TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Badania zostały zrealizowane ze środków Narodowego Centrum Nauki w Polsce w ramach projektu nr 2016/23/B/NZ7/03310.
Większość publikacji związanych z badaniami chodu z kijami Nordic Walking (NW) stanowi tzw. zestawienia kontrastowe np. chodzenie z kijami było porównywane (w laboratoriach, albo w terenie) do chodzenia bez kijów i biegania [23, 28]. Prowadzone badania dotyczyły wpływu NW na nastrój, wydolność tlenową i sprawność mięśni czy różnic w koszcie energetycznym w porównaniu do tradycyjnego marszu [20, 26, 27]. Głównym obszarem zainteresowania badaczy były zagadnienia fizjologiczne, a wyniki badań wykorzystywano w różnych programach rehabilitacyjnych, głównie w rehabilitacji kardiologicznej oraz geriatrycznej.
Badania wskazały jednoznacznie, iż jedną z najbardziej efektywnych form aktywności fizycznej w nadciśnieniu tętniczym jest marsz z kijami NW. Taki marsz może znacząco zwiększyć wydatek energetyczny, co ma istotne znaczenie w szybszym podnoszeniu wydolności fizycznej i redukcji masy ciała. Efektem intensywnego ruchu w NW jest obniżenie wartości trójglicerydów, przy wzroście HDL, oraz poprawa tolerancji insuliny [5]. NW w porównaniu do normalnego marszu w większym stopniu angażuje układ mięśniowy, zwłaszcza górnej części ciała, prowadząc do zwiększonej reakcji układu krążeniowooddechowego przy jednoczesnym braku odczuwanego zmęczenia [19, 24, 32]. Prawdopodobnie, jest to spowodowane przesunięciem progu psychomotorycznego zmęczenia w odpowiedzi na zwiększoną intensywność wysiłku aerobowego [4].
Obciążenie kończyn dolnych w NW pozostaje na tym samym poziomie co marsz bez kijów, jednak porównując szybki marsz z kijami z truchtem okazuje się, że NW zmniejsza obciążenie kończyn dolnych oraz obniża ryzyko przeciążenia odcinka krzyżowolędźwiowego kręgosłupa, przy tej samej prędkości poruszania się [10, 28].
Niektóre z badań opisujące programy usprawniania pacjenta potwierdzają efektywność NW w podnoszeniu wydolności fizycznej i wzmacnianiu mięśni kończyn górnych [13, 29]. Korzystne efekty tego rodzaju marszu potwierdzono także w grupie osób z przewlekłymi bólami kręgosłupa, z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc oraz u kobiet po mastektomii [19,24,32]. Ważnym zakresem badań uwzględniających NW w rehabilitacji są wskazania dotyczące poprawy mobilności osób z chorobą Parkinsona [8].
Mechanizm biologicznego sprzężenia zwrotnego jest coraz powszechniej wykorzystywany w rehabilitacji osób z zaburzeniami stabilności postawy ciała i chodu [1, 18, 31]. Dla uzyskania informacji o stanie fizjologicznym organizmu lub prawidłowości wykonania zadania ruchowego stosowane są sygnały świetlne lub/i akustyczne. Wykorzystanie biologicznego sprzężenia zwrotnego zwiększa efektywność rehabilitacji, pozwalając na uzyskanie istotnie większej poprawy sprawności, skrócenie czasu rehabilitacji oraz zmniejszenie jej kosztów. Dotychczasowe badania potwierdziły wysoką skuteczność tej metody u chorych ze schorzeniami neurologicznymi: z móżdżkowymi zaburzeniami równowagi, osób po udarze mózgu, dzieci z mózgowym porażeniem dziecięcym, osób chorych na chorobę Parkinsona [3,7,15,16,17, 36], jak również u chorych ze schorzeniami układu krążenia (choroba niedokrwienna serca, niewydolność serca, chromanie przestankowe, nadciśnienie tętnicze) [11,13, 14,21,25] oraz chorych z cukrzycą i otyłością [9].
Rehabilitacja medyczna jest warunkiem skutecznego leczenia większości chorób, niestety z różnych przyczyn tylko niewielki odsetek chorych jest w Polsce rehabilitowany, nawet w przypadku chorych kardiologicznych po leczeniu ostrych zespołów wieńcowych.
Poszerzenie dostępności i skuteczności rehabilitacji metodą Nordic Walking, mogłoby zmienić tę sytuację. Skonstruowanie kijów wspomagających wypracowanie prawidłowej techniki chodu poprawiłoby skuteczność rehabilitacji metodą NW bez konieczności bezpośredniego nadzoru rehabilitanta.
Do uzyskiwania informacji zwrotnej używane są najczęściej zewnętrzne urządzenia np. platformy tensometryczne, systemy wizyjne, elektromiografia. Natomiast stosunkowo rzadko wykorzystywane są systemy wbudowane w sprzęt stosowany podczas nauki i reedukacji chodu, np. kule [35]. Pojedyncze doniesienia wskazują, że wyposażenie kul w systemy pozwalające na informację zwrotną o ich obciążeniu zwiększa skuteczność reedukacji chodu osób po udarze mózgu [26]. Coraz powszechniej funkcję kul jako sposobu zwiększania równowagi człowieka i ułatwiania chodu przejmują kije stosowane podczas chodu NW. Prawidłowo wykorzystywane pozwalają na intensywną aktywację grup mięśni w obrębie kończyn dolnych i górnych oraz tułowia, co w istotnym stopniu przyczynia się do poprawy skuteczności procesu rehabilitacji. Należy podkreślić, że kije nieprawidłowo stosowane, co jest częstym zjawiskiem, nie tylko nie spełniają swojego zadania, ale nawet mogą stwarzać zagrożenie dla ich użytkowników.
Dotychczas nie opracowano kijów do NW, które umożliwiałyby uzyskiwanie zwrotnej informacji o podstawowych parametrach kinematycznych i dynamicznych chodu, oraz które pozwoliłyby na opracowanie optymalnego modelu chodu z kijami, a w konsekwencji modelu tego chodu dla osób z różnymi dysfunkcjami. Skuteczność, bezpieczeństwo, dostępność, niski nakład finansowy, możliwość samodzielnego ćwiczenia oraz dobór intensywności do indywidualnych możliwości są czynnikami rekomendującymi tą formę ruchu w profilaktyce pierwotnej i wtórnej wielu schorzeń.
W pierwszej kolejności zostaną zdefiniowane, istotne parametry kinematyczne i dynamiczne chodu z kijami. Celem tego działania jest uzyskanie informacji o zakresach pomiarowych oraz wymaganiach dla układu sensorycznego, komunikacji i przetwarzania danych (prędkość transmisji, rozdzielczość, itp.).
Na podstawie uzyskanych pomiarów zostanie opracowany wstępny projekt mechatronicznych kijów NW, którego poprawność musi być zweryfikowana badaniami eksperymentalnymi. Obecnie brak jest uniwersalnej aparatury pomiarowej umożliwiającej wykonanie niezbędnych badań, która mogłaby być zastosowana do weryfikacji opracowanej konstrukcji. Konieczne jest zatem opracowywanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego, które pozwoli na uzyskanie powtarzalnych warunków ruchu układu kończyna dolna-kij-podłoże. Do tego celu przewiduje się opracowanie oraz wykonanie dwóch oddzielnych stanowisk badawczych.
Jedno będzie laboratoryjnym stanowiskiem stacjonarnym przeznaczonym do opracowania i testowania układu pomiarowego (rys. 1). Struktura oraz działanie stanowiska ma na celu odzwierciedlić zakładane ruchy i odtwarzać je cyklicznie z różnymi zadanymi parametrami ruchu.
Opracowanie stanowiska wymaga doboru odpowiedniego schematu kinematycznego, wymiarów geometrycznych, napędów, układu sterowania, aby w jak najlepszy sposób odzwierciedlić ruch kończyny dolnej i zsynchronizować go z ruchem kończyny górnej z kijem. Odczyt danych i zadawanie parametrów ruchu będzie odbywać się z poziomu komputera wyposażonego w dedykowane układy kontrolno-pomiarowe. Wszystkie dane z układów sensorycznych będą dodatkowo rejestrowane, aby umożliwić ich późniejsza analizę. Wyniki badań wykonanych na stanowisku laboratoryjnym umożliwią zweryfikowanie przyjętych metod pomiarowych, co z kolei pozwoli na wykonanie optymalnej wersji drugiego stanowiska.
Rys. 1. Przykładowa koncepcja stanowiska modelującego ruch kończyny górnej z kijem NW
Drugie stanowisko pomiarowe (rys. 2) będzie stanowiskiem mobilnym, które w założeniach ma realizować pomiar oraz rejestrację danych podczas chodu człowieka w warunkach naturalnych. Zakłada się, że układy sensoryczne będą umieszczone w kijach oraz butach i pozwolą na ocenę poprawności chodu. Układ pomiarowy będzie wyposażony w niezbędne rejestratory danych oraz interfejsy użytkownika, aby w łatwy sposób zarejestrowane dane analizować. Dodatkowo, układ pomiarowy będzie realizował proces nadzoru nad poprawnością wykonywanych ruchów, których charakter zostanie opracowany we wcześniejszym etapie prac. Podczas wykonywania pomiarów użytkownik będzie na bieżąco informowany o poprawności ruchów za pośrednictwem komunikatów dźwiękowych, świetlnych, wibracyjnych, itp. Dzięki temu na bieżąco będzie wykonywana korekta ewentualnych błędów w realizacji zakładanych ruchów. Do tego celu planuje się użyć ogólnie dostępnych urządzeń mobilnych (telefon komórkowy, tablet, itp.) wyposażonych w standardowe układy komunikacji bezprzewodowej.
Dodatkowym elementem, na który należy zwrócić podczas budowy mobilnego stanowiska pomiarowego jest czas trwania jednego cyklu pomiarowego. W warunkach laboratoryjnych długość spaceru jest ograniczona długością pomieszczenia Dodatkowo osoba badana może się w pełni skoncentrować na technice chodu i nie jest narażona na inne bodźce zakłócające (np. zbliżanie się do ściany, konieczność zatrzymania, wykonania nawrotu powoduje zbędną dekoncentrację). Dla zachowania wiarygodności wyników pomiarów muszą być one wykonane w dłuższym, nieprzerwanym cyklu.
Rys. 2. Przykładowa koncepcja mobilnego stanowiska pomiarowego parametrów
Celem zadania jest opisanie wpływu techniki NW na biomechanikę układu ruchu człowieka z wykorzystaniem modelowania komputerowego oraz badań eksperymentalnych. W oparciu o analizę biomechaniczną podjęta zostanie próba zdefiniowania optymalnych warunków treningu w rehabilitacji z wykorzystaniem mechatronicznych kijów NW.
W pierwszym etapie opracowany zostanie uproszczony komputerowy model ciała człowieka wraz z kijami przeznaczony do dynamicznej symulacji techniki chodu NW. Narząd ruchu człowieka zostanie zamodelowany jako układ wieloczłonowy z wykorzystaniem specjalistycznego systemu analizy dynamicznej układów wielomasowych (rys. 3). Następnie przeprowadzona będzie seria eksperymentów, podczas których dla różnych warunków treningu zarejestrowany zostanie szereg danych pomiarowych: ruchu człowieka i kijów, siły nacisku stopy na podłoże, parametry zmierzone przez układ pomiarowy umieszczony na kijach (np. przyspieszenia, siły nacisku na rękojeść, siły nacisku kija na podłoże). Wybrane dane eksperymentalne (wielkości kinematyczne, siły reakcji, itp.) zostaną wprowadzone do budowanego modelu komputerowego.
Rys. 3. Przykładowy widok uproszczonego modelu numerycznego człowieka podczas chodu z kijami NW w systemie analizy dynamicznej układów wielomasowych
W oparciu o uzyskane z pomiarów parametry kinematyczne i dynamiczne zostaną przeprowadzone symulacje w celu wyznaczenia wypadkowych momentów sił w stawach. Uzyskane wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych posłużą do identyfikacji wybranych czynników chodu NW istotnych w rehabilitacji, takich jak obciążenie poszczególnych stawów.
Opisana zostanie zależność wybranych wielkości i danych eksperymentalnych uzyskanych z układu pomiarowego sprzężonego z mechatronicznymi kijami NW. Zależność między wielkościami zmierzonymi przy pomocy mechatronicznych kijów a wielkościami biomechanicznymi otrzymanymi na drodze symulacji zostanie zastosowana w opracowanych algorytmach kontroli treningu z wykorzystaniem biologicznego sprzężenia zwrotnego.
Chód jako forma lokomocji charakteryzuje się małymi prędkościami i cyklicznymi ruchami, które można zarejestrować metodami kinematograficznymi w warunkach laboratoryjnych. Analiza chodu jest pomocna do określenia efektywności leczenia zachowawczego, chirurgicznego, w porażeniu mózgowym, dystrofii mięśniowej czy chorobie Parkinsona. Pewne parametry chodu mogą wykazywać różnice międzyosobnicze w zależności od wieku, występujących chorób lub urazów.
Jednostką chorobową, która w szczególny sposób wpływa na chód człowieka, ponieważ często uniemożliwia jego kontynuowanie, jest przewlekłe niedokrwienie kończyn dolnych. W ramach programu badawczego WROVASC, dotyczącego opracowania optymalnego modelu rehabilitacji u pacjentów z chorobą niedokrwienną kończyn dolnych (chromanie przestankowe), przeprowadzono analizę parametrów kinematycznych i dynamicznych chodu z wykorzystaniem metody filmowej przy użyciu optoelektronicznego systemu analizy ruchu BTS Smart-E (Firmy BTS Bioengineering). Zasadne wydaje się kontynowanie powyższych badań z zaakcentowanym udziałem mechatronicznych kijów do Nordic Walking, ponieważ w badaniach, w których mierzono siły reakcji podłoża podczas chodu z kijami brakuje jednoczesnego pomiaru sił pomiędzy podłożem a kijem NW [34].
Badania wstępne mające na celu weryfikacje działania mechatronicznych kijów NW zostaną wykonane na kilkuosobowych grupach różniących się wiekiem i stopniem zawansowania techniki NW. U wszystkich badanych zostanie przeprowadzona jednorazowa kinematyczna i kinetyczna analiza chodu swobodnego, z klasycznymi kijami do (NW) i kijami mechatronicznymi.
Na podstawie otrzymanych wyników, a zwłaszcza informacji zwrotnej pozyskanej z mechatronicznych kijów, zostanie opracowany wzorzec biomechaniczny i energetyczny chodu, który zostanie wykorzystany w programowaniu treningu chorych na przewlekłe choroby i zweryfikowany w drugiej części badań.
Rys. 4. Przykładowy widok badnia chodu z mechatronicznymi kijami NW
Weryfikacja treningu z wykorzystaniem mechatronicznych kijów (NW) planowana jest w grupach osób chorych: na przewlekłe niedokrwienie kończyn dolnych, chorobę niedokrwienną serca oraz w starszym wieku i z otyłością. U wszystkich badanych zostanie przeprowadzona kilkukrotna analiza kinematyczna i kinetyczna chodu swobodnego, z klasycznymi kijami do (NW) i kijami mechatronicznymi.
Podczas realizacji badań wykorzystane będą zarówno metody eksperymentalne, jak również techniki symulacji komputerowej. Na potrzeby badań opracowana zostanie nowatorska metoda pomiarowa, wykorzystująca mechatroniczne kije zaopatrzone w układ pomiarowy monitorujący ich parametry kinematyczne i dynamiczne oraz algorytmy przetwarzania danych pomiarowych.
Rys. 5. Przykładowe parametry chodu NW uzyskane on-line podczas badań
Wprowadzenie nowych technik pomiarowych umożliwi ilościową i obiektywną analizę ruchu człowieka. Podczas, gdy subiektywna metoda obserwacji daje ograniczone możliwości badawcze, metody ilościowe są cennym narzędziem w praktyce klinicznej, jak również w badaniach naukowych z zakresu biomechaniki [30].
Najczęściej stosowanymi narzędziami w badaniu kinematyki chodu człowieka są optyczne systemy śledzenia ruchu, mierzące z wysoką dokładnością i częstotliwością trajektorie markerów umieszczonych na ciele pacjenta. Ograniczona przestrzeń pomiarowa oraz konieczność zapewnienia określonych warunków oświetlenia sprawiają, że metoda ta wykorzystywana jest najczęściej w warunkach laboratoryjnych.
Drugą grupą rozwiązań są inercyjne systemy analizy ruchu wykorzystujące czujniki przyspieszenia. Odpowiednia kalibracja i obliczenia umożliwiają pomiar trajektorii akcelerometrów w przestrzeni. Wykorzystanie tych systemów jest w szczególności zasadne podczas badań w terenie. Dodatkowym atutem jest możliwość wykorzystania takich czujników wraz z urządzeniami mobilnymi.
W przypadku przemieszczenia w przestrzeni określenie prawidłowych wartości jest bardziej skomplikowane, ponieważ sensor mierzy jedynie przyspieszenie liniowe, które jest obarczone dużym błędem względnym na skutek zakłóceń pochodzących głównie od wibracji generowanych przez mierzone obiekty, a przemieszczenie można uzyskać jedynie przez proces dwukrotnego całkowania sygnału, który powoduje narastanie wartości błędu. Jednak przy zmniejszeniu dynamiki sygnału i zastosowaniu odpowiednich filtrów wyniki są akceptowalne. Dlatego zastosowanie tego rodzaju czujników do pomiarów wielkości kinematycznych w chodzie NW wydaje się zasadne, szczególnie do określenia orientacji poszczególnych segmentów ludzkiego ciała.
Narzędzia te służą do pomiaru parametrów czasowo-przestrzennych, takich jak długość kroku, prędkość chodu, częstość kroków, udział poszczególnych faz chodu oraz wielkości kinematycznych - kątów w stawach [6]. Ilościowy opis kinematyki umożliwia definiowanie wzorców ruchowych. W praktyce klinicznej wykorzystuje się opracowane normy w diagnostyce [30], a uzyskane dane pomiarowe w ocenie skuteczności leczenia i postępów rehabilitacji [2].
W biomechanice sportu zdefiniowane wzorce ruchowe wykorzystuje się w doskonaleniu techniki. Analiza kinematyki chodu uzupełniana jest o badania dynamiczne, gdzie najczęściej mierzone są siły reakcji podłoża przy pomocy platform tensometrycznych lub rozkład sił nacisku stopy przy użyciu specjalistycznych wkładek w bucie [12, 33]. Specjalne czujniki zamontowane w bucie umożliwiają pomiar sił nacisku poza laboratorium w warunkach najbardziej zbliżonych do naturalnych. Zastosowanie metod ilościowego opisu ruchu człowieka umożliwia prowadzenie prac badawczych wpisujących się w nurt medycyny opartej na dowodach - evidence based medicine.
W niniejszych badaniach metody te zostaną zastosowane m.in. w celu:
Zebrane dane kinematyczne i dynamiczne będą wykorzystane do symulacji momentów sił w stawach, jak również sił poszczególnych mięśni w komputerowych modelach narządu ruchu człowieka [22]. Brak możliwości bezpośredniego pomiaru tych wielkości wymusza stosowanie technik modelowania komputerowego.
Układ ruchu człowieka najczęściej modeluje się, jako dynamiczny wieloczłonowy układ, złożony z członów sztywnych. Celem budowy takich modeli jest odzwierciedlenie zarówno struktury kinematycznej, jak również parametrów masowo-bezwładnościowych układu ruchowego człowieka wynikające z przyjętych danych antropometrycznych. Badania symulacyjne dynamiki odwrotnej umożliwia określenie wypadkowych momentów sił w stawach w oparciu o komputerowy model układu wieloczłonowego oraz zebrane dane eksperymentalne, jak trajektorie markerów i siły reakcji. Współcześnie, modele oraz symulacje dynamiczne realizowane są przy pomocy specjalistycznych systemów symulacyjnych.
W ramach podejmowanych badań opracowane zostaną mechatroniczne kije NW. Zaopatrzone one będą w zestaw czujników monitorujących wybrane wielkości kinematyczne i dynamiczne oraz moduł sygnalizacji. Dodatkowo, układ pomiarowy będzie monitorował jakość wykonywanych ruchów. Informacje o nieprawidłowościach będą na bieżąco przekazywane użytkownikowi za pośrednictwem odpowiednich komunikatów.
Mechatroniczne kije umożliwią nie tylko pomiar wielkości kinematycznych i dynamicznych, ale również analizę możliwości zastosowania zjawiska biologicznego sprzężenia zwrotnego w rehabilitacji. techniki komputerowe modelowania zostaną zastosowane do identyfikacji istotnych elementów techniki chodu NW pod kątem rehabilitacji. Pomiar wielkości kinematycznych i dynamicznych zarówno pacjenta, jak i kijów w trakcie chodu NW w warunkach naturalnych wymaga przygotowania innowacyjnych narzędzi pomiarowych.
Przeprowadzone badania zgodne z przedstawioną metodyką pozwolą na dokonanie analizy i zbadania wpływu chodu Nordic Walking (NW) na rehabilitację przy użyciu mechatronicznych kijów.
?