SI25959A - Več-pospeškometrski sistem in metoda za vrednotenje mehanskega stresa med hojo in tekom - Google Patents

Abstract

Več-pospeškometrski sistem in metoda za vrednotenje mehanskega stresa med hojo in tekom je sistem v osnovi sestavljen iz šestih tri-osnih pospeškometrov (59), centralne enote (58) in programske opreme za prikaz rezultatov meritev. Centralno enoto (58), ki je sestavljena iz ohišja elektronike (5, 7, 11), računalnika Raspberry Pi 4B (10), napajalnega modula PiJuice (8) z dvema baterijama (6, 9), časovnega modula ChronoPi (12), ventilatorja za hlajenje sistema (15), stikala za vklop/izklop sistema (13) inzajemanja podatkov (14) ter šestih vizualnih kazalnikov delovanja senzorjev (20, 21, 22, 23, 24, 25), nosi merjenec na hrbtu ali na pasu v torbici. Centralna enota (58) je s kabli (4) povezana s pospeškometrskimi senzornimi elementi (3), ki jih ščitita dve polovici ohišja (1, 2). Kabli (4) so izdelani v treh dolžinah, kar omogoča postavitev pospeškometrov na določene dele obeh spodnjih okončin (vrh stopala, vrh golenice in medenica). Sistem vklopimo s preklopom stikala za vklop/izklop (13), s preklopomstikala za zajem podatkov (14) na ON se sproži začetek meritve. Meritev se zaključi s preklopom stikala (14) na OFF, ko se tudi zaključi zapisovanje podatkov na usb ključek, kamor se shrani tekstovna datoteka. Programska oprema Telasi Preview nato opravi hitro analizo podatkov pridobljenih z meritvami in grafično prikaže rezultate vseh treh osi (x, y in z) vseh šestih pospeškometrov (59) posebej v mreži 3x2. Predlagan izum omogoča zajem pospeškov in tako pridobivanje podatkov o biomehaniki in obremenitvahvseh sklepov spodnjih okončin med hojo in tekom.

Description

NASLOV

Več-pospeškometrski sistem in metoda za vrednotenje mehanskega stresa med hojo in tekom

PRESTAVITEV PROBLEMA

Tek je eden izmed osnovnih načinov gibanja človeka. Za razumevanje biomehanike teka, moramo najprej razumeti potek hoje. Cikel hoje lahko opišemo kot zaporedje gibanja spodnjih okončin med začetnim stikom stopala s podlago in ponovnim stikom s podlago na koncu parnega cikla dveh korakov. Tega delimo na dve glavni fazi: faza opore (60 % cikla) in faza zamaha (40 % cikla). Faza opore predstavlja stik stopala s podlago, medtem ko je ta pri fazi zamaha odsoten. Ko je ena spodnja okončina v fazi opore, je druga v fazi zamaha. Sprememba iz hoje v tek se zgodi približno pri hitrosti 2 m/s. Za razliko od hoje, ko je vedno vsaj ena spodnja okončina v stiku s podlago, je pri teku faza opore krajša in predstavlja manj kot 50 % cikla. Večja kot je hitrost gibanja, krajša je faza opore. Posledično daljša faza zamaha, ki pri teku traja več kot 50 % celotnega cikla, v določenem delu cikla povzroči istočasno fazo zamaha za obe spodnji okončini. To je faza, ki jo imenujemo faza leta in loči hojo od teka. Kljub temu, da se tek morda, v primerjavi z drugimi, kompleksnejšimi športnimi disciplinami/gibanji zdi enostavno gibanje, predstavlja visoke fiziološke in biomehanske zahteve za človeško telo. Posledično se pri tekačih pogosto pojavljajo mišično-skeletne poškodbe. Najpogosteje so to poškodbe kolen (28 %), gležnjev ali stopal (26 %) in goleni (16%) oziroma patelofemoralni sindrom (17%), tendinopatija Ahilove tetive (10%) in medialni tibialni stresni sindrom (8%). Eden potencialnih dejavnikov tveganja za poškodbe je nepravilna biomehanika teka, ki se iz različnih razlogov pojavi pri kar 80 % tekačev. Številni raziskovalci na tem področju so na osnovi biomehanskih analiz predlagali možne dejavnike tveganja za poškodbe, kot so povečana navpična obremenitev in sile, ki delujejo na golenico, povečan primik kolka ali everzija stopala, zmanjšan obseg gibljivosti kolena in zmanjšana predaktivacija nekaterih mišic.

Dandanes je tek ena najbolj razširjenih gibalnih/športnih aktivnosti tako pri rekreativcih kot pri profesionalnih športnikih. V Sloveniji se letno izvede več kot 450 tekaških prireditev kot so Maraton treh src Radenci, Istrski maraton, Soča outdoor festival, Tek Trojk, Ljubljanski maraton in drugi. Število sodelujočih narašča iz leta v leto. Denimo, leta 1996 seje Ljubljanskega maratona udeležilo 673 tekačev, leta 2019 kar 19.592. Zaradi vse večje priljubljenosti teka med prebivalstvom, je ta tema zelo pogosto obravnavana tudi na znanstveno-raziskovalnem področju. Izbira metode za analizo teka je odvisna od raziskovalnega vprašanja oziroma problema, predmeta in namena raziskave ali praktične strokovne uporabe. Zlati standard za vrednotenje tako hoje kot teka predstavlja optični kinematični sistem. Cilj kinematičnih študij je oceniti gibanje posameznih telesnih segmentov ali telesa kot celote vključujoč opis položaja, hitrosti, pospeškov in vrtilnih parametrov (orientacijski kot in kotna hitrost) v prostoru in času neodvisno od sil, ki predstavljajo vzrok gibanja. Na tem področju je še posebej veliko zanimanje raziskovalcev namenjeno položaju in orientaciji spodnjih okončin ter stopalu kot edinemu segmentu, ki je v stiku s podlago. Opravljenih je bilo že kar nekaj študij o položaju stopala v bočni in čelni ravnini oziroma o vzorcu teka. Poleg tega so vrednotili tudi stopnjo pronacije/supinacije stopala, različne premike zgornjih okončin, položaj trupa v bočni ravnini in položaj oziroma nagib medenice med tekom. Najpogosteje vrednoteni biomehanski parametri teka so hitrost, tempo, frekvenca in dolžina korakov, dolžina dvojnega koraka, trajanje posameznih faz hoje, moč, šok, tako navpične kot vodoravne sile pri različnih delih tekaškega koraka, obseg pronacije oziroma supinacije stopala in kotne hitrosti. Nadalje so pomemben vidik, tako za nastanek oziroma preprečevanje poškodb kot tudi za tekaško učinkovitost, asimetrije med levo in desno spodnjo okončino med tekom.

Kinematična analiza se lahko opravlja dvo- ali tro-dimenzionalno z aktivnimi ali pasivnimi markerji nameščenimi na kostno-anatomskih točkah telesa ali brez, ko so le-te prepoznane s pomočjo programske opreme. Točnost meritev je odvisna od postavitve in števila kamer, razdalje med kamerami in markerji, števila in vrste markerjev ter gibanja le-teh znotraj območja zajemanja podatkov. Kompleksnost in visoka cena opreme potrebne za izvedbo meritev le-to omejuje na uporabo v znanosti oziroma v vrhunskem športu. Ker optični kinematični sistemi temeljijo na statičnih kamerah, je zajem podatkov omejen na določeno območje. Ob zavedanju dejstva, da se tek dandanes izvaja v različnih okoljih od mestnih parkov, gozdov, gorskih poti do atletskih stadionov in tekaških stez, ugotovimo, da uporaba optičnih kinematičnih sistemov ni vedno možna. Ta je dokaj zapletena, dolgotrajna in omejena na laboratorijsko okolje; oprema pa draga. Zato so začeli raziskovalci razvijati in se poleg optičnega kinematičnega sistema posluževati tudi drugih sistemov, ki omogočajo izvedbo meritev v nekontroliranem/realnem okolju oziroma izven laboratorija. Splošno znani so globalni sistemi pozicioniranja (Global positioning system - GPS). Ti delujejo na podlagi elektromagnetnih in radijskih valov, ki potujejo od oddajne do ocentralne enote. GPS se uporabljajo v športnih urah, najpogosteje za merjenje razdalj in hitrosti. Poleg tega, drugi pogosto uporabljen nosljivi sistem je inercijska merilna enota merilna naprava sestavljena iz pospeškometra in žiroskopa. Zaradi popolnosti pridobljenih podatkov, se lahko tem merilnim enotam dodajo drugi senzorji gibanja kot so barometri in magnetometri in jih nato imenujemo magnetno-inercijske merilne enote. Magnetometer se uporablja za ugotavljanje položaja severa in na ta način določanje položaja naprave. Z intenzivnim razvojem v zadnjih časih postajajo nosljivi sistemi za analizo teka vse manjši, učinkovitejši glede porabe energije in cenovno dostopnejši. Zato se tudi število strokovnih in znanstvenih prispevkov, ki poročajo o športni uspešnosti na podlagi inercijskih merilnih enot, v zadnjem desetletju postopno povečuje.

STANJE TEHNIKE

Znanih rešitev za meritve telesne aktivnosti je veliko. Naprave kot so ActivPAL, ActiGraph in podobne, ki jih namestimo na zapestje, pas ali stegno, s pomočjo pospeškometrov določajo položaja telesa oziroma stanje aktivnosti posameznika. Naprava ActiGraph na osnovi telesne aktivnosti podaja podatke o času budnosti oziroma spanja, activPAL meri čas ležanja, sedenja, stoje in hoje. Za vrednotenje različnih parametrov teka je komercialno dostopnih kar nekaj naprav. Bolj enostavni so različni pedometri (RealAlt TriSport 3D Pedometer, Pingko Walking Pedometer, Omron Walking Style IV Pedoometer, Nevvfeel onwalk 500 ipd.), ki omogočajo merjenje korakov, razdalje in nekateri poročajo tudi porabo kalorij. Tudi večina pametnih telefonov vsebuje pospeškometre, ki omogočajo določanje telesne aktivnosti posameznika in štetje korakov. Kompleksnejše naprave so zapestnice in športne ure kot so Nike+ Sportband, Adidas miCocach Zone in Pacer, Suunto in Polar, ki vsebujejo pospeškometre in so ustvarjene primarno za merjenje hitrosti teka. Poleg tega večina omogoča tudi meritve srčnega utripa. Po drugi strani obstajajo naprave (Polar G3, Apple watch, različne Garmin ure ipd.) in aplikacije za pametne telefone kot so Sports Tracker, Runkeeper - GPS Running Tracker in Map my run, ki uporabljajo GPS za sledenje poti in izračun razdalje. Tudi najenostavnejše športne ure merijo srčni utrip, sledijo poti in podajajo informacije o pretečeni razdalji, hitrosti in tempu teka, dolžini ter kadenci korakov (število korakov na minuto).

Pomanjkljivost omenjenih sistemov je, da ne omogočajo meritev orientacije telesnih segmentov (npr. pronacija/supinacija stopala) niti obremenitev posameznih delov telesa oziroma sil, ki na njih delujejo med tekom. Za optimalno vrednotenje učinkovitosti in biomehanke teka v realnem okolju z namenom določanja in odpravljanja dejavnikov tveganja za nastanek tekaških poškodb, je potrebna merilna oprema, ki analizira gibanje in obremeitve spodnjih okončin. Nadalje je potrebna metoda, ki omogoča preprosto analizo podatkov pridobljenih z neposrednimi meritvami teka in sistem, ki omogoča enostavno in razumljivo poročanje teh podatkov uporabniku. Potrebno je tudi preprosto nameščanje, ki bo istočasno zagotovilo dobro stabilnost senzorja in udobje ter enostavno uporabo za tekače.

Sistemi 3-osnih pospeškometrov opisanih v patentih US20150335280A1 in US9514625B2, ki se jih namesti na sedmo vratno vretence in na križnico, vrednotijo držo in podajajo povratno informacijo (zvočno ali taktilno) o neželenih spremembah. Patenta US9824265B2 in US9811720B2 razkrivata inercijske merilne sisteme, ki se jih namesti na križnico in metodo, ki omogoča prepoznavanje posameznikov glede na njihovo dinamiko gibanja. Po patentu EP2924675A1 je znana rešitev za izboljšavo tehnike izvedbe telesne vadbe sestavljena iz vsaj enega pospeškometra (ki mora biti nameščen na zgornjem delu telesa - glava, prsni koš, zgornji del hrbta ali ramenski obroč), centralne in spominske enote. Ta sistem podaja povratne informacije v realnem času glede skladnosti izvedenega gibanja s prej nastavljenimi (referenčnimi) vrednostmi. Pospeškometrski sistemi se uporabljajo tudi za vrednotenje učinkvitosti medicinsko-tehničnih pripomočkov kot so ortoze in proteze. Patent US20140343460A1 razkriva sistem namenjen za ugotavljanje asimetrij gibanja spodnjih okončin pri posameznikih s protezo, medtem ko sta v patentu CA2592042C predstavljena sistem in metoda, ki na osnovi meritev opravljenih s pospeškometri omogočata spremljanje gibanja pripomočkov (ortoze ali proteze).

Patenti CN208876547U, CN102824177B in US9307932B2 razkrivajo naprave, ki temeljijo na inercijskih merilnih enotah in se namestijo na stopala bodisi na nart bodisi na peto. Uporabljajo se za vrednotenje časovno-prostorskih parametrov teka. Podobna rešitev je predstavljena v patentu US20190150793A1, le da je senzor nameščen pod zunanjim gležnjem. Patent JP6037183B2 predstavlja senzorje v vložkih za čevlje in metodo za analizo tehnike teka. Ta sistem potem s pomočjo ure podaja povratne informacije tekačem. Pospeškometrski sistem so v patentu

US8744783B2 nadgradili z enim senzorjem sile in centralno enoto za analizo podatkov. Nato so predstavili metodo, ki na osnovi teh meritev omogoča izračun moči, ki jo telo ustvari med gibanjem.

Te rešitve ponujajo dobro osnovo za preučevanje gibanja, vendar se v večini primerov osredotočajo oziroma omogočajo uporabo le na enem telesnem segmentu (stopalo). V primeru želje ali potrebe po vrednotenju večjega dela telesa (npr. spodnjih okončin) in odnosov med posameznimi sklepi, je potrebna drugačna rešitev. Najbližje temmu je izum CN103505219A, ki razkriva sistem in metodo za ocenjevanje gibanja človeškega telesa temelječ na signalih pospeškometrov nameščenih na obeh stopalih in na pasu. Sistem je brezžičen in poleg pospeškometrov vsebuje še centralno enoto za shranjevanje in analizo podatkov. Kljub temu, da je v tem primeru pospeškometer poleg stopal nameščen še na pas, vseeno ne omogoča pridobivanja podatkov o gibanju in obremenitvah kolen in kolkov.

V znanstvenih raziskavah na tem področju so bile doslej že uporabljene različne inercijske oziroma magnetno-inercijske merilne enote kot so RunScribe, Styrd, ETHOS, Garmin Footpood, FWIS Physiolog in DeltaTron. Te so bile v večini primerov nameščene na stopala oziroma v eni raziskavi na gležnju in kolenu, v drugi na stegnu in golenici in v tretji na mečni mišici (m. gastrocnemius). Večsegmentnost bi v tem primeru dala pomemben vpogled v, za mišično-skeletno varnost, ključne biomehanske tehnične značilnosti teka. Kolikor je nam znano so le v treh raziskavah senzorje namestili na več različnih delov telesa. V dveh raziskavah so bila področja namestitve senzorjev spodji del hrbta, stegno, golen in stopalo, vendar so avtorji vrednotili le hojo pri posameznikih z osteoartritisom kolena. Zato ostaja odprto vprašanje o aplikativnosti takšnega načina vrednotenja pri teku. V zadnji raziskavi so namestili 12 ETHOS senzorjev z namenom spremljanja gibanja celega telesa med tekom. Avtorji te študije sklepajo, da so najpomembnejša področja namstitve na trupu in stopalih. Sklepajo, da bi manj senzorjev omogočilo hitrejše in enostavnejše nameščanje ter povzročilo manj motenj oziroma omejitev med tekom.

Izum opisan v tej vlogi sta več-pospeškometrski sistem in metoda za vrednotenje mehanskega stresa med hojo in tekom. Predstavljena rešitev prinaša možnost vrednotenja mehanskega stresa vseh sklepov spodnjih okončin med gibanjem. Izum je namenjen pridobivanju pomembnih podatkov o biomehaniki hoje pri posameznikih, ki se srečujejo z različnimi gibalnimi težavami (npr. po možganski kapi) in teka pri rekreativnih in profesionalnih športnikih. Izum omogoča zajem pospeškov na vseh sklepih obeh spodnjih okončin (stopalo, koleno in kolk) med hojo ali tekom. Sistem deluje tako, da ko zaženemo meritev ustvari tekstovno datoteko, kamor se shranjujejo podatki vseh šestih pospeškometrov in trajanje meritve. Ko je meritev zaključena, je omogočen ogled grafov vsakega senzorja posebej v mreži 3x2, kjer je vsaka izmed treh osi (x, y in z) prikazana z drugo barvo.

PREDSTAVITEV TEHNIČNE REŠITVE

Prenosni sistem merjenja pospeškov je v osnovi sestavljen iz centralne enote 58, šestih tri-osnih pospeškometrov 59, ki so preko kablov 4 povezani s centralno enoto 58 ter računalniškega programa za izris grafov vsakega senzorja posebej. Centralno enoto 58 nosi merjenec ali na hrbtu (Slika 1) ali na pasu v torbici. Senzorji 59 se pritrdijo, glede na dolžino kablov 4, na spodnje ude obojestransko: vrh stopala (baza druge stopalnice), vrh golenice (golenična grčevina) in medenica (zgornji sprednji črevnični trn). Kot prikazuje Slika 2 je centralna enota 58 sestavljena iz ohišja elektronike iz elementov 5, 7 in 11, računalnika Raspberry Pi 4B 10, napajalnega modula PiJuice 8 z baterijo 9, dodatne baterije 6, časovnega modula ChronoPi 12, ventilatorja za hlajenje sistema 15 z vijaki 16, 17, 18 in 19 ter maticami M3 26, 27, 28, in 29 za pritrditev na ohišje, stikala za vklop/izklop sistema 13, stikala za vklop/izklop zajemanja podatkov 14, šestih vizualnih kazalnikov (LED) delovanja senzorjev 20, 21, 22, 23, 24 in 25, matice M3 30, 31,32, 33 in vijakov M3 34, 35, 36 in 37 za pritrditev spodnjega dela ohišja elektronike na centralni del ohišja elektronike, vijaki M3 38, 39, 40 in 41 za pritrditev Raspberry Pi 4B na spodnji del ohišja elektronike, matice M3 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 in 49 ter vijaki M3 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 in 57 za pritrditev pokrova ohišja elektronike na centralni del ohišja elektronike. Vsak senzor (podrobnosti prikazane na Sliki 3) je sestavljen iz dveh polovic zaščitnega ohišja 1 oziroma 2, kabla 4, ki povezuje senzorje 59 s centralno enoto 58, in tiskano vezje s pospeškometrskim senzornim elementom 3. Vsak par senzorjev (en senzor za levo in drugi za desno spodnjo okončino) ima enako dolžino kablov 4. Tri različne dolžine kablov 4 omogočajo postavitev senzorjev 59 na določene dele spodnjih okončin.

Sistem se zažene s preklopom stikala 13 za vklop. Konstantno svetenje LED 20, 21, 22, 23, 24 in 25 nakazuje, da je sistem pripravljen za zajem podatkov. S preklopom stikala 14 za zajem podatkov na ON se začne izvajati meritev, na USB ključku se ustvari tekstovna datoteka, v katero se shranjujejo vrednosti pospeškov vseh šestih senzorjev in relativen čas meritve. Med izvajanjem meritve LED kazalniki 20, 21,22, 23, 24 in 25 utripajo enkrat na sekundo. V primeru težav s katerim od šestih senzorjev se, po preklopu stikala, meritev ne začne izvajati, LED kazalnik nedelujočega senzorja oziroma več njih začne utripati petkrat na sekundo. Meritev se zaključi s preklopom stikala 14 na OFF in na USB ključku se zaključi zapisovanje podatkov v tekstovno datoteko. Ime datoteke s podatki je sestavljeno iz leta, meseca, dneva, ure, minute in sekunde začetka izvajanja meritve. USB ključek se po meritvi lahko vstavi v računalnik, na katerem je nameščen Telasi Preview, kar omogoča hitro analizo rezultatov meritev.

Računalnik nima vgrajene pomožne gumbne baterije, s katero bi sistem ohranjal točen datum in čas, kadar je računalnik brez napajanja. V ta namen časovni modul računalniku zagotavlja točen čas tudi takrat, ko je brez glavnega napajanja. Računalniški program za izris grafov (Telasi Preview) je zasnovan v programskem okolju Matlab (The Math Works Inc., Natick, Massachussets, ZDA) in se ga kot samostojni program lahko namesti na poljuben računalnik. V programu izberemo tekstovno datoteko meritve in program naredi za vsak senzor posebej svoj graf, katere razporedi na zaslon v mrežo 3x2 za hitrejši pregled podatkov. Vsaka izmed X, Y in Z osi na posameznem grafu je prikazana v svoji barvi.

Claims (11)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Več-pospeškometrski sistem in metoda za vrednotenje mehanskega stresa med hojo in tekom.

   označena s tem, da sta sestavljena iz šestih tri-osnih pospeškometrov (59), ki so s kabli (4) povezani s centralno enoto (58) in računalniškega programa (Telasi Preview) za izris grafov z rezultati meritev;
2. 2. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da ima tiskano vezje s pospeškometrskim senzornim elementom (3), ki ga ščitita dve polovici zaščitnega ohišja (1,2) in je s kabli (4) povezan s centralno enoto (58);
3. 3. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da je način postavitve sistema tak, da merjenec nosi centralno enoto (58) na hrbtu ali na pasu v torbici in pospeškometri (59) so nameščeni na obeh spodnjih udih na vrhu stopala (baza druge stopalnice), vrhu golenice (golenična grčevina) in na medenici (zgornji sprednji črevnični trn);
4. 4. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da so kabli (4) izdelani enake dolžine za vsak par pospeškometrskih senzornih elementov (3), kar omogoča postavitev pospeškometrov (59) na določene dele obeh spodnjih okončin (navedeno pod zahtevkom 3);
5. 5. Sistem po zahtevku 3, označen s tem, da je centralna enota (58) sestavljena iz iz ohišja elektronike (5, 7, 11), računalnika Raspberry Pi 4B (10), napajalnega modula PiJuice (8) z baterijo (9), dodatne baterije (6), časovnega modula ChronoPi (12), ventilatorja za hlajenje sistema (15), stikala za vklop/izklop sistema (13), stikala za vklop/izklop zajemanja podatkov (14) ter šestih vizualnih (LED) kazalnikov delovanja senzorjev (20, 21,22, 23, 24, 25);
6. 6. Sistem po zahtevku 5, označen s tem, da stikalo za vklop/izklop sistema (13) omogoča vklop in izklop sistema;
7. 7. Sistem po zahtevku 5, označen s tem, da stikalo za vlop/izklop zajemanja podatkov omogoča začetek in zaključek zajemanja podatkov;
8. 8. Sistem po zahtevku 5, označen s tem, da imajo vizualni kazalniki delovanja senzorjev (20, 21, 22, 23, 24, 25) vsak svoj pripadajoči LED kazalnik;
9. 9. Sistem po zahtevku 5, označen s tem, da vizualni kazalniki delovanja senzorjev (20, 21, 22, 23, 24, 25), s konstantnim svetenjem obveščajo o pripravljenosti sistema za zajem podatkov;
10. 10. Sistem po zahtevku 5, označen s tem, da vizualni kazalniki delovanja senzorjev (20, 21, 22, 23, 24, 25), med izvajanjem meritve utripajo enkrat na sekundo, a v primeru težav s senzorji, kazalniki nedelujočega senzorja ali več njih začnejo utripati petkrat na sekundo;
11. 11. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da računalniški program za izris grafov (Telasi Preview) na osnovi tekstovne datoteke pripravi grafe vseh treh osi (x, y in z), ki so obarvane vsaka s svojo barvo, za vsak pospeškometer posebej v mreži 3x2.