенджи Данн қауіпсіздік протоколының бір бөлігі ретінде жүріс талдау бағдарламалық қамтамасын пайдаланатын нысанға енуі керек.