Wyznaczanie obciążeń w układzie szkieletowo-mięśniowym kończyny górnej na podstawie badań kinematyki z wykorzystaniem inercyjnego systemu pomiarowego

• Autorzy: Guzik-Kopyto A. , Michnik R. , Wodarski P. , Gzik M. , Bieniek A.

Warianty tytułu

EN

Determination of the load in the skeletal-muscle system on the basis of the kinematics using inertial measurement systems

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Większość spotykanych w literaturze modeli szkieletowo-mięśniowych kończyny górnej pozwala z dobrym przybliżeniem wyznaczyć wartości sił mięśniowych i reakcji w stawach. Wśród modeli można wyodrębnić te, których ruch inicjowany jest z wykorzystaniem danych obliczanych na podstawie funkcji matematycznych oraz z wykorzystaniem danych pochodzących z systemów do analizy ruchu. W ramach pracy zaproponowano metodykę transformacji danych kinematycznych z systemu do analizy ruchu do modelu kończyny górnej. Opracowany model umożliwia określanie wartości sił mięśniowych oraz reakcji sił w stawach na podstawie badań kinematyki z wykorzystaniem inercyjnego systemu do analizy ruchu MVN Biomech firmy XSENS. Przeprowadzono przykładowe badania eksperymentalne prezentujące możliwości opracowanej modyfikacji modelu kończyn górnych w programie AnyBody. Badania przeprowadzono w Laboratorium Analizy Ruchu w Katedrze Biomechatroniki na Politechnice Śląskiej. W badaniach wziął udział dorosły mężczyzna. Przedstawiono przykładowe wyniki wartości sił mięśniowych, reakcji i momentów w stawach dla kończyny górnej wyznaczonych na podstawie obliczeń opracowanego modelu w programie AnyBody. Przygotowany model jest w pełni zindywidualizowany w zależności od zmierzonych, za pomocą systemu MVN Biomech parametrów antropometrycznych badanych osób. Metodyka stanowi podstawę do obliczeń odwrotnego zadania dynamiki i kinematyki kończyny górnej podczas wykonywania zarejestrowanych czynności z wykorzystaniem dowolnego systemu do analizy ruchu Opracowany model wraz z odpowiednią metodyką badań może zostać wykorzystany jako przydatne narzędzie umożliwiające biomechaniczną analizę kończyny górnej.

EN

Most of the models of skeletal-muscle of the upper limb in scientific articles allow to determine the value of a good approximation of muscle and reaction forces in the joints. It is possible to divide these on two groups. Among these models, there are moved using the data calculated on the basis of the mathematical function and using data from motion analysis systems. As part of the paper it is proposed a methodology for data transformation of kinematic motion analysis system to the model of the upper limb.Model of the upper limb allows the determination of muscle forces and reaction forces in the joints on the basis of kinematics using inertial motion analysis system Xsens MVN Biomech. It was carried out example of experimental study showing the capabilities developed modify the model in the upper limbs in AnyBody program. The study was carried out at the Laboratory of Movement Analysis in the Biomechatronics Department of Silesian University of Technology. In the study, one man was engaged. The result of this study show muscle strength, reaction and moments in joints for upper limb designated based on a calculation model developed in the AnyBody program.Prepared model is fully customized according to the measured anthropometric parameters using MVN Biomech system. The methodology is the basis for the calculation of inverse kinematics and dynamics of the tasks of the upper limb, while performing operations are recorded by motion analysis system. The model with an appropriate study methodology can be used as a tool for biomechanical analysis of upper limb.

Słowa kluczowe

PL

model kończyny górnej; AnyBody; kinematyka kończyny górnej; czynności dnia codziennego

EN

upper extremity model; AnyBody; upper extremity kinematics; activities of daily living

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 22, nr 53
• Strony: 62--69
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz.

Twórcy

autor

Guzik-Kopyto A.

• Biomechatronics Department, Faculty of Biomedical Engineering, Silesian University of Technology

autor

Michnik R.

• Biomechatronics Department, Faculty of Biomedical Engineering, Silesian University of Technology

autor

Wodarski P.

• Biomechatronics Department, Faculty of Biomedical Engineering, Silesian University of Technology

autor

Gzik M.

• Biomechatronics Department, Faculty of Biomedical Engineering, Silesian University of Technology

autor

Bieniek A.

• Faculty of Biomedical Engineering, Silesian University of Technology

Bibliografia

• 1. Andel C.J.A., Wolterbeek N., Doorenbosch C.A.M., Veeger D.J., Harlaar J.: Complete 3D kinematics of upper extremity functional tasks. “Gait and Posture” 2008, 27, p. 120–127.
• 2. Freivalds A.: Biomechanics of the upper limbs mechanics, modeling and musculoskeletal injuries. CRC PRESS 2000, N.W. Corporate Blvd., Boca Raton, Florida 33431.
• 3. Gattamelata_D., Pezzuti E., Valentini P.P.: Accurate geometrical constraints for the computer aided modelling of the human upper limb. “Computer Aided Design” 2007, 39, p. 540–547.
• 4. Guzik A., Michnik R., Rycerski W., The estimation of rehabilitation progress in patients with psychomotor diseases of upper limb based on modeling and experimental research. “Acta of Bioengineering and Biomechanics” 2006, 8(2), p.79 – 87.
• 5. Henmi S., • Yonenobu K. , Masatomi T., Oda K.: A biomechanical study of activities of daily living using neck and upper limbs with an optical three-dimensional motion analysis system. “Mod Rheumatol” 2006, 16 p. 289–293.
• 6. Holzbaur K. R. S., Murray W. M., Delp S. L.: A model of the upper extremity for simulating musculoskeletal surgery and analyzing neuromuscular control. “Annals of Biomedical Engineering” 2005, Vol. 33, No. 6, p. 829–840.
• 7. Ingram A. Murray, Garth R. Johnson: A study of external forces and moments at the shoulder and elbow while performing everyday tasks. “Clinical Biomechanics” 2004, 19, p. 586–594.
• 8. Klotz M.C.M., Kost L., Braatz L.F., Ewerbeck V., HeitTzmann D., Gantz S., Dreher T., Wolf S.I.: Motion capture of the upper extremity during activities of daily living in patients with spastic hemiplegic cerebral palsy. “Gait and Posture” 2013, 38, p. 148-152.
• 9. Kyung Kim, Won-Kyung Song, Jeongsu Lee, Hwi-Young Lee, Dae Sung Park, Byung-Woo Ko, Jongbae Kima: Kinematic analysis of upper extremity movement during drinking in hemiplegic subjects. “Clinical Biomechanics” 2014, 29, p. 248–256.
• 10. Magermans D.J., Chadwick E.K.J., Veeger H.E.J., Helm F.C.T.: Requirements for upper extremity motions during activities of daily living. “Clinical Biomechanics” 2005, 20, p. 591–599.
• 11. Murray I.A., Johnson G.R.: A study of the external forces and moments at the shoulder and elbow while performing everyday tasks. “Clinical Biomechanics” 2004, 19, 2004, p. 586–594.
• 12. Nikooyan A.A., Veeger H.E.J., Westerhoff P., Bolsterlee B., Graichen F., Bergmann G., van der Helm F.C.T.: An EMG-driven musculoskeletal model of the shoulder. “Human Movement Science” 2012, 31, p. 429–447.
• 13. Nikooyan A.A., Veeger H.E.J., Westerhoff P., Graichen F., Bergmann G.,vanderHelm F.C.T.: Validation of the Delft Shoulder and Elbow Model using in-vivo glenohumeral joint contact forces. “Journal of Biomechanics” 2010, 43, p. 3007–3014.
• 14. Pennestr E., Stefanelli R., Valentini P.P., Vita L.: Virtual musculo-skeletal model for the biomechanical analysis of the upper limb. “Journal of Biomechanics” 2007, 40, p. 1350–1361.
• 15. Rab G., Petuskey K., Bagley A.: A method for determination of upper extremity kinematics. “Gait and Posture” 2002, 15, p. 113–119.
• 16. Vandenberghe A., Levin O., Schutter J.D., Swinnen S., Jonkers I.: Three-dimensional reaching tasks: Effect of reaching height and width on upper limb kinematics and muscle activity. “Gait and Posture” 2010, 32, p. 500–507.
• 17. Westerhoff P. Graichen F. Bender A., Halder A. Beier A., Rohlmann A. Bergmann G.: Invivo measurements of shoulder joint loads during activities of daily living. “Journal of Biomechanics” 2009, 42, p. 1840-1849.
• 18. Williams S., Schmidt R., Disselhorst-Klug C., Rau G.: An upper body model for the kinematical analysis of the joint chain of the human arm. “Journal of Biomechanics” 2006, 39, p. 2419–2429.
• 19. http://encyklopedia.pwn.pl/ 06.12.2013.
• 20. http://homepage.tudelft.nl/g6u61/repository/shoulder/overview.htm, 01.06.2013.
• 21. http://wiki.anyscript.org/index.php/Main_Page, 22.10.2014.
• 22. http://wiki.anyscript.org/index.php/Validation_examples, 22.10.2014.