Inovace SEBS a ASEBS

VÝZKUMNÉ METODY V BIOMECHANICE

Tak jako ve většině vědeckých disciplín, můžeme i v biomechanice výzkumné metody rozdělit na empirické, teoretické a logické. Vzhledem k tomu, že při biomechanických výzkumech vycházíme především z empirických dat, zaměříme se na metody empirické, tedy metody experimentální biomechaniky.

Obecně tyto metody dělíme na přímé a nepřímé. Přímé metody poskytují potřebná data přímo z měření (měření hmotnosti, času apod.). Nepřímými metodami získáme data prostřednictvím výpočtů z dat naměřených metodou přímou (např. výpočet síly ze zrychlení a hmotnosti tělesa).

Další možností rozdělení experimentálních metod je na metody invazivní, které určitým způsobem ovlivňují, omezují či obtěžují pohybujícího se probanda (např. EMG, goniometr upoutaný ke kloubu), a metody neinvazivní, které měřený subjekt nijak neovlivňují (např. stroboskopie, měření délky skoku).

Vzhledem k tomu, že je biomechanika zjednodušeně spojením mechaniky, vědy o pohybu, a biologie, vědy o živých organismech, můžeme její metody rozdělit na takové, zabývající se fyzikální podstatou pohybu, zjišťující jeho příčiny, charakteristiky a parametry, a na metody biologické, věnující se vlastnostem a možnostem živých organismů a jejich částí v souvislosti s pohybem. Mezi metody zkoumající pohyb z fyzikálního pohledu patří kinematická analýza, zahrnující několik dílčích metod jako akcelerometrie, goniometrie, stroboskopie a podobně, dále například dynamometrie, zaměřená na působící síly, či plantografie, věnující se silám a tlakům mezi nohou a podložkou. Z biologických metod jsou to například elektromyografie, zjišťující aktivitu svalů při daném pohybu, analýza mechanických vlastností tělesných segmentů a tkání nebo fotoelasticimetrie, kterou se provádí analýza vnitřní napjatosti tkáně vzhledem k vnějšímu působení. Některé z metod budou v následujících odstavcích podrobněji rozebrány.

Kinematická analýza

Základem kinematické analýzy je zachycení pohybu. Zobrazování pohybu se lidé věnovali už od pravěku. Na jeskynních stěnách zachycovali výjevy z lovů či z náboženských obřadů. S postupem času se začalo s malováním událostí na plátna a od šestnáctého století našeho letopočtu technický vývoj pomalinku směřoval ke vzniku první fotografie. Fotografie byly úžasným důsledkem technického pokroku. Míra podoby zobrazovaného předmětu skutečnosti se stala nezávislou na subjektu zobrazovatele. Všechny malby a fotografie jsou však statické a pohyb jako takový na nich nelze pozorovat. V dalším vývoji se technicky pohyb zobrazit podařilo. Vše začalo pouštěním sekvencí obrázků či fotografií nafocených v na sebe navazujících okamžicích, dále následovaly záznamy činností na filmovou pásku, která byla překonána praktičtější páskou magnetickou. Před rokem 1990 se začaly objevovat první digitální kamery, které se pro zachycování událostí používají v současnosti a stále prochází vývojem a zdokonalují se.

Kvalitní obrazové záznamy pohybu slouží mimo jiné i mnoha vědcům, mezi nimiž jsou také biomechanici věnující se kinematické analýze pohybu člověka. Kinematická analýza se zabývá kinematickou stránkou pohybu, která zahrnuje všechny prostoročasové závislosti pro jednotlivé části pohybujícího se tělesa - v našem případě je tělesem člověk. Ze závislosti polohy na čase se dále odvozuje rychlost a zrychlení částí těla, určují se úhly pohybujícího se segmentu vzhledem k pevné soustavě souřadnic nebo vzhledem k jiné části těla. Z úhlových závislostí se dají odvodit rotační momenty segmentů, ze znalosti zrychlení se dají pomocí druhého Newtonova zákona zjistit síly působící na danou část těla. Ty už ovšem nepatří do kinematiky, ale jsou nedílnou součástí celkového biomechanického rozboru pohybu.

Je jasné, že tato věda si nemůže vždy vystačit s pozorováním pouhým okem, protože jeden pozorovatel nikdy nedokáže pohybující se osobu vidět ze všech stran, aby mohl vystihnout všechny pohybové souvislosti, a neumí určit konkrétní přesné informace o časoprostorových vztazích. Pro potřeby kinematické analýzy se tedy pohyb zaznamenává pomocí kamer. Množné číslo proto, že z jedné kamery se získá projekcí na zobrazovacím zařízení dvojrozměrný obraz, který neposkytuje žádnou informaci o třetím rozměru. Byl by tu tedy stejný problém, jako má pozorovatel vidící pohybující se osobu pouze z jedné strany. Druhá kamera umístěná na jiném místě, tedy po přepočtu souřadnic dokáže podat informaci o třetím rozměru pohybu (obr. 93). Čím kvalitnější je obrazový záznam, tím přesnější informace o pohybu lze získat. Proto byly uvítány digitální přístroje, poskytující velmi dobré rozlišení obrazu a schopné spolupráce s počítačovými programy, které dokážou vytvořit model pohybujícího se člověka a oprostit tak obraz od nepotřebných detailů a naopak zvýraznit detaily důležité. Samozřejmou výhodou použití kamer je to, že je pohyb nahrán v paměti, tedy lze si jej libovolněkrát přehrát.

Využití kinematické analýzy pohybu nacházíme samozřejmě hlavně ve sportu, ale například také v psychologických výzkumech, kdy se psychický stav člověka odráží nejen v jeho chování, ale i v jeho pohybech, o kterých kinematická analýza může poskytnout objektivní data, kterých je v psychologii většinou nedostatek. Další použití je v neurologii. Neurologické problémy vzniklé při zranění nebo onemocnění člověka znatelně ovlivňují jeho schopnost kontrolovat pohyb. Studium pohybových vzorců postižené populace může pomoci jak při diagnóze, tak při léčení. Kinematickou analýzu zejména chůze využívají také ortopedové a rehabilitologové, kteří ji používají ke zjištění stavu pacienta, k jeho léčbě a rehabilitaci. Poznatky o pohybu pomáhají také při výrobě cvičebních strojů. (Casri, 2010)

Ve sportu lze kinematické analýzy využít pro více účelů. Už při učení a nácviku nového pohybového prvku se cvičenec může s prvkem vizuálně seznámit prostřednictvím nahrávky správně provedeného prvku jiného cvičence a právě z prostoročasových závislostí pochopit, co je pro provedení prvku klíčové. Složitější pohyby jsou rozfázovány a cvičenec vidí, co je v které fázi potřeba provést. Dále při zdokonalování prvku je pro cvičence či trenéry důležitá možnost srovnání mezi provedením prvku cvičencem a například provedením světového rekordmana. Díky tomuto srovnání cvičenec může zjistit, kterou částí těla má pohybovat rychleji, kde se má zpevnit, zda by například neměl na skok nabíhat větší rychlostí či směřovat odraz pod jiným úhlem a podobně. Dalším využitím není srovnávání s jinou osobou, ale s počítačovým modelem. Při znalosti antropometrických údajů o sportovci a kinematické analýzy pohybu lze vytvořit v počítači přesný model této osoby a činnosti. Modely jsou sestaveny tak, aby se daly měnit a ladit různé parametry, jako jsou rychlost rozběhu, úhel odhodu, ale třeba i hmotnost sportovce tak, aby byl dosažený výkon co nejlepší. Tímto způsobem se dá nalézt i nový styl řešení pohybového úkolu.

Metody kinematické analýzy dělíme na kvalitativní a kvantitativní (obr. 94). Kvalitativní metoda je založena na pozorování pouhým okem, pohyb se popisuje a hodnotí bez měření konkrétních fyzikálních veličin. Tato metoda je sice rychlá na provedení, může poskytnout mnoho informací, záleží ale na zkušenostech a odborné úrovni pozorovatele. Navíc je nepřesná a neposkytuje žádné objektivní hodnoty zjišťovaných parametrů. Druhou možností je tedy kvantitativní analýza, jejímiž výstupy jsou číselné hodnoty, udávající zpravidla velikost fyzikálních veličin. Rozdělení kvantitativních metod je potom dáno veličinou, která se metodou měří.

Goniometrie

Goniometrie slouží k měření rozsahu pohybu v určitém kloubu. Ramena goniometru jsou připojena na segmenty, které jsou kloubem spojeny. Průsečík ramen je ve středu otáčení kloubu. Takto lze goniometrem změřit změny úhlu kolem jedné, dvou nebo tří os. Tímto způsobem se tedy určuje změna vzájemné polohy segmentů v rovině nebo v prostoru (obr. 95). (Janura, Zahálka, 2004)

Chronografie

Chronografie slouží k přesnému měření kratších časových intervalů. Pro chronografii se využívají měřicí přístroje pracující na různých principech – fotoelektrické zařízení, elektrické stopky, fotonový registrátor času apod.) Zaznamenáváme jisté impulsy během pohybové činnosti člověka. Jejich vyhodnocením pak získáváme údaje o trvání jednotlivých mikrofází pohybu.

Akcelerometrie

Další metodou je akcelerometrie. Akcelerometrický senzor snímá zrychlení těla v daném směru. Zrychlení obecně vyjadřuje míru změny rychlosti pohybujícího se segmentu. Akcelerometry mohou však také detekovat změnu náklonu měřením zemské gravitace, nebo velikost síly vznikající na základě změny rychlosti pohybu, tedy setrvačné síly. Akcelerometr se skládá ze základny, která je pevně spojená s měřeným segmentem. Dále je to pružně (známe tuhost pružiny) uloženo hmotné těleso o známé hmotnosti, jehož výchylky měříme a tlumiče. Výchylky hmotného tělesa uvnitř akcelerometru jsou například piezoelektricky převáděny a měřeny pomocí elektrického výstupního signálu. Pokud chceme měřit zrychlení ve více dimenzích, musíme použít dva nebo tři akcelerometry, jejichž osy jsou na sebe vzájemně kolmé.

Stroboskopie

Stroboskopie je metoda, kterou se vytváří pohybová sekvence na jednom filmovém políčku podobně jako na klasické fotografii. Po otevření závěrky rotuje před objektivem disk se štěrbinami. Filmové políčko je tak přerušovaně osvětlováno jednotlivými záblesky, čímž jsou zaznamenávány jednotlivé mikrofáze pohybu (obr. 96).

Kinematografická metoda

Komplexní, avšak materiálně poměrně náročnou metodou je vyšetřovací metoda kinematografická či videografická, u níž jsou postupy založené na vyhodnocení filmového záznamu. Nejznámějšími kinematografickými systémy jsou Vicon MX, pracující s infračervenými kamerami, nebo Simi, pracující s klasickými digitálními kamerami. Systémy jsou vybaveny příslušným softwarem pro zpracování a vyhodnocování videozáznamem získaných dat. Nabízí také konstrukci modelu pohybujícího se člověka a práci s modelem. Výstupem této metody mohou být nejrůznější kinogramy celého těla (obr. 97), jednotlivých bodů na těle, také kinogramy doplněné o číselné údaje, případně grafy charakterizující funkční závislost sledovaných parametrů zpravidla na čase (obr. 98). Mohou sloužit ke statistickému zpracování, k porovnávání provedení u různých sportovců či longitudinálnímu sledování jednotlivce.

Co se týče podmínek kinematografické analýzy, je třeba brát v úvahu umístění kamer, jejichž optické osy by měly svírat 60 - 120º. Také je nutné přizpůsobit vzdálenost kamery velikosti snímaného tělesa (lidského těla) a rozsahu snímaného pohybu. Velká vzdálenost kamery má za následek záznam, na kterém nelze na lidském těle rozlišit požadované detaily. Světelné podmínky a pozadí za objektem jsou další faktory ovlivňující kvalitu záznamu. Abychom mohli zvýšit kvalitu vyhodnocených údajů a často také urychlit proces vlastního vyhodnocení záznamu, je nutné provést označení vybraných bodů na sledovaném objektu – lidské tělo, použité náčiní…(obr. 99, 100).

Základní rozpor spočívá v tom, že jednotlivé segmenty jsou definovány pomocí vybraných anatomických bodů. Při analýze videozáznamu však nepracujeme s těmito body, ale s jejich projekcí na kůži. Základním problémem, který se vztahuje k vymezení segmentů pomocí povrchových značek, je posun těchto značek v průběhu pohybu. Měkké tkáně, které se nachází mezi kostí a značkou, se vlivem změn rychlosti a setrvačnosti posouvají. To je příčinou změny polohy značky vzhledem k bodu na kosti.

Při kinematické analýze je třeba kalibrovat prostor (obr. 101), ve kterém je pohyb prováděn. Kalibrace prostoru slouží k určení závislostí mezi skutečnými velikostmi a odpovídajícími údaji, získanými na záznamu.

Při vyhodnocování záznamu můžeme využít manuální odečet souřadnic (trekování) případně automatický identifikátor značek. V poslední fázi přistoupíme k analýze samotných výsledků. Je nutné si uvědomit, jaká data od analýzy očekáváme, zda se jedná o úhlové, dráhové, rychlostní či časové informace. Díky velkým možnostem programu je jejich nabídka široká.

Dynamická analýza

Dynamometrie

Dynamometrie je metodou, při níž se zaznamenává průběh síly. Pomocí této metody můžeme tedy zkoumat pohyb i z hlediska dynamického. Obvykle se zajímáme o sílu, kterou působí sportovec na nějaký předmět – nářadí, náčiní či senzor přístroje měřícího velikost síly některé ze svalových skupin. Dynamometrii můžeme rozdělit na izometrickou a izokinetickou.

Izometrické přístroje – tenzometry pro menší svalové skupiny a dynamometry pro složitější svalové skupiny – měří izometrickou svalovou sílu, při které se nemění délka svalu, ale pouze jeho napětí. Měřicí přístroje mohou být mechanické, či elektronické. Příkladem je ruční dynamometrie, kdy proband stlačuje části dynamometru prsty oproti dlani. Sílu vzpřimovačů trupu můžeme měřit zádovým dynamometrem, kde proband uchopí hrazdičku ve výši kolen a proti odporu se snaží vzpřímit.

Izokinetická dynamometrie se používá k měření velikosti volní svalové kontrakce, lze ji ale také použít k měření svalového výkonu, který může být zahájen nedobrovolně, například u náhlých křečových stavů. Izokinetické přístroje pracují na principu páky, která se pohybuje předem nastavenou (stálou) úhlovou rychlostí – proto izokinetické (obr. 102). Stálá rychlost páky se udržuje zařízením pro snímání síly (dynamometrem), mění odpor páky podle změn síly, kterou na páku působí proband. Zaznamenávané změny odporu páky tedy odpovídají změnám v síle probanda. Působící síla nemusí být maximální, pouze taková, aby umožnila dodržet předem nastavenou rychlost. Moderní přístroje jsou schopné poskytovat okamžitá data i jejich analýzu při koncentrické i excentrické svalové činnosti. K nejznámějším izokinetickým přístrojům patří Cybex, Kin Com, Isomed, Biodex. (Vařeka a kol., 2009)

Dynamická plantografie

Dynamická plantografie (též nazývaná pedobarografie) je diagnostická metoda, která využívá tlakovou plošinu (obr. 103), případně pás nebo speciální vložky do bot (obr. 104) k měření rozložení tlaku pod ploskou, obvykle při chůzi či různých modifikacích stoje. S vložkami do bot se dá měřit i v terénu, tedy přirozeném prostředí pro pohyb, jehož tlakové nároky na chodidla chceme změřit. Měření probíhá v čase, přičemž dochází ke změnám hodnot sledovaných parametrů, proto mluvíme o dynamické plantografii.Měření je založeno na mechanickém stlačování senzorů rozmístěných v tlakové plošině. Senzory poskytují informace o velikosti působící síly v průběhu času, síla přepočtená na vybranou plochu senzorů je potom informací o tlaku. Můžeme tedy určit maximální tlak na jednotlivých místech nohy, průběh jeho hodnot, způsob distribuce tlaku po celém chodidle a podobně.

Pro práci s naměřenými daty je určen speciální software, tedy jednotlivé programy, které umožňují získání potřebných konkrétních informací. Postupným zpracováním základního výstupu, dvoj- či trojdimenzionálního obrázku chodidla s barevně odstupňovanou škálou hodnot maximálních tlaků na vybraných místech, můžeme získat sloupcové grafy maximálních či průměrných hodnot sil a tlaků ve zvolených oblastech chodidla (obr. 105), velikosti ploch a dobu trvání kontaktu jednotlivých oblastí s podložkou, zobrazení časových závislostí sledovaných parametrů v každé oblasti zvlášť, zobrazení způsobu distribuce síly a tlaku v chodidle, linii kroku a další.

Využití dynamické plantografie nacházíme především v rámci základního výzkumu chůze či běhu, vzpřímeného stoje a jejich modifikací. Uplatňuje se v obuvnictví, v klinických aplikacích jako jsou ortopedie, neurologie, rehabilitace či protetika a ortotika, dále ve sportovní medicíně a sportovním tréninku (obr. 106). Výzkumné a diagnostické možnosti a výsledky plantografie také umožnily nedávný další rozvoj kriminalistické disciplíny zvané forenzní biomechanika. V České republice jsou v současné době využívány systémy emed, pedar, footscan nebo Baropodometer. (Vařeka a kol., 2009)

Elektromyografie (EMG)

EMG je metoda, která se používá pro měření elektrické aktivity kosterních svalů a nervů, které sval inervují. Vstoupí-li do svalu vzruch, otevírají se Na+ kanály, což vede ke zvýšení kladného náboje ve svalové buňce a postupnému rozvoji akčního potenciálu. Změny elektrického potenciálu se zaznamenávají prostřednictvím elektrody a dále jsou v procesoru zpracovány na výstupní EMG křivku.

Podle použitých elektrod a velikosti snímaných oblastí můžeme EMG rozlišit na povrchovou a jehlovou. U povrchové EMG měříme akční potenciál skrz přilehlé tkáně, především tukovou vrstvu a kůži, na jejímž povrchu jsou nalepeny elektrody detekující sled akčních potenciálů blízkých motorických jednotek (obr. 107). Jehlovou EMG se měří vzruchy na jednotlivých motorických jednotkách, tedy souborech svalových vláken inervovaných jedním společným nervem. Jehlové elektrody, které jsou mnohem tenčí, než běžné injekční jehly, se zavádí přímo do svalu.

Pomocí této metody tedy můžeme zjistit, které svaly, jakou měrou a v jakém pořadí se při pohybu zapojují.

Odpovědí na podráždění alfa motoneuronu je stah svalových vláken, inervovaných tímto motoneuronem. Jedna kontrakce svalu vyvolaná jedním podnětem se nazývá svalové trhnutí. Myografický záznam má část vzestupnou (krescentu), odpovídající postupnému zkracování, vrchol a část sestupnou (dekrescentu), odpovídající postupnému ochabování. Trvání vzestupné a sestupné části křivky se liší u různých svalů a u téhož svalu se mění v závislosti na stavu svalové tkáně nebo na zevních faktorech (např. teplota). Tyto informace vypovídají o velikosti svalové aktivity v závislosti na čase a o posloupnosti v zapojování jednotlivých svalů ve smyslu mezisvalové koordinace. V žádném případě však nelze zaměňovat hodnoty svalových amplitud v µV za jednotky síly, které charakterizují mechanické změny v průběhu pohybu konkrétního tělesného segmentu. Vztah těchto dvou funkcí není lineární (Krištofič, Valouchová, 2005)

V biomechanice dominují tři aplikace při používání povrchového EMG (www.biomechanika.cz):

1. Ukazatel zahájení svalové aktivace
2. Udává informace o silových přírůstcích vyvolaných jednotlivými svaly nebo skupinou svalů
3. Ukazatel únavových procesů nastávajících uvnitř svalu

Zjišťování mechanických vlastností částí těla a tkání

Dalším tématem, kterým je nutné se při biomechanických výzkumech zabývat, je odezva tkání na mechanické působení. K poznání nelineárních vlastností biomateriálů vede mnoho experimentů, z jejichž výsledků se tvoří matematický model rovnic pro další biomechanické výpočty. Na vzorky tkání vyjmutých z lidského organismu se nechává působit v laboratorních podmínkách vnější silové zatížení tak, aby bylo možné vypozorovat mechanické vlastnosti těchto tkání. Tyto výzkumy jsou náročné počínaje získáním vzorků, jejich přípravou, popřípadě fixací až po technickou náročnost jednotlivých metod. Zjišťují se tzv. reologické vlastnosti, například pevnost a tuhost při určitém způsobu zatížení, odezva na střídavé zatěžování či dlouhodobé působení statické. Používají se k tomu speciální přístroje, které umožňují dávkovat vnější zatížení a měřit odezvu. Obvykle tedy zjišťujeme průběh mechanické napjatosti a deformace tělesa v čase, přičemž je třeba brát v potaz rychlost zatížení, dlouhodobou odezvu, možnost velké deformace a podobně.

Fotoelasticimetrie

Fotoelasticimetrie je jednou z metod určování vlastností vnitřní struktury tkání a především její reakce na vnější zátěž. Tkáň je při ní deformována a zároveň prosvěcována lineárně polarizovaným zářením (světlem). Světlo se v materiálu láme a interferuje, čímž vznikají obrazce, ze kterých se vyvozují vlastnosti materiálu. Směry hlavních napětí ve tkáni určují tzv. izostaty tvořící dvě vzájemně kolmé soustavy čar, podél nichž jsou smyková napětí nulová. Dále můžeme v obrazci najít izochromaty, což jsou geometrická místa bodů (linie) stejně zbarvené konstantním dvojlomem, definují místa bodů stejných rozdílů hlavních napětí.