Лаборатория биомеханики

Биомеханическая оценка двигательных возможностей человека

 Оценка двигательных возможностей человека должна проводиться в биомеханической лаборатории, оснащенной новейшей исследовательской аппаратурой.

Принципиально важно проводить:

• комплексную оценку походки (подография, гониометрия, ихнография)
• видеоанализ движений (биомеханические параметры движений человека: суставные углы, скорости, ускорения);
• оценку электрической активности мышц во время движения;
• оценку равновесия (стабилометрия).

В лаборатории биомеханики ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России комплексная оценка походки проводится с использованием подометрической дорожки Walkway (Tekscan,США), представляющей из себя напольную систему в виде дорожки с вмонтированными в нее датчиками давления. Система обеспечивает автоматизированный расчет следующих параметров цикла шага:

• кинетических (импульс нагрузки на стопу, максимальное пиковое давление);
• временных (периодов опоры и переноса, коэффициент ритмичности);
• пространственных (длина, ширина шага, угол разворота стопы);
• динамических (расстояния, скорости, темпа ходьбы);
• рассчитывает разницу между показателями правой и левой ноги.

Пример результатов исследования представлен на рис. 1.

Рисунок 1 – Результат исследования на подометрической дорожке Walkway

 Исследование походки можно также проводить с помощью подографического комплекса F-scan (Tekscan, США), датчики которого помещаются в  обувь исследуемого и регистрируют изменение давления, производимого больным при стоянии или ходьбе. В отличие от подографичекой дорожки этот метод позволяет оценить распределение давления по зонам стопы, величину максимального давления в исследуемой зоне, а так же перемещение центра масс каждой стопы (на рис. 2).

Рисунок 2 - Результаты исследования ходьбы на подографическом комплексе F-scan.

Если возникает необходимость оценки величины и зон давления внутри гильзы протеза в процессе ходьбы, нами используется программа F-Socket для F-scan. Тонкие датчики высокого разрешения помещают в приемную гильзу протеза.

Полученная информация отображается в виде графиков, позволяющих проводить количественный анализ данных. Результаты исследования позволяют  улучшить дизайн гильзы протеза, что влияет на состояние культи и продолжительность пользования протезом. Пример представления результатов на рис. 3.

Рисунок 3 - Результаты исследования ходьбы на протезе бедра, программа F-Socket для F-scan

 Для изучения пространственно-временных характеристик походки, углов в тазобедренном, коленном, голеностопном суставах в фазы переноса и опоры при ходьбе по ровной и наклонной поверхностям, а так же по ступеням лестницы использовалась система видеозахвата движений Simi Motion Systems GmbH (Германия). Система позволяет записывать различные движения в режимах 2D и 3D, анализирует биомеханические параметры движений человека  (суставные углы, скорости, ускорения). Сбор 2D/3D-данных о движениях происходит за счет слежения за центрами суставов с использованием светоотражающих маркеров. Программное обеспечение системы видеоанализа движений позволяет производить:

• расчет данных о движениях (положение, траектория, скорость, ускорение и т.д.),
• анализ данных и создание отчетов,
• экспорт данных в сторонние программные продукты.

Схема расположения маркеров и трехмерная модель человека, построенная программой Simi Motion, представлена на рис. 4.

Рисунок 4 -  Положение маркеров и трехмерная модель человека (Guideline to conduct a Gait analysis with Simi Motion 2014)

 Величину реакции опоры измеряют с помощью динамометрической платформы BERTEC (США), установленной под покрытием подиума, по которому перемещается обследуемый. Платформа снабжена датчиками, преобразующими механические деформации крышки в электрические сигналы. На мониторе компьютера можно видеть:

• графики составляющих силы реакции опоры в осях "сила-время";
• динамику точки приложения результирующего вектора силы реакции опоры в   плоскости крышки платформы;
• динамику вектора результирующей силы реакции опоры в пространстве в процессе контакта.

Оборудование имеет возможность синхронной записи параметров движения человека с системой видеоанализа.

Для оценки поверхностной электрической мышечной активности во время различных движений  нами используется миограф Trigno (Delsys Inc., США), представляющий из себя 8 канальную беспроводную систему. Одновременно может проводиться запись до 8 поверхностных ЭМГ сигналов у человека и передающихся по беспроводному интерфейсу от EMG сенсоров на базовую станцию (на расстоянии менее 20 метров). Беспроводные ЭМГ датчики отличаются компактностью и малым весом. Они легко закрепляются на коже и могут быть скрыты под одеждой. Пример результатов исследования  представлен на рис. 5.

Рисунок 5 – Сырой ЭМГ сигнал (Raw) и огибающая (envelope)

Оборудование имеет возможность синхронной записи параметров движения человека с системой видеоанализа.

 Для диагностики нарушения равновесия нами использовалась стабилоплатформа ST-150 (Россия), позволяющая регистрировать перемещение горизонтальной проекции общего центра масс тела на плоскость опоры в положении обследуемого стоя. Метод позволяет оценить состояние нервной системы, вестибулярного аппарата, координационно-двигательного центра, пространственную ориентацию. Основные параметры исследования:

• длина, площадь статокинезиограммы;
• скорость, амплитуда колебаний;
• направление плоскости колебаний.

Положение человека во время обследования на стабилоплатформе представлено на рис. 6.

Рисунок 6 – Положение человека во время обследования на стабилоплатформе

 Биомеханическая лаборатория ФГБУ «ПФМИЦ»  Минздрава России позволяет объективно оценивать статику, ходьбу, различные локомоции человека, а так же функцию верхних конечностей.