VYUŽITÍ 3D KINEMATICKÉ ANALÝZY CHŮZE PRO POTŘEBY REHABILITACE – SYSTÉM VICON MX

Analýza chůze má v rehabilitaci své nezastupitelné místo. V klinické praxi se uplatňuje subjektivní hodnocení chůze s cílem diagnostikovat závažnost onemocnění nebo poranění. Při vědeckém přístupu jsou využívána kvantitativní měření, která mají nejčastěji za cíl zhodnotit účinnost vybraného rehabilitačního programu.

V současné době umožňují sofistikované kinematické systémy, mezi které patří i systém Vicon MX, rychlé a přesné zpracování dat. Při kombinaci kinematických a dynamických systémů (silové plošiny) umožňují získaná data komplexní posouzení sledované činnosti. Mezi nejčastěji využívané parametry chůze patří časově-prostorové parametry, úhly mezi segmenty, jednotlivé složky reakční síly a momenty síly v kloubech. Tento článek obsahuje základní informace týkající se provádění analýzy chůze při použití systému Vicon MX a poukazuje na možné výstupy měření.

Klíčová slova:
analýza chůze, kinematika, systém Vicon, rehabilitace

ÚVOD

Základní pohybovou aktivitou, která umožňuje člověku přemísťovat se z místa na místo, je chůze. Její význam pro plnohodnotný život člověka je nezastupitelný.

Chůze normální populace má pět hlavních rysů, které jsou u patologické chůze nejčastěji narušeny (7):

• stabilita ve stojné fázi (při nedostatečné stabilitě může dojít k pádu),
• dostatečná výška chodidla nad podložkou ve švihové fázi (nedostatečná výška může mít za následek zakopnutí),
• vhodné nastavení chodidla ve švihové fázi (končetina by na konci švihové fáze měla být optimálně připravena na další počáteční kontakt),
• adekvátní délka kroku (umožňuje adekvátní rychlost chůze),
• uchování energie (ovlivňuje spotřebu energie, při patologické chůzi se zvyšuje). 

OBLASTI HODNOCENÍ CHŮZE V REHABILITACI

Hodnocení chůze má v rehabilitaci své nezastupitelné místo. Analýza chůze může být prováděna přímo při rehabilitaci, kde slouží k diagnostice nebo hodnocení závažnosti onemocnění nebo zranění. Může být také postupem založeným na vědeckých principech, který má za cíl monitorovat účinky rehabilitačního programu nebo cvičení (1).

Diagnostika pacientů

Siegel a spol. kvantifikovali odlišné motorické strategie využívané ke kompenzaci chůze u osob s oslabenými svaly kyčle (16). Jsou-li flexory kyčle natolik oslabené, že neumožňují kontrolovat extenzi v kyčli, která probíhá po fázi mezistoje, pak tyto osoby minimalizují zrychlení extenze v kyčelním kloubu. Chůze je tedy nezávislá, ale její rychlost je redukována.

Charakteristiku krokového cyklu u dětí s nedostatečnou osteogenezí (typu I) prezentovali Graf a spol. (8). Mezi parametry, které se lišily od kontrolní skupiny, patřilo prodloužení trvání dvouoporové fáze, zpožděný odraz chodidla, redukovaný pohyb v hlezenním kloubu, redukovaná plantární flexe se zvýšenou absorpcí energie v průběhu koncového stoje a menší produkce energie během odrazu.

Efekt chirurgického nebo ortopedického zákroku

Ramsey a spol. provedli osteotomii tibie u 15 osob s osteoartritidou kolene a vybočenými koleny, a zjišťovali, zda po provedení tohoto zákroku dojde ke změnám (14). Analýza chůze ukázala zlepšení mediální laxity a instability a redukci abdukčního momentu, který měl za následek nižší stupeň kontrakce m. vastus mediels a m. gastrocnemius medialis. I přes zlepšení měřených hodnot se sledované parametry významně lišily od hodnot získaných při chůzi kontrolní skupiny.

Magyar a spol. zkoumali efekt mediální menisektomie na parametry chůze (11). Měření ukázala, že došlo ke změně dominance končetiny. Redukce pohybu v kolenním kloubu byla kompenzována zvýšeným pohybem v jiných kloubech (kyčelní kloub kontralaterální končetiny, náklon pánve). Symetrie chůze byla srovnatelná s kontrolní skupinou.

Závěry vědeckých studií nemusí vždy ukazovat na pozitivní výsledek terapie nebo chirurgického zákroku. Beard a spol. při hodnocení efektivity rekonstrukce předního zkříženého vazu zjistili, že provedený chirurgický zákrok neměl za následek redukci funkční translace tibie (2).

Efekt prováděného cvičení a rehabilitace

Peppe a spol. zjistili, že po absolvování rehabilitačního programu došlo u parkinsoniků ke zvýšení rychlosti a frekvence chůze, prodloužení délky kroku, zkrácení trvání stojné fáze a prodloužení švihové fáze (13). Rovněž se zvýšil rozsah pohybu v hlezenním, kolenním a kyčelním kloubu.

Vliv cvičení Pilates na chůzi u pacientů s bolestí dolní části zad posuzovali da Fonseca, Magini a de Freitas (4). Výsledky studie naznačují, že pacienti s bolestí dolní části zad využívají strategii, která jim napomáhá zmírnit velikost reakční síly působící na jejich tělo.

Hesse a spol. sledovali u čtyřiceti hemiparetických pacientů symetrii v provedení chůze (symetrie parametrů odvozených z vertikální složky reakční síly) a funkční parametry chůze (maximální rychlost chůze, délka absolvovaného úseku) a chůze do schodů během čtyřtýdenního rehabilitačního programu podle konceptu Bobath (9). Zlepšení bylo zaznamenáno pouze u maximální rychlosti chůze.

Chůze u pacientů po mozkové mrtvici je charakteristická tím, že nepostižená končetina provádí kompenzační mechanismy, které vyrovnávají deficity hemiparetické končetiny. Regnaux a spol. u těchto osob provedli analýzu chůze, kdy nepostižená končetina byla zatížená externími závažími (15). Výsledky naznačily, že trénink chůze s přídavným zatížením distálního konce nepostižené končetiny může u hemiparetických pacientů zlepšit provedení chůze.

Laterální pohyb pánve (rozsah a symetrie pohybu) v časném stadiu rehabilitace hodnotili u pacientů po mozkové mrtvici Dodd a Morris (5). Analýza ukázala, že změny v laterálním pohybu pánve během rehabilitace nejsou jednotné a předvídatelné. Z toho vyplývá potřeba pravidelného hodnocení každého pacienta v rámci časné rehabilitace.

Analýzu chůze využili Follak a Merk (6) pro funkční diagnostiku při rehabilitaci pacientů po operativním zákroku fraktury calcanea. Na základě této analýzy byl prokázán významný deficit funkční mobility ve švihové fázi krokového cyklu. Při opakovaném měření po ukončení rehabilitace se tento deficit již neobjevil.

Canseco a spol. porovnávali časově prostorové parametry chůze a kinematické parametry nohy a kotníku při chůzi před a po operativní korekci hallux rigidus (3). Výsledky studie ukázaly rozdíly mezi sledovanými parametry před a 1,5 roku po operaci. Došlo ke zlepšení v rychlosti chůze, frekvenci a délce kroku i poměru stojné a švihové fáze. Změny kinematických parametrů po operaci ukázaly posun v provedení chůze k normální populaci.

Biomechanická analýza chůze

Klinické hodnocení chůze je obecně založeno na subjektivních informacích od pacienta a subjektivním pozorování posuzovatele. Reliabilita takového hodnocení je nízká (12), a proto je třeba analýzu chůze objektivizovat a kvantifikovat. Z biomechanického hlediska můžeme nejčastěji používané metody rozdělit na kinematické a dynamické.

Při kinematické analýze chůze u vybraných bodů (segmentů) lidského těla měříme kinematické veličiny jako jsou dráha (úhel), rychlost (úhlová rychlost), zrychlení (úhlové zrychlení), čas.

Winter dělí kinematické metody podle toho, zda měřící zařízení určuje sledovanou veličinu přímo (goniometrie, akcelerometrie), nebo pomocí zobrazení (kinematografie, videografie, optoelektronická zařízení) (17).

Optoelektronická zařízení představují moderní nástroj, který umožňuje komplexní hodnocení pohybu jednotlivých segmentů lidského těla při chůzi v rámci jednoho měření. Přesností a rychlostí následného zpracování jednoznačně převyšuje dříve používaná kinematografická a videografická zařízení. Schéma analyzovaného prostoru je na obrázku 1.

OPTOELEKTRONICKÉ SYSTÉMY

Princip měření a hlavní výhody

U zobrazovacích kinematických systémů, mezi které patří i systém Vicon MX, je poloha segmentů těla určována pomocí projekcí vybraných anatomických bodů, na které jsou před samotným měřením umístěny značky. S přihlédnutím k typu použitých systémů a podle způsobu řešení dané úlohy můžeme značky rozdělit na pasivní a aktivní (10). Aktivní značky vysílají signál, který je zaznamenáván pomocí speciálních kamer nebo jiných adekvátních zařízení. U pasivních značek se využívá toho, že značka je kontrastní vzhledem k pozadí, na kterém je umístěna.

Hlavní výhodou optoelektronických systémů je automatické hodnocení polohy kontrastních značek v prostoru s vysokou přesností. U dříve používaných zařízení (videokamery) musela být poloha značky určena buď manuálně při vyhodnocování videozáznamu, nebo poloautomaticky s využitím kontrastních značek. Při obou postupech dochází ke vzniků nepřesností. Nevýhodou optoelektronických systémů je, že jejich použití mimo laboratorní podmínky není možné kvůli velkému množství rušivých vlivů.

Zdroje chyb

V současné době technický stav optických systémů schopných měřit polohu reflexních značek umístěných na kůži není významným zdrojem chyb při klinickém měření chůze. Mezi základní problémy patří určování antropometrických charakteristik subjektu a kompenzace pohybu měkkých tkání (1).

ANALÝZA CHŮZE S VYUŽITÍM OPTOELEKTRONICKÉHO SYSTÉMU VICON MX

U systému Vicon MX patří mezi standardní modely určené pro analýzu chůze člověka PlugInGait (pánev a dolní končetiny) a PlugInGait FullBody (hlava, hrudník, horní končetiny, pánev, dolní končetiny). Oba jsou založeny na modelu Newington – Helen Hayes. V modelu jsou definovány vstupní (soubor značek, antropometrické charakteristiky) i výstupní (časově-prostorové parametry, úhly v kloubech …) parametry.

Příprava subjektu a antropometrická měření

Před samotným měřením musí být na analyzovaném subjektu provedena antropometrická měření. Jejich hodnoty slouží pro výpočty středů kloubů. Mezi povinná měření patří: hmotnost, tělesná výška, šířka kotníku, šířka kolena, délka dolní končetiny (vzdálenost mezi malleolus medialis a spina iliaca anterior superior), šířka lokte, šířka zápěstí, vzdálenost mezi dorzální a palmární stranou ruky a vzdálenost mezi středem ramenního kloubu a acromionem.

Po provedení měření jsou na subjekt připevněny reflexní značky. Některé mají pevně stanovenou polohu, jako kožní projekce vybraných anatomických struktur, jiné mají polohu specifikovanou orientačně a slouží k zachycení rotací segmentů. Polohy značek pro model PlugInGait FullBody jsou uvedeny v tabulce 1.

Nasnímání pohybu

Před samotným měřením je vhodné provést statickou kalibraci subjektu, při které je subjekt nasnímán při stoji, s následným přiřazením názvů sledovaných bodů. Software pak provede statickou kalibraci modelu a přiřadí k bodům segmenty. Jakmile se subjekt s připevněnými body objeví ve zkalibrovaném prostoru, je možné pohyb těchto bodů v měřícím software sledovat v reálném čase. Při zařazení silových plošin do systému můžeme sledovat také vektor reakční síly (obr. 2).

V dalším zpracování záznamu software provede filtraci dat, podle silových plošin detekuje stojnou a švihovou fázi jednoho krokového cyklu a dopočítá hodnoty i pro další cykly zaznamenané ve sledovaném prostoru. Nakonec je záznam exportován do formátu, ve kterém je možné výstupní parametry dále analyzovat ve dalších programech. U systému Vicon MX to jsou programy Vicon Polygon nebo Vicon BodyBuilder. 

Výstupní parametry

Ke standardním výstupům kinematické analýzy patří grafy závislostí kinematických parametrů na čase. Nejčastěji jsou při chůzi hodnoceny pohyb dolních končetin a pánve. U flexe a extenze v kyčelním kloubu, flexe v kolenním kloubu a plantární a dorzální flexe v hlezenním kloubu je obvykle analyzován pohyb v sagitální rovině (obr. 3).

Přesnost měření je při použití moderních kinematických systémů podstatně vyšší než při použití videokamer, a proto se zvyšuje možnost hodnotit rotaci segmentů a pohyby ve frontální rovině. U pánve vyšetřujeme rotaci pánve v rovině transverzální (pelvic rotation), náklon pánve v rovině sagitální (pelvic tilt), nebo úklon pánve v rovině frontální (pelvic obliquity).

Spojení kinematických a dynamických parametrů a antropometrických měření umožňuje odvodit momenty síly produkované v kloubech, mechanický výkon svalů a změny energie z něho vyplývající. Vnější moment síly v kloubu je výsledkem reakční síly podložky. Pro směr otáčivého účinku momentu síly v kloubu v sagitální rovině je rozhodující, jestli vektor prochází před nebo za daným kloubem. Vnitřní moment síly, který vyrovnává působení reakční síly, je výsledkem svalové akce (7). Využitím momentů síly tedy můžeme usuzovat na probíhající svalovou činnost (obr. 4).

ZÁVĚRY

Optoelektronické kinematické systémy mají v rehabilitaci široké uplatnění. Napomáhají při diagnostice, přispívají k hodnocení závažnosti onemocnění pohybového systému, nebo ke sledování účinku rehabilitační intervence. Umožňují rychlé zpracování dat s vysokou přesností. Limitem většího rozšíření těchto systémů do klinické praxe jsou vysoké pořizovací náklady.

Při hledání odpovědi na využitelnost systému Vicon MX pro potřeby rehabilitace a klinické praxe je nutné vzít v úvahu několik hledisek:

1. Časové – kdy získání výsledků a zejména interpretace dat vyžadují jejich pečlivý rozbor, který je poměrně náročný. Nejedná se tedy o on-line výstupy, doplněné odpovídajícími komentáři.
2. Prostorové – pro umístění systému a následnou analýzu chůze je nezbytná místnost (laboratoř) o rozměrech minimálně 8x8 m, tak, aby bylo umožněno zahájení chůze a následné zastavení bez omezení.
3. Personální – pro obsluhu systému a zejména pro zpracování a interpretaci dat je nutný odborník s odpovídajícím vzděláním. Ten provádí první etapu hodnocení, na jejímž základě konzultuje výsledky s lékařem, resp. fyzioterapeutem.
4. Finanční – cena systému se pohybuje v řádu několika milionů korun.

Z uvedeného vyplývá, že použití systému je možné pouze v laboratořích, vybudovaných za účelem analýzy chůze. Taková pracoviště, která jsou ve světě součástí větších nemocnic a zdravotnických zařízení, jsou v České republice zatím ojedinělá (Fakultní nemocnice Brno). Pro možnost analýzy chůze v odpovídajícím rozsahu a pro kvantifikaci změn u různých skupin populace (pacientů) je však zvýšení jejich počtu nezbytné.

Poznámka

Pro zvýšení informovanosti pracovníků z oblasti vědy a výzkumu, podobně jako postgraduálních studentů a dalších zájemců z řad širší veřejnosti je určen projekt Sofistikovaná biomechanická diagnostika lidského pohybu v rámci OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost (oblast podpory 7.2.3 Lidské zdroje ve výzkumu a vývoji). Při jeho řešení budou osloveni nejen pracovníci v oblasti biomechaniky, ale i odborníci využívající biomechanické poznatky v praxi, např. ortopedi, rehabilitační lékaři, fyzioterapeuti, ortotici, protetici a podobně.

Součástí projektu je, vedle výše zmíněného systému Vicon MX, seznámení se s použitím a s praktickými aplikacemi měření svalové síly v anizometrickém režimu svalové kontrakce pomocí systému IsoMed2000. Pro možnost komplexní analýzy pohybu jsou dále realizována měření v oblasti dynamické plantografie, kdy bude pro hodnocení velikosti a distribuce tlaku na kontaktu nohy s podložkou (resp. mezi ploskou nohy a obuví) využit systém Footscan.

Poděkování

Článek vznikl za podpory výzkumného záměru MŠMT, id. MSM 61989221 „Pohybová aktivita a inaktivita obyvatel České republiky v kontextu behaviorálních změn“.

Mgr. Zdeněk Svoboda, Ph.D.

Katedra biomechaniky a technické kybernetiky

Fakulta tělesné kultury UP

Tř. Míru 115

771 11  Olomouc

e-mail: zdenek.svoboda@upol.cz