A A A Robert Koprowski - Kanał RSS

Rehabilitacja - oczekiwania wobec metod fotogrametrycznych - Tadeusz Mazur

Ciało ludzkie ulega ciągłym zmianom: rośnie, porusza się, wyraża emocje, choruje, starzeje się. Zmiany te dotyczą w znacznej mierze wielkości i kształtu bryły ciała. Jest rzeczą naturalną, że chcemy je zmierzyć, poznać, zrozumieć, zatrzymać w czasie. Malarstwo i rzeźba to pierwsze dziedziny aktywności ludzkiej, próbujące sprostać tym oczekiwaniom. Postęp rozpoczął się od wynalezienia aparatu fotograficznego. Obraz fotograficzny w miarę obiektywnie odwzorowywał wygląd ciała, zatrzymywał czas i ruch.

Jak zwykle kiedy spełnia się jedno marzenie, to po chwili pragniemy czegoś więcej. A może by tak na podstawie zdjęcia oceniać nie tylko wygląd, może by się udało zmierzyć coś, co jest obrazowane?

Próby pomiaru bryły wykorzystujące obraz fotograficzny dokonywane były przez fotogrametrów już od dawna, ale ze względu na proces negatywowy był to pomiar znacznie rozciągnięty w czasie. Dopiero wprowadzenie kamer cyfrowych umożliwiło łatwy transfer danych do komputera, a rozwój programów obliczeniowych - szybki pomiar.

Pomiary fotogrametryczne generalnie dzieli się na takie, które dostarczają informacji o mierzonych punktach oraz takie, które mierzą ciągłą powierzchnię obiektu. Pomiar powierzchniowy mówi nam o ewentualnych deformacjach, asymetrii Tego typu pomiary oparte są o metodę prążków Moire’a lub metody skaningu laserowego połączone z wideokamerami CCD. Pomiar punktowy dostarcza więcej informacji nawet z mniejszej ilości danych (Tokarczyk et al. 2000).

I znowu jak w bajce o złotej rybce. Ciągle mało. Bryła ciała nie jest nieruchoma. Przemieszcza się wobec otoczenia. Także i tym oczekiwaniom sprostały techniki fotogrametryczne. Zastosowanie kilku zsynchronizowanych kamer cyfrowych i odpowiednich znaczników na powierzchni ciała pozwoliło rozwiązać ten problem. Czy na pewno? Obserwując rozwój animacji komputerowej ruchu, wydaje się, że sukces jest pełny. Obserwując wyniki badań nad ruchem ciała ludzkiego – niewielki, (Nowotny et al. 2002),( Syczewska et al. 2004).

Niestety, powszechne rozumienie ruchu dotyczy tylko zmiany położenia w stosunku do punktu odniesienia. Takie rozumienie ruchu wystarcza w grach komputerowych, filmie. Jakkolwiek ruch jest doświadczeniem każdego z nas, to jego rozumienie budzi kontrowersje od wieków. Wszystko płynie, twierdził Heraklit w V w pne., ale już 50 lat później Zenon z Elei udowadniał, że jest to niemożliwe. Tą sprzeczność sądów pogodził Arystoteles w IV w pne. Ruch ciał tłumaczył jako celowe dążenie do właściwego każdemu miejsca. Naturalnym stanem uznał więc bezruch. Pogląd ten trwał w nauce do czasów Newtona (XVII w.) (Tatarkiewicz 1988).

Od tej pory wiemy, że chcąc badać ruch, musimy mierzyć i oceniać, z jednej strony takie parametry ruchu jak: siła, masa, przyśpieszenie, prędkość, względność, z drugiej zaś warunki, w których ruch się odbywa (Resnick et al. 1996). Wynika z tego, że ocena względności ruchu badana w dotychczasowych systemach fotogrametrycznych jest tylko jednym z wielu parametrów, które należy badać. Obserwując zawody Formuły 1, oceniamy ruch samochodów. Widzimy, kto jest szybszy. Przed nami ukryty jest ruch silnika, zawieszenia, warunki przyczepności itd. Poza wiedzą, kto wygrał, kibic nadal jest nieświadomy zjawisk warunkujących sukces zawodnika. Będąc przy analogii samochodowej: daleko nam jeszcze do wiedzy konstruktora, ale bardzo potrzebujemy wiedzy, przynajmniej na poziomie obsługi technicznej. Co powoduje, że układ pracuje lepiej lub gorzej, w jakich warunkach występuje zużycie lub uszkodzenie części? W powszechnym mniemaniu ruch kojarzy się z działaniem siły. Siła zaś z pracą mięśni. Wzbogacenie systemów fotogrametrycznych badających ruch o elektromiograf rejestrujący pracę mięśni jest wynikiem takiego sposobu myślenia.

Tymczasem badanie człowieka stojącego na płycie tensometrycznej pokazuje obecność ruchu ciała nawet w czasie nieruchomego stania. Jest to reakcja na siły przyciągania ziemskiego. Niezależnie od tego, czy zdajemy sobie sprawę z ich obecności czy nie, organizm musi je równoważyć. Jest to ruch, którego nie widzimy gołym okiem, ale ma dla nas zasadnicze znaczenie. Ruch ten zapewnia pionową postawę ciała ludzkiego (Bober et al. 2001).

Spójrzmy więc bliżej na to zjawisko. Patrząc na budowę anatomiczną naszego ciała widzimy, że tułów posadowiony jest na dwóch stawach kulistych (stawy biodrowe), a środek ciężkości ciała leży powyżej linii łączącej oba stawy (Rys. 1).

Patrząc na budowę anatomiczną naszego ciała widzimy, że tułów posadowiony jest na dwóch stawach kulistych (stawy biodrowe), a środek ciężkości ciała leży powyżej linii łączącej oba stawy

Jeżeli dodamy ruchome 24 kręgi powyżej tej linii, to utrzymanie pionowej postawy jest ekwilibrystyką porównywalną do cyrkowej żonglerki talerzami. Z punktu widzenia fizyki można je porównać do układu odwróconych wahadeł sztywnych, ułożonych jedno na drugim, znajdujących się w stanie równowagi chwiejnej (Rys.2).

Takie rozumienie ruchu ciała ludzkiego zmienia optykę jego badania. Założenia proponowanej metody badawczej to:

  • Ruch utrzymania pionowej postawy ciała obejmuje jednocześnie wszystkie segmenty naszego ciała.
  • W równoważeniu sił przyciągania ziemskiego główną rolę odgrywają siły struktury kostnej.
  • Układ kostny, jako układ bierny, ,,pracuje” lepiej lub gorzej w zależności od warunków przestrzennych i anatomicznych.

Takie rozumienie ruchu ciała ludzkiego zmienia optykę jego badania. Zmienia także wymagania wobec systemu pomiarowego. Oczekiwany system fotogrametryczny powinien rejestrować jednocześnie położenie przestrzenne wszystkich segmentów ciała.

Warunek ten stawia kolejny problem do rozwiązania. Anatomiczne segmenty ciała to: głowa, tułów i kończyny. Oceniając ruchomość ciała ludzkiego widzimy, że sztywna głowa połączona jest z tułowiem ruchomą szyją i, że w obrębie tułowia można oddzielić rejony o mniejszej ruchomości i większej masie jak pas barkowy i miedniczny od części charakteryzującej się mniejszą masą, a większą ruchomością, która nosi nazwę talii. Dlatego do badań fotogrametrycznych wyznaczamy następujące segmenty: głowa, pas barkowy, pas miednicy, uda, podudzia i stopy.

Położenie przestrzenne badanych segmentów, z jednej strony ilustruje rozkład sił przyciągania ziemskiego, z drugiej zaś warunki działania sił przeciwstawnych.

Rozkład siły przyciągania ziemskiego i sił przeciwstawnych dla różnych pozycji ciała ludzkiego

Rys.3. Rozkład siły przyciągania ziemskiego i sił przeciwstawnych dla różnych pozycji ciała ludzkiego

Na każdym badanym poziomie układ tych sił może być inny. Samo równoważenie sił przyciągania nie wystarczy, by utrzymać tak niestabilny układ w pozycji pionowej. Istotne znaczenie ma ruch wychwiania w przód, tył, do boków oraz ruchy rotacji.

Systemy fotogrametryczne wykazują bardzo dużą dokładność pomiaru. Najsłabszym ogniwem jest człowiek wyznaczający pozycję badanych segmentów. Skoro zakładamy główną rolę układu kostnego w procesie równoważenia sił przyciągania ziemskiego, to dokładne oznaczenie jego położenia przestrzennego staje się istotnym zadaniem. Ale przecież struktury kostne są wewnątrz ciała, widoczne tylko na zobrazowaniach rentgenowskich, ewentualnie uwidocznione za pomocą rezonansu magnetycznego. Te pierwsze – nieobojętne dla zdrowia, drugie – kosztowne. Zatem jak rozwiązać problem obserwacji zachowania się struktur kostnych w różnych pozycjach ciała ludzkiego? Prostym rozwiązaniem jest przeniesienie położenia wybranych elementów kości na powierzchnię ciała i zaznaczenie tych miejsc specjalnymi sygnałami – markerami. Jest bardzo ważne, by marker na skórze dokładnie odpowiadał wyznaczanemu punktowi kostnemu. Przy odpowiednim doświadczeniu błąd oznaczenia nie powinien przekraczać 2 mm. Wartość ta dla krótkiego odcinka między sąsiednimi kręgami daje błąd pomiaru kąta 1,64º , ale już dla linii międzybarkowej osiągnie wartość poniżej 0,5º. Wszystkie wyniki badania w ruchu obarczone są błędem przesunięcia skóry wobec oznaczanego punktu kostnego do ponad 15 mm i więcej (Cappozzo et al.1996). Jeszcze większym błędem obarczone są pomiary markerem na szypułce, stosowane często w pomiarach ruchu, co czyni je zupełnie nieprzydatnym do oceny przestrzennych zależności badanych segmentów.

Systemy fotogrametryczne generują dużą liczbę danych. Sesja pomiarowa systemu Photogrametric Body Explorer przynosi ponad 1000 wyników. Ich nadmiar jest dużym utrudnieniem. Badając układ ruchu ciągle spotykamy się z nadmiarem. Ciało ludzkie składa się z 144 ruchomych członów, co daje ponad 230 stopni swobody ruchu (Bober et al. 2001). Informacja ta daje wyobrażenie ruchomości ciała człowieka, ale jednocześnie skutecznie odstrasza od prób jego pomiaru i oceny. Każde ograniczenie ruchomości traktujemy jako patologię. Zapominamy, że układ o tak dużej ruchomości musi wykazać się sprawnymi mechanizmami znoszenia ruchu. Musi coś zrobić z tym nadmiarem. Zniesiony ruch pewnych części ciała jest warunkiem skutecznego działania układu o tak wielu stopniach swobody ruchu. Już w 1935 roku twierdził Bernstein, że sterowanie ruchem opiera się na zasadzie redukcji stopni swobody łańcuchów kinematycznych.(Błaszczyk et al. 2004) Koncepcja ta jest traktowana jako jedna z ciekawych interpretacji organizacji ruchu ale nie jest wykorzystywana w praktyce klinicznej. Badanie zakresu ruchomości poszczególnych stawów jest podstawowym badaniem w ortopedii i rehabilitacji. Usztywnienie, unieruchomienie jest synonimem patologii.

Pionowa postawa ciała ludzkiego oznacza określoną odległość od ziemi głowy, ramion, bioder. Taka konfiguracja przestrzenna jest możliwa tylko wówczas, kiedy siła przyciągania ziemskiego jest zrównoważona. Siła równoważąca i siła przyciągania ziemskiego są równe tylko w jednym, szczególnym przypadku - kiedy obie siły znajdują się na tej samej osi i mają kierunki przeciwne. W pozostałych przypadkach siły równoważące przyciąganie ziemskie są znacznie większe(Będziński et al.2004) (Rys. 3). Usztywnienie, zniesienie ruchomości stawu powoduje, że siłę przeciwstawną warunkuje struktura kości, a nie siła mięśni. Takie energooszczędne rozwiązanie leży u podstaw mechanizmu utrzymania pionowej postawy ciała. Z kolei jakość tego mechanizmu warunkuje sprawność chodu. Chód osób zdrowych tylko dwukrotnie przekracza spoczynkową przemianę materii. Ta sama czynność u osób z zaburzoną sprawnością układu ruchu zwiększa znacznie zapotrzebowanie energetyczne, by u paraplegików przekroczyć aż sześciokrotnie spoczynkowe zapotrzebowanie ustroju (Ronikier 2003).

Badając mechanizm utrzymania pionowej postawy ciała należy oceniać z jednej strony unieruchomienie, stabilizację, z drugiej zaś ruchomość. Zdolność do ograniczenia ruchomości warunkująca układ podparcia jest tak samo ważna jak ruchomość. Naprzemienność występowania ruchu i bezruchu jest warunkiem sprawnego działania mechanizmu obejmującego jednocześnie wiele stawów i wiele jednostek ruchowych. Możliwość równoczesnego badania ułożenia przestrzennego wszystkich segmentów ciała pozwala zauważyć usztywnienie i ruchomość występujące w tym samym czasie.

W dotychczasowej praktyce klinicznej badamy zakres ruchu oddzielnie w płaszczyźnie czołowej, strzałkowej i poprzecznej. Są to wzajemnie prostopadłe płaszczyzny przecinające się w środku ciężkości ciała. Płaszczyzna czołowa określa ruchy boczne, strzałkowa ruchy zginania i prostowania, poprzeczna zaś ruchy rotacji. Rzeczywiste ruchy badanych segmentów odbywają się jednocześnie w wielu płaszczyznach. Stephen Hawking analizując n wymiarów przestrzeni kosmicznej uczciwie przyznaje, że jest to operacja stricte matematyczna, nie mająca odniesienia do ludzkiego postrzegania. Jego percepcja przestrzeni – jak twierdzi - ogranicza się tylko do dwóch wymiarów. Większych zdolności percepcji przestrzennej nie należy oczekiwać od medyków. Dlatego wyniki pomiaru położenia przestrzennego są rzutowane na trzy podstawowe płaszczyzny. Równoczesne wyobrażenie położenia segmentu na podstawie wyników trzech rzutów jest możliwe po dłuższym doświadczeniu z fotogrametrią. Jednoczesny ruch zgięcia i skłonu ogranicza lub znosi ruch rotacji w odpowiednim segmencie. Ruch wielopłaszczyznowy nie jest sumą zakresu ruchów badanych oddzielnie w poszczególnych płaszczyznach. Bogactwa zależności układu ruchu dopełniają warunki, w których ruch się odbywa. Warunki te określa budowa anatomiczna. Ustawienie powierzchni stawowych między wyrostkami stawowymi kręgów L4, L5 i S1 w płaszczyźnie strzałkowej ogranicza znacznie ruchy rotacyjne w tym odcinku kręgosłupa.(Bochenek et al. 2002) Siły wymuszające tego typu ruch w tym miejscu są powodem częstej patologii jak dyskopatia i kręgozmyk.

Ruch utrzymania pionowej postawy ciała jest podstawowym ruchem człowieka. Z niego wynikają prawie wszystkie pozostałe ruchy. System mający możliwość oceny najbardziej istotnych zjawisk dla oceny układu ruchu spełni swoje zadanie, jeżeli będzie dostępny tam, gdzie jest najbardziej potrzebny, czyli w gabinecie lekarza. Oprócz wyżej wymienionych wymagań merytorycznych musi mieć możliwość pracy w normalnych warunkach lokalowych gabinetu lekarskiego, przychodni czy zakładu rehabilitacji. Wielkość takiego pomieszczenia nie powinna przekraczać spotykanej wielkości pomieszczeń w tego typu placówkach leczniczych, czyli 4 x 5 m. Kolejnym oczekiwaniem jest czas wykonania pomiaru i czas uzyskania wyników. Najlepiej taki, by badanie i opracowanie danych mieściło się w ramach jednej wizyty lekarskiej.

Stawianie wymagań, oczekiwań wydaje się rzeczą bardzo prostą. Pozornie. Wymagania muszą być określone precyzyjnie i w sposób zrozumiały dla osób drugich. Kilka wzorów fizycznych w referacie skutecznie odstraszy większość audytorium medycznego. Z kolei słowo bio wywołuje respekt ale i dystans u osób z wykształceniem technicznym. Jedni z dużym szacunkiem dla drugich poruszają się we własnym świecie. Światy te różni nie tylko słownictwo, ale głównie logika myślenia. Medycyna zdominowana jest probabilistyką zjawisk, świat techniki ma charakter deterministyczny. Współpraca specjalistów z zakresu fotogrametrii, informatyki i medycyny wymaga w pierwszym rzędzie otwartości, życzliwości i wiary w partnera, którego się na początku nie zna i nie bardzo rozumie. Przekonanie nieżyjącego już dr inż. Andrzeja Tokarczyka, że takie zadanie jest możliwe do wykonania, udzieliło się innym. Tak powstał system Photogrametric Body Explorer spełniający wyżej opisane postulaty.

Literatura

  1. Będziński R., Pezowicz C., Szust A. 2004: Biomechanika kręgosłupa. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, Nałęcz M. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit 2004
  2. Błaszczyk J. W. 2004: Biomechanika kliniczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL
  3. Bober T., Zawadzki J. 2001: Biomechanika układu ruchu człowieka , Wydawnictwo BK, 2001
  4. Bochenek A, Reicher M. 2002: Anatomia człowieka. Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2002
  5. Cappozzo A., Catani F. Leardini A., Benedetti M. G., Della Croce U. 1996: Position and orientation in space of bones during movement: experimrntal artefacts. Clinical Biomechanics 1996
  6. Nowotny J., Gaździk T., Zawieska D., Podlasiak P. 2002: Fotogrametria – mity i rzeczywistość. Ortopedia, Traumatologia i Rehabilitacja 2002
  7. Resnick R., Halliday D. 1996: Fizyka, PWN 1996
  8. Roniker A. 2003: Ocena kliniczna i funkcjonalna układu ruchu. Rehabilitacja medyczna. Kwolek A. Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner 2003
  9. Syczewska M., Lebiedowski M., Kalinowska M. 2004: Analiza chodu w praktyce klinicznej. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000. Nałęcz M. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit
  10. Tatarkiewicz W. 1988: Historia Filozofii, PWN
  11. Tokarczyk R., Mikrut S. 2000: Close Range Photogrammetry System for Medicine and Railways. IAPRS, Amsterdam 2000