Исследование ходьбы человека методом видеорегистрации

Аппаратное обеспечение разнообразных методов исследования и анализа походки сегодня поддерживается широким спектром оборудования. В том, что будущее, вероятнее всего, будет принадлежать видеосистемам, убеждает как эволюция самих видеосистем, так и тесно с ними связанной компьютерной техники. Преимущества этого метода заключаются в малом весе маркеров и дополнительного оборудования, носимого пациентом, а так же в отсутствии связи обследуемого с регистрируемой аппаратурой.

Исследование ходьбы человека методом видеорегистрации было проведено с помощью видеокамеры Sony DCR-TRV330E, последующая обработка видеоданных производилась на персональном компьютере на базе процессора Intel Core 2 Duo. Видеокамера была установлена на расстоянии 3,2 м от траектории движения пациента на высоте 0,65м от пола (рисунок 8). На вертикальной поверхности находящейся на расстоянии 4,1 м от видеокамеры, с интервалом в 1,0 м были прикреплены два реперных маркера. Движение человека регистрировалось со скоростью 25 кадров в секунду.

Рисунок 8. Схема эксперимента

Отснятые видеофрагменты были обработаны с помощью специализированного программного обеспечения, в результате чего было получено покадровое изображение ходьбы. Для компенсации аппаратных искажений изображения, был использован цифровой фильтр De-interlace (рисунок 9).

Рисунок 9. Кадр до (слева) и после (справа) применения фильтра De-Interlace

Рисунок 10. Координатная сетка для калибровки видеокамеры

Калибровка оборудования

Применение видеокамеры может привести к появлению искажения изображения. Поэтому нужно выяснить, как искажения влияют на результаты измерений.

Для проведения калибровки на вертикальную поверхность позади пациента нанесли координатную сетку (шаг = 5 см) (рисунок 10).

Для калибровки оборудования был отснят дополнительный кадр без пациента. На этом кадре с помощью программы Image Tool for Windows Version 2.0 был проведен ряд измерений между линиями регистрационной сетки. Полученные числовые значения (приведены в Приложении 3 и 4) незначительно отличались.

Эти отличия объясняются погрешностью измерения, нечеткостью изображения. Поэтому этими отличиями можно пренебречь и задать одну метрику для всех дальнейших измерений в пределах интересующей нас области (в центральной части).

Исследование ходьбы

На теле пациента, в областях осей вращения суставов нижней конечности были закреплены контрастные маркеры. Первоначально в качестве маркеров были использованы цветные контрастные диски, однако маркеры данного типа, прикрепленные к быстро движущимся участкам нижней конечности, на видеоизображении сильно «смазываются», что вызывает сложности при определении координат расположения центра маркера (рисунок 11). Для решения этой технической проблемы была изготовлена, цепочка светодиодов (подключенная к портативному элементу питания СR2025-С5 3V), использование которой позволило улучшить точность регистрации маркера на видеокадре.

Рисунок 11. Использование контрастных маркеров разного типа
А	Б
В	Г
Рисунок 12. Нижняя конечность пациента в различные фазы (А – 0%, Б – 33%, В – 60%, Г – 100%) двойного шага

После окончательной обработки видеофайла движения человека был получен видеоряд с изображением нижней конечности в различные фазы двойного шага (рисунок 12).Дальнейшая обработка полученного видеоряда проводилась в программе Image Tool for Windows Version2.0, в которой измерялась величина межзвенных углов сегментов нижней конечности (рисунок 13).

Результат обработки видеоряда представлен в приложении 2 (столбец «Видео») и на рисунке 14. Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы об индивидуальных особенностях структуры походки пациента. Так на графиках (рисунок 14 Б) видно, что в момент переднего толчка, величина угла в коленном суставе значительно отличается от нормы, однако сделать выводы о том как данная особенность походки влияет на состояние опорно-двигательного аппарата, не представляется возможным.

Рисунок 13. Измерение межзвенных углов в программе ImageTool 2.0

В связи с тем, что механические нагрузки оказывают значительное влияние на состояние суставов нижней конечности, на наш взгляд, является целесообразным при диагностике опорно-двигательного аппарата использование такого количественного критерия как «величина нагрузки на сустав». Для определения этого параметра передаем полученные данные на дальнейшую обработку.

А

Б

В

Рисунок 14 Графики изменения межзвенных углов при ходьбе в тазобедренном (А), коленном (Б) и голеностопном (В) суставах

Сравнение методов

При использовании метода видоерегистрации возникаеют некоторые неудобства, например необходимость настраивать камеру (экспозиция в зависимости от освещенности и фокусировка); пациент при ходьбе закрывает маркеры, расположенные в области таза и бедра, из-за движения рук; оцифровка видеоряда - долгая трудоемкая процедура. Однако использование видеорегистрации позволяет избежать некоторых погрешностей, неизбежных при исследовании ходьбы с использованием ПАК «Биомеханика».

Как видно на рисунке 14 имеются некоторые различия в результатах обработки эксперимента. Рассмотрим кадры видеоряда (рисунок 15). Выбранное конструктивное решение крепления бранши приводит к тому, что при движении бранша гониометрических датчиков смещаентся, за счет чего возникает т.н. внутрисегментный излом – угол между браншей гониометра и линией ТБС-КСС на бедре (или КСС-ГСС на голени).

Рисунок 15. Внутрисегментный излом

Для оценки погрешности, вносимой внутрисегментными изломами в измерения в области бедра и голени, был проведен ряд дополнительных размеров (рисунок 16 – f1, f2, k1, k2). Результаты измерений представлены на рисунке 17, а также в приложении 2.

Рисунок 16. Схема измерения межсегментных изломов

Как показали измерения, внутрисегментный излом вносит погрешность до 10% величины межзвенного угла по норме (для ТБС), до 15% величины межзвенного угла по норме (для КСС), до 30% величины межзвенного угла по норме (для ГСС). Такая погрешность может привести к серьезным отклонениям результатов измерений от «нормы» и, как следствие, к неверной постановке диагноза пациенту. Поэтому при проведении исследований можно использовать только метод видеорегистрации.

А

Б

В

Рисунок 14 Графики изменения межзвенных углов при ходьбе в тазобедренном (А), коленном (Б) и голеностопном (В) суставах

Электромиография

Электромиография – метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах животных и человека при возбуждении мышечных волокон. У человека осуществлена впервые в 1907г. немецким ученым Г. Пипером. Амплитуда колебаний потенциала мышцы обычно не превышает нескольких мВ, а их длительность - 20-25 мсек, поэтому электромиографию проводят с помощью усилителя и малоинерционного регистратора, кривая, записанная на фотобумаге, фотопленке и т.п., называется электромиограммой (ЭМГ). В электромиографии могут быть выделены 3 основные направления исследования. Первое из них - электромиография с помощью введенных в мышцу игольчатых электродов, которые вследствие небольшой отводящей поверхности улавливают колебания потенциала, возникающие в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном. Это позволяет исследовать структуру и функцию двигательных единиц. Второе направление - электромиография с помощью накожных электродов, которые отводят так называемую суммарную ЭМГ, образующуюся в результате интерференции колебаний потенциала многих двигательных единиц, находящихся в области отведения. Такая ЭМГ отражает процесс возбуждения мышцы как целого. Так называемая стимуляционная электромиография - регистрация колебаний потенциала, возникающих в мышце при искусственной стимуляции нерва или органа чувств. Таким образом исследуется нервно-мышечная передача, рефлекторная деятельность двигательного аппарата определяется скорость проведения возбуждения по нерву. Электромиографию применяют в физиологии при изучении двигательной функции животных, и особенно человека а также в прикладных науках - физиологии труда и спорта. Электромиография используется также для оценки функционального состояния двигательного аппарата при восстановлении нарушенной двигательной функции в ортопедии и протезировании.

ЭМГ позволяет:

1) исследовать функциональное состояние скелетных мышц при различных физиологических изменениях;

2) получить информацию о состоянии мышцы, ее сократимости и иннервации.

ЭМГ используется:

1) для изучения различных рефлекторных реакций в физиологии двигательных систем;

2) в диагностике болезней нервов и мышц;

3) для исследования нарушений нервно-мышечной передачи возбуждения;

4) при изучении трудовых процессов, механизмов утомления в космической, авиационной и спортивной медицине;

в) в анестезиологии для определения эффективности миореолаксантов и контроля над их действием.

Виды электродов.

В электромиографии используется два вида электродов – поверхностные и игольчатые.

Поверхностные электроды представляют собой металлические пластины или диски площадью 0,2–1 см². Обычно они попарно вмонтированы в фиксирующие колодки, обеспечивающие постоянство расстояний между отводящими электродами (1–2см друг от друга), что важно для оценки амплитуды регистрируемой активности. Такие электроды накладывают на кожу над областью двигательной точки мышцы. Кожу перед наложением электрода протирают спиртом и смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Электрод фиксируют над мышцей с помощью резиновых полос, манжет или лейкопластыря. При необходимости длительного исследования на область кожно-электродного контакта наносят специальную электродную пасту, используемую в электроэнцефалографии. Большой размер и удаленность от мышечной ткани поверхностного электрода позволяют регистрировать с его помощью только суммарную активность мышц, представляющую собой интерференцию потенциалов действия многих сотен и даже тысяч мышечных волокон. При больших усилениях и сильных мышечных сокращениях поверхностный электрод регистрирует также активность соседних мышц. Все это не позволяет исследовать с помощью поверхностных электродов параметры отдельных мышечных потенциалов. В получаемой регистрации только ориентировочно оценивают частоту, периодичность и амплитуду ЭМГ

Игольчатые электроды бывают концентрическими, монополярными и биполярными. Концентрический электрод – это полая игла диаметром около 0,5мм. Внутри иглы проходит отделенный от нее слоем изоляции проволочный стержень из платины или нержавеющей стали. Разность потенциалов измеряют между корпусом иглы и кончиком центрального стержня. Иногда для увеличения локальности отведения иглу изолируют также снаружи, причем неизолированной оставляют только ее эллиптическую поверхность по плоскости среза. Площадь отводящей поверхности осевого стержня стандартного концентрического электрода составляет 0,07 мм². Приводимые в современных публикациях параметры потенциалов ЭМГ относятся к электродам этого типа и размера. При существенном увеличении площади контакта отводящего электрода параметры потенциалов могут существенно меняться. Это же наблюдается и в случае изменений конструкции используемых электродов (монополярный или биполярный).

Для монополярных отведений используют электроды, представляющие собой иглу, изолированную на всем протяжении, кроме заостренного конца, оголенного на протяжении 1-2 мм.

Биполярный электрод содержит внутри иглы два одинаковых изолированных друг от друга стержня, между обнаженными кончиками которых, отстоящими друг от друга на десятые доли миллиметра, измеряют разность потенциалов.

Игольчатые электроды используют для исследования параметров потенциалов действия отдельных моторных единиц и мышечных волокон. Отведение игольчатым электродом является основным в клинической миографии, ориентированной на диагностику первично-мышечных и нервно-мышечных заболеваний. Запись отдельных потенциалов действия моторных единиц и мышечных волокон позволяет точно оценить длительность, амплитуду, форму и фазность потенциала.

Игольчатые электроды необходимо оберегать от механических воздействий, могущих повредить изолирующий слой или вызвать образование зазубрин на прокалывающей части иглы и ее затупление. Изолирующий материал должен выдерживать кипячение и содержание в 90% спирте в течение 1 суток. Состояние игольчатого электрода контролируют визуально с помощью 10-кратной лупы или микроскопа. При обнаружении затупления или зазубрин проводят заточку, полировку и электролитическую обработку электрода по прилагаемой к нему инструкции. Использование затупленных и зазубренных электродов недопустимо, так как увеличивает болезненность исследования, приводит к грубому повреждению большого количества мышечных волокон и нервных веточек, что влечет за собой постановку неправильного диагноза. Перед введением электрода кожу протирают спиртом. Электрод стерилизуют кипячением или содержанием его в 90% спирте или другом дезинфицирующем растворе в течение суток. Состав раствора указывается в инструкциях к электродам.

Кроме электродов, разность потенциалов которых подается на вход усилителя электромиографа, на кожу исследуемого устанавливают поверхностный электрод заземления, который присоединяют к соответствующей клемме на электродной панели электромиографа. Цепь этого электрода закорачивает емкостную разность потенциалов между телом больного и землей и способствует ликвидации емкостных токов, возникающих в результате действия полей переменного промышленного тока.