Biomechanika lokomocji

Metody oceny ruchów lokomocyjnych

W badaniach naukowych opisano i wykorzystywano najróżniejsze techniki rejestracji i metody analizy parametrów lokomocji. Klinicyści preferują analizy tak zwanych parametrów wyjściowych lokomocji, jak długość kroku, częstotliwość kroczenia, kąty stawowe, więc tych parametrów, które poddają się łatwej ocenie wizualnej.

Neurolodzy ze zrozumiałych względów analizują aktywność bioelektryczną układu nerwowego i mięśni ( EMG), a z kolei biotechnicy z upodobaniem oceniają siły reakcji podłoża, momenty sił, moce, energie.

W zależności od tego jakie informacje potrzebujemy korzystamy z określonych metod badawczych. Na przykład informacje na temat sprawności energetycznej otrzymamy na podstawie analizy bilansu energii. Z kolei objawy dysfunkcji układu nerwowego można dostrzec, analizując sygnały bioelektryczne mięśni.

Sygnały EMG, momenty sił oraz moc układu motorycznego są ściśle związane z Przyczyną ruchu, podczas gdy parametry kinematyczne, takie jak czas trwania poszczególnych faz kroku, długość kroku i siły reakcji podłoża tylko odzwierciedlają wiele zintegrowanych efektów.

Na przykład przebieg mian kąta stawu kolanowego jest wynikiem sił wytwarzanych przez mięśnie obu nóg. Podobnie siły reakcji podłoża, które odzwierciedlają całkowity iloczyn masy i przyspieszenia wszystkich segmentów ciała, są sumą wszystkich aktywnych sił wewnętrznych organizmu.

W ostatnich latach analiza ruchu za pomocą obiektywnej metody pomiarowej, zbierającej jednocześnie większe ilości informacji ze znaczną dokładnością i niezawodnością.

Biomechniczna diagnostyka chodu budzi sprzeczne opinie. Zwolennikami są biotechnicy prowadzący doskonale prowadzone laboratoria. Nie wskazuje konkretnych patologii, lecz wskazują na objawy, które są zazwyczaj wspólne dla wielu różnych chorób.

Największym argumentem przeciw badaniom biomechanicznym chodu jest wysoki koszt analiz. Koszty wyposażenia nowoczesnego laboratorium do badań lokomocji są porównywalne z kosztami aparatury do rezonansu magnetycznego czy tomografii.

Biomechaniczna ocena laboratoryjna chodu ma wiele wad. Przede wszystkim wymaga względnie długiego czasu analizy.

Badań najczęściej dokonują inżynierowie lub biomechanice. Dlatego wyniki są zrozumiałe dla wąskiego grona naukowców.

Chodzenie jest rezultatem skoordynowanej aktywności około 100 mięśni obejmujących swym zasięgiem wiele stawów. Nadmiarowość komplikuje problem oceny ruchu w złożonych łańcuchach kinematycznych. Nie pozwala na ustalenie wzorca sterowania realizującego dany ruch.

Na przykład:

W czasie analizy ruchu zaobserwowano ograniczenie ruchomości stawu kolanowego, analizując tylko kąty stawu kolanowego nie wiemy nic na temat przyczyn tego zjawiska.

Nie wiemy czy jest to związane :

- podwyższonym napięciem mięśnia czworogłowego uda

- patologicznym napięciem prostowników stawu biodrowego

- wzmożoną aktywnością zginaczy podeszwowych stopy.

Parametry kinematyczne i kinetyczne lokomocji

Kinematyka to opis i analiza ruchu, niezależnie od sił wywołujących ten ruch.

Chód człowieka jest zjawiskiem okresowym cechującym się dużą powtarzalnością.

Podstawowa analiza kinematyki chodu obejmuje badanie zmian rytmu lokomocji, katów stawowych, długości kroku oraz faz podparcia i przeniesienia poszczególnych kończyn.

Pomiary parametrów kinematycznych mają długą historię. Już w XIX wieku pojawiły się pierwsze metody po pozwalające na ilościową ocenę parametrów chodu. Na szczególną uwagę zasługuje opracowana przez Etienne Mareya metoda rejestracji diagramów chodu. Wykorzystując czujniki pneumatyczne montowane do butów osoby badanej , udało mu się zarejestrować sekwencje faz podparcia i przeniesienia w czasie chodu. Marey opracował również specjalny aparat pozwalający na wykonywanie całej serii zdjęć.

Kolejny etap w rejestracji parametrów kinematycznych lokomocji obejmuje utrwalenie na taśmie filmowej poruszających się ludzi i zwierząt.

Największe osiągnięcia pionierskich próbach zapisu filmowego lokomocji człowieka zawdzięczamy amerykańskiemu fotografikowi Muybridgowi . Przez lata filmował ludzi poruszających się w różnych kierunkach.

Kolejny przełom w badaniach kinematycznych parametrów lokomocyjnych wprowadziła metoda pomiaru kątów stawowych za pomocą czujników kąta, czyli goniometrów.

Współcześnie wykorzystuje się w badaniach znaczniki emitujące światło w podczerwieni. Komputer rejestruje współrzędne każdego znacznika i ukazuje w czasie rzeczywistym ruchy poszczególnych segmentów ciała. Na tej podstawie komputer oblicza podstawowe parametry ruchu oraz przebiegi zmian kątów w poszczególnych stawach.

Gdy wymagana jest głębsza analiza prawidłowości funkcjonowania mechanizmów sterowania ruchem kończyn posługujemy się pomiarami parametrów kinetycznych lokomocji,takimi jak siły nacisku kończyn na podłoże lub charakterystyki aktywności bioelektrycznej mięśni. .

Charakterystyka prawidłowego chodu

Lokomocja jest chyba najbardziej spektakularną formą ludzkiej aktywności ruchowej. Jest to bardzo skomplikowane zadanie ruchowe. Uczymy się go od początku naszego życia. Jest to zadanie wykonywane w pełni automatyzowanie i zasadzie bez udziału świadomości.

Dopiero gdy analizujemy działanie zmienionego patologicznie systemu nerwowo-mięśniowo-szkieletowego stwierdzamy, jak bardzo ograniczona jest nasza wiedza na temat biomechaniki lokomocji oraz mechanizmów jej kontroli.

W lokomocji człowieka można wyróżnić trzy podstawowe formy poruszania się:chód, bieg i sprint.

Ten zbiór uzupełniają jeszcze skoki, choć nie są one tak często obserwowane w czasie typowej lokomocji.

Głównym elementem wykonawczym systemu lokomocyjnego są kończyny dolne. Realizują swoją funkcję w sposób okresowy i naprzemienny.

Głównym zadaniem sterowania ruchem kończyn jest dostarczenie energii mechanicznej niezbędnej do utrzymania wyznaczonej prędkości ruchu lub jej zwiekszenia. Kolejnym jest absorpcja energii kinetycznej w celu zmniejszenia impulsowych przeciążeń narządu oraz stabilizacja głowy.

Dla klinicystów prawidłowy chód charakteryzuje pięć cech nazywanych atrybutami chodu

Zaliczamy do nich:

1/ stabilność podparcia

2/ prawidłowy prześwit pod stopą w fazie wymachu kończyny

3/ odpowiednie ustawienie stopy poprzedzające jej kontakt z podłożem

4/ prawidłowa długość kroku

5/ minimalny wydatek energetyczny.

Chód można rozpatrywać jako kombinację wielu złożonych procesów takich jak wytwarzanie i przekazywanie energii, utrzymanie równowagi oraz koordynacja ruchów.

Kliniczna analiza atrybutów chodu:

Ad/1 Zaburzenia stabilności podparcia mogą być nieprawidłowym stawianiem samej stopy czy upośledzeniem kontroli ruchów tułowia lub kończyn dolnych.Np nadmierne napięcie mm brzuchatych. Nieprawidłowe stawianie stopy może być również spowodowane opadaniem stopy, (porażenie wiotkie zginaczy grzbietowych stopy)

Ad/2 dotyczy szeroko rozumianej stabilności lokomocyjnej. Przeciętna wysokość prześwitu podczas normalnego wynosi około 18 mm. Objawem obniżonego prześwitu jest powłóczenie lub szuranie nogami.

Pacjenci z zaburzoną równowagą mają tendencję do chodzenia drobnymi kroczkami z niewielkim prześwitem pod stopami. Polepsza to stabilność przez wydłużenie kontaktu z podłożem, lecz wzrasta możliwość upadku w wyniku potknięcia się.

Ad/3 Koordynacja ruchów zgięcia kolana i zgięcia grzbietowego stopy przygotowuje kończynę do prawidłowego postawienia nogi oraz do aktywnego przejęcia energii uderzenia momencie zetknięcia się pięty z podłożem.

Siła, z jaką pięta uderza w podłoże w chwili rozpoczęcia fazy podparcia, nie może być zbyt mała, gdyż wówczas noga może się poślizgnąć i nastąpi upadek. Jednocześnie nie może być byt duża bo dojdzie do uszkodzenia narządu ruchu.

Ad/4 Z punktu widzenia mechaniki lokomocji amplituda lokomocji i częstotliwość ruchów kończyn wyznaczają szybkość chodu. Miarą amplitudy ruchu nóg jest długość kroku. Nieprawidłowa długość kroku może być spowodowana różnymi zaburzeniami kontroli lokomocyjnej. Np. w wyniku starzenia się organizmu lub postępujących chorób neurodegeneracyjnych. Patologie te powodują znaczne ograniczenie długości kroku. Może być ona na skutek niedowładu mięśni.

Ad/5 Najważniejszym wskaźnikiem prawidłowej lokomocji jest minimalne zużycie energii.

Ludzie poruszają się z pewną preferowaną szybkością zapewniającą zużycie najmniejszej ilości energii.

Wyznaczniki chodu

Wyznaczniki chodu wypełniają trzy główne zadania:

1/ redukują maksymalne uniesienie środka ciężkości

2/ ograniczają jego opadanie w skrajnych położeniach kończyn dolnych- na granicach faz podparcia i przeniesienia

3/ ograniczają boczne przemieszczenia środka ciężkości

Opisano 6 znaczników chodu:

1/ Rotacje miednicy - miednica skręca się do przodu w czasie uderzenia pięty i ku tułowi w chwili odrywania palców, co powoduje efektywne zwiększenie długości kończyny dolnej na granicy faz podparcia i przeniesienia

2/ Przechył miednicy - miednica pochyla się w momentach stawiania pięty i odrywania palców, co również zwiększa efektywną długość kończyny dolnej

3/ Ugięcie kolana - nieznaczne ugięcie nogi w stawie kolanowym ( około 20 stopni) w środku fazy podparcia powoduje obniżenie maksymalnego położenia środka ciężkości.

4/ Ugięcia stawu skokowego - zarówno zgięcie grzbietowe stopy w czasie uderzenia pięty, jak i zgięcie podeszwowe stopy przy odrywaniu palców zwiększają efektywną długość kończyny.

5/ Rotacje poprzeczne nóg - szerokie rozstawienie kończyn dolnych w stawie biodrowym w stosunku do znacznie węższego podparcia stóp powoduje, że w wyniku zewnętrznej rotacji następuje efektywne wydłużenie kończyny, natomiast rotacja wewnętrzna skraca kończynę. Rotacje takie ułatwiają momenty obrotowe pojawiające się w czasie stawiania i odrywania stopy.

6/ Koślawość kolana- anatomiczna koślawość kolana powoduje, że rozstawienie stóp w kolejnych podparciach jest znacznie węższe w porównaniu z szerokością bioder,a tym samym mniejsze są boczne przemieszczenia miednicy oraz ruchy środka ciężkości.

Podstawowe parametry chodu

Lokomocja każdego człowieka ma charakter indywidualny. Każdy z nas ma własny rozpoznawalny wzorzec chodu. Dla ujednolicenia biomechanicznej analizy chodu oraz umożliwienia porównań wprowadzono wiele definicji parametrów opisujących zjawisko lokomocji człowieka.

Wybrane parametry analizy chodu człowieka

Chód jest to cykliczna aktywność ruchowa (ciągłe powtarzanie określonych wzorców ruchowych).

Powtarzające się okresowo zjawisko zamknięte są interwałem czasowym nazywanym okresem, lub cyklem chodu.

Cykl kroku składa się z następujących faz podparcia, lub przeniesienia (wymachu)

Początkiem cyklu jest kontakt początkowy związany z zetknięciem pięty z podłożem w chwili fazy podparcia.

Czas pomiędzy kolejnymi kontaktami początkowymi tej samej nogi wyznacza okres kroku.

Kontakt początkowy rozpoczyna się fazę podparcia nogi a kończy ją moment oderwania palców stóp od podłoża.

W tym czasie rozpoczyna się faza przeniesienia kończyny, która kończy się kolejnym zetknięciem pięty z podłożem.

W cyklu kroku pojawiają się dwukrotnie fazy , w których obydwie kończyny stykają się jednocześnie z podłożem. Okresy te, trwające po około 10% cyklu nazywane są fazami podwójnego podparcia.

Pierwsza faza nazywa się reakcją obciążenia ,druga natomiast reakcją odciążenia.

Następujące po sobie fazy podparcia i przeniesienia wyznaczają cykl kroku. Odwrotnością cyklu jest charakterystyczny parametr nazywany częstotliwością kroku. ( w hercach - liczba kroków na sekundę )

Parametr określający liczbę kroków na minutę nazywamy rytmem lokomocji.

Parametry przestrzenne:

Długość kroku - odległość między kolejnymi punktami podparcia tej samej kończyny.

Wykrok - odległość między charakterystycznymi punktami podparcia obydwu kończyn dolnych.

Przeciętna długość kroku dorosłego człowieka to 1,5 m

U dziecka jest ≈ wysokości jego ciała

STABILNOŚĆ CHODÓW PATOLOGICZNYCH

Głównym przejawem wszystkich patologii układu lokomocyjnego jest znaczne zmniejszenie szybkości poruszania się.

Typy chodu patologicznego:

Brodzący - nadmierne unoszenie nóg w kolanach

Defiladowy - Uszkodzenie układu pozapiramidowego

Kaczkowaty - świadczy o osłabieniu lub niewydolności mięśni bliższych kończyn dolnych lub wrodzonym obustronnym zwichnięciu stawu biodrowego

Kłaniający - przykurcz stawu biodrowego w zgięciu połączony ze sztywnością kręgosłupa

Koszący - kolano usztywnione w wyproście

Parkinsonowski- objaw dysfunkcji jąder podstawnych

Zapadający - przykurcz kolana lub biodra w dużym zgięciu.

---