Gånganalys Håkan Lanshammar Avdelningen för systemteknik Inst f informationsteknologi Uppsala Universitet vt 03 Föreläsning inom kurs i medicinsk informatik 1
Introduktion Några viktiga tillämpningsområden: - kirurgisk behandling - proteser, ortoser - medicinsk behandling - barnhabilitering Andra tillämningsområden innefattar rehabilitering, sportbiomekanik och ergonomi, robotik, animeringar inom filmindustrin 2
Disposition Vad är Biomekanik? Grundbegrepp Kinematiska och kinetiska mät- och analysmetoder Rörelseanalys Belastningsanalys Energianalys Framtida metoder 3
Biomekanik Biomekanik är mekanik, tillämpat på biologiska system. Viktiga områden är: Metodik (neuromuskular dynamik, stelkropps och mjukdelsmekanik), Muskelmekanik,Benmekanik, Implantat/vävnadsmekanik, Ortopedisk biomekanik, Kardiovaskulär/respiratorisk mekanik, Dentalbiomekanik, Skadebiomekanik, Rehabiliteringsbiomekanik, Sportbiomekanik. 4
Grenar av mekaniken Klassisk mekanik Relativitetsteori Kvantmekanik Partikel Stel kropp Deformerbar kropp 5
Analysnivåer Accelererad rörelse Jämvikt 644444 7444448 64 7 84 Dynamisk - Kvasistatisk - Statisk 144 2443 144444 2444443 Dynamisk modell Statisk modell 2D (2 dimensionell, plan analys) - 3D analys 6
Kinematiska data Ledkrafter Kinetiska data Ledmoment Antropometriska data Kinetisk, potentiell energi, Ledeffekt 7
Mät- och analysmetoder Vanliga mätdata: - Kinematik: - 3D koordinater - Ledvinklar - Kinetik: - Yttre krafter: Kraftplattor - Muskelaktiviteter: EMG (- Inre krafter: Kraftgivare i proteser) 8
Kinematisk mätning - Spatiotemporala parametrar (hastighet, stegfrekvens, steglängd,...) Tidtagarur, måttband, fotoceller. Vinklar Potentiometrar, flexibla goniometrar - Koordinater 9 Film- och videobaserade metoder
Kinematik Mätning av 3D koordinater: - Automatisk följning av aktiva (eller passiva) markörer. Ett dussintal kommersiella system finns tillgängliga, t ex ProReflex, Vicon, elite,... 10
11 Mätning av 3d Koordinater
Exempel: ProReflex 240 bilder/sekund Upplösning: 1:60000 Upp till 150 markörer Max. mätavstånd: 75m Max antal kameror: 32 12
13 Exempel: Vicon
Elektromagnetiska givare t ex Polhemus 14
Ledvinklar Goniometrar - Potentiometrar monterade över leder - Flexibla goniometrar 15
Yttre krafter: Kraftplattor Piezo-elektrisk kraftplatta: Kistler AG 16
17 Normal kinetik
Vifor-systemets grundtankar Enkelhet i användandet Ingen instrumentering på patienten Omedelbar kvalitativ resultatpresentation Noggrannhet Betoning på belastningsanalys under gång 18
VIFOR - systemet Kraftplatta Fotocell Dator Tangentbord Fotocell Mixer Videokopiator Datorskärm Videobandsp. Videokamera monitor Videokamera TV- 19
20 Tryckfördelning över fotsulan, stelopererad stortå
Viktiga variabler vid kinetisk analys Muskelmoment Det är dessa som orsakar rörelsen i lederna. Skelettkrafter i lederna Kan orsaka förslitning i lederna (sportskador, smärta, ledförslitning, proteslossning). Muskelkrafter Mekanisk arbete Musklerna är motorerna i rörelseapparaten Detta är starkt kopplat till energiförbrukningen under gången. 21
En länkad stelkroppsmodell beskriver kroppen 22
Frikropp ett grundbegrepp vid mekanisk analys 23
F skelett F akilles Fotled h akilles h stöd F led = F skelett - F akilles Förenklad belastningsanalys i fotleden 24
25 Kraftparallellogram Viktigt då krafterna inte är parallella (vinkel > ~20 grader)
Approximativa uttryck för muskelkraft och skelettkraft: F muskel h stöd = F F = F + F h muskel stöd skelett stöd muskel Exempel: Om stödkraftens hävarm är dubbelt så stor som muskelns, så blir muskelkraften dubbelt så stor som stödkraften! 26
M led Knäled h stöd F led h tp m uf g F stöd 27 Kraftanalys i knäleden med underben+fot som frikropp
28 Kraftanalys i knäleden med allt ovan knäet som frikropp. Analysen kan göras med mätning på Viforbilder.
Ledpositioner, hastigheter, accelerationer Stödkrafter Kropppsparametrar (m, J...) i i Mekanisk modell av människokroppen Muskelkrafter och -moment Skelettkrafter och -moment In- och utdata från en s k invers dynamisk modell 29
Mekanisk energi 1 2 1 2 Etot = Ekin + Epot = mv + Jω + mgh 2 2 Rörelseenergi Lägesenergi 30
Mekanisk energi 1 2 1 2 Etot = Ekin + Epot = mv + Jω + mgh 2 2 Rörelseenerg i Lägesenergi 31
Framtida metoder Markörfri rörelsemätning: - Obehindrad rörelse - Inga problem med markörer som rör sig pga hudrörelser - Enklare mätningar - Enklare analys - Nya tillämpningar 32
Bildbehandling av videosekvenser (Halvorsen, Uppsala universitet, 1999) Bakgrund borttagen Likelihood-bild 33 Kantdetektion Distanstransform
34 Använd kroppsmodell
Modellmatchning till videobild Före matchning Efter Matchning 35
Nuläge och framtid Många svårigheter återstår med markörfria metoder: - Skymda/skuggade konturer - Formförändring pga muskelkontraktioner Markörfria och markörbaserade metoder kommer troligen att användas parallellt under många år för olika ändamål 36
Medicinsk systemteknik - Biomekanik FORSKNING Mätning och analys av människans rörelser Analys av ledkrafter Analys av balansfunktioner GRUNDUTBILDNING Medicinsk systemteknik Medicinsk informatik FORSKARUTBILDNING Systemanalys med människan som studieobjekt Bildanalys Ortopedi 4 lab vid UU Systemteknik Ortopedi Ortopedi Numerisk analys Neurologi 37
38 Tack!!