Domači projekti in projekti ARRS

Projekt bo razdeljen na štiri delovne sklope (DS):

• DS1: Raziskovanje vzdrževanja dinamičnega ravnotežja pri hoji zdravih oseb na tekočem traku
• DS2: Razvoj kinematičnega modela za ocenjevanje GRF in CoP
• DS3: Raziskovanje vzdrževanja dinamičnega ravnotežja pri hoji zdravih oseb po tleh med spreminjanjem smeri hoje
• DS4: Posamezne študije hoje oseb po kapi pri hoji naravnost in med spreminjanjem smeri hoje

 

DS1: Raziskovanje vzdrževanja dinamičnega ravnotežja pri hoji zdravih oseb na tekočem traku

Cilji:

Raziskati posturalne odzive skupine na aplicirane perturbacije zdravih oseb med hojo naravnost. Hoja se bo izvajala z uporabo sistema BAR-TM, ki bo omogočal hojo z različnimi hitrostmi ter z različnimi smermi in jakostmi perturbacij. Perturbacije bodo aplicirane ob različnih trenutkih cikla hoje.

Opis nalog:

K sodelovanju v raziskavi bo povabljenih vsaj 10 zdravih oseb, brez nevroloških ali ortopedskih bolezni. Izbrane bodo osebe s podobno postavo (višina in masa telesa) in podobne starosti. Tako bomo zmanjšali spremenljivost pri časovno-prostorskih parametrih hoje (dolžina-, širina- ter čas trajanja- posameznega koraka).

Osebe, ki bodo hodile v sistemu BAR-TM, bodo preko medenice sklopljene z robotom. Robot bo voden na način, ki bo interakcijske sile med medenico uporabnika in samim medeničnim robotom vzdrževal na minimumu. Preizkusili bomo štiri diskretne vrednosti hitrosti hoje, ki bodo vsebovale celoten razpon od počasne do hitre hoje (0,3; 0,7; 1,1; 1,4 m/s). Za jakost perturbacij bomo izbrali tri vrednosti sunkov sile: amplitude sile bodo znašale 5%, 10% in 15% teže telesa, trajanje sunkov sile pa bo nastavljeno na150 ms. Uporabili bomo štiri smeri perturbacij (naprej, nazaj, levo in desno). Izbrani bodo trije trenutki začetka perturbacij (ob 0%, 25% in 50% cikla hoje).

Za začetek cikla hoje velja trenutek dotika pete s tlemi. Protokol raziskave bo za vsako hitrost hoje razdeljen na dve dela. V prvem delu, ki bo trajal približno 10 minut, bodo osebe podvržene hoji s perturbacijami z namenom seznanitve osebe z eksperimentalnimi pogoji. Pokazano je bilo, da je ta čas prilagoditve ustrezen (Olenšek in ostali, 2016). V drugem delu eksperimenta bo vsaka kombinacija eksperimentalnih pogojev (smer perturbacije, jakost perturbacije, trenutek začetka perturbacije) petkrat naključno ponovljena. Tako bomo skupno dobili 180 ravnotežnih odzivov (3 jakosti x 3 trenutki perturbacij x 4 smeri x 5 ponovitev). Če upoštevamo, da je ustrezen časovni razmik med dvema zaporednima perturbacijama 6 sekund, bomo za izvedbo eksperimenta potrebovali približno 20 minut. Če k temu času prištejemo še čas, ki ga potrebujemo za seznanitev uporabnika z različnimi eksperimentalnimi pogoji hoje, skupni čas naraste na približno 30 min. Ker bodo uporabljene 4 različne hitrosti hoje, bo celoten eksperiment trajal približno 2 uri.

Merili bomo naslednje biomehanske in nevrofiziološke spremenljivke: vse tri komponente GRF in CoP (z merilnim tekočim trakom); sile/navor pri interakciji med BAR-TM in medenico (senzorji sile na BAR-TM); položaj in orientacijo stopal (s sistemom za detekcijo markerjev Optitrack); položaj in orientacijo medenice (preko absolutnih enkoderjev motorjev, ki poganjajo BAR-TM); orientacijo medenice, trupa, rok, stegna in goleni (preko sistema IMU); bilateralno elektromiografijo naslednjih mišic: prednje golenične mišice (tibialis anterior), velike mečne mišice (soleus), dvoglave mečne mišice (gastrocnemius - medialni in lateralni predel), preme stegenske mišice (rectus femoris), polkitaste mišice (semitendinosus), velike in srednje zadnjične mišice (gluteus maximus, gluteus medius).

Pridobljene podatke bomo ustrezno obdelali, razdelili na območje dvokorakov in označili v skladu z eksperimentalnimi pogoji. Podrobnosti postopka analize so opisani v Olenšek in ostali (2016). Analizirali bomo časovno-prostorske spremenljivke (dolžina koraka, širina koraka); CoM, CoP in GRF trajektorije v časovnem obdobju enega dvokoraka pred nastopom perturbacije in obdobju treh dvokorakov po nastopu perturbacije. Primer ravnotežnih odzivov na perturbacije je prikazan na Sliki 2. Poseben poudarek bo dan na identifikaciji preklopov med različnimi ravnotežnimi strategijami, ki so odvisni od hitrosti hoje, jakosti in trenutka proženja perturbacij. Izvedli bomo analizo spreminjanja gibalne in vrtilne količine, kot tudi analizo glavne komponente mišičnih sinergij, ki bodo ovrednotene s pomočjo elektromiografije (EMG). Podrobneje bomo raziskali ali obstaja hierarhija nadzora nad ocenjenimi ravnotežnimi odzivi: “strategija gležnja” je v večji meri določena z modulacijo CoP-a pod stojno nogo, “strategija kolka” je v večji meri določena z modulacijo horizontalne komponente GRF-ja pod stojno nogo in “strategija koraka”, ki je v večji meri določena s postavitvijo stopala na ustrezno lokacijo.

Statistična analiza bo vključevala teste za ugotavljanje normalne porazdelitve podatkov in uporabo ustrezne metode analize variance (ANOVA). Na podlagi podobnosti med ocenjenimi ravnotežnimi odzivi (kinematična, kinetična podobnost ali podobnost pri EMG signalih) bo celoten perturbacijski prostor ustrezno razdeljen na predele, kjer so uporabljene različne ravnotežne strategije in na predele, kjer je zaznati združevanje različnih ravnotežnih strategij.

DS2: Razvoj kinematičnega modela za ocenjevanje GRF in CoP

Cilji:

Razviti inovativni kinematični model za ocenjevanje GRF in CoP

Opis nalog:

Z uporabo podatkovnih nizov pridobljenih v DS1 bomo razvili ustrezen kinematični model, ki nam bo omogočal združevanje podatkov dobljenih s sistemom za zajem markerjev/pozicije (OPTITRACK in BAR-TM) s podatki zajetih z IMU sistemom (kotne hitrosti in pospeški) trupa, rok, medenice, stegna, goleni in stopal. To nam bo omogočilo oceno gibanja CoM med neperturbirano in perturbirano hojo, kot tudi oceno spreminjanja gibalne in vrtilne količine.

Z upoštevanjem fizikalnih zakonov, ki obravnavajo spremembe gibalne in vrtilne količine, bomo razvili dinamični model, ki nam bo omogočal izračun/oceno trajektorije GRF in CoP med perturbirano in neperturbirano hojo. Pri računanju bomo uporabili kinetične in kinematične podatke, ki jih bomo pridobili med hojo pri vseh eksperimentalnih pogojih opisanih v DS1. Inovativni vidik tega sklopa je povezan z izpeljavo kinematičnega modela, ki bo prilagojen posamezniku. Parametri kinematičnega in dinamičnega modela bodo optimizirani z minimizacijo razlik med predikcijami modela (GRF, CoP) in dejanskimi vrednostmi, izmerjenimi z merilnim tekočim trakom (GRF, CoP).

Izpeljani model, ki bo imel parametre modela prilagojene vsakemu posamezniku iz DS1, nam bo omogočal vpogled v dinamične ravnotežne odzive posameznika med spreminjanjem smeri hoje po tleh z uporabo BAR-OG v DS3.

DS3: Raziskovanje vzdrževanja dinamičnega ravnotežja pri hoji zdravih oseb po tleh med spreminjanjem smeri hoje

Cilji:

Ocenjevanje dinamičnih ravnotežnih odzivov med hojo po tleh

Opis nalog:

V tem delovnem sklopu bodo sodelovale iste osebe kot v DS1 in za katere bo v DS2 razvit dinamični model za ocenjevanje GRF in CoP. Osebe bodo hodile z napravo BAR-OG, ki bo vodena po ravni in ukrivljeni poti. Smer hoje (pot) se bo odsekovno spreminjala iz hoje naravnost proti hoji po ukrivljeni poti (v levo in v desno).

Uporabili bomo iste vrednosti hitrosti hoje kot v DS1. Med hojo po tleh bomo uporabili le perturbacije v smeri levo/desno (usmerjene proti centru ali ven iz centra kroženja) in eno jakost perturbacij (sila 15% teže telesa, trajanje 150ms). Uporabljena bosta samo dva trenutka izvajanja perturbacij (dotik pete s tlemi notranje noge in dotik pete s tlemi zunanje noge). Notranja noga je tista, ki je med hojo po ukrivljeni poti bliže centru kroženja, zunanja pa je od centra kroženja bolj oddaljena. Radij kroženja bo izbran tako, da bo primerljiv z radijem, ki ustreza izvajanju zavoja za 90°. Ta radij ima vrednost približno 1 meter.

Zajemali bomo iste spremenljivke kinematike in EMG-ja kot v DS1. Trajektorije GRF in CoP bomo ocenili z uporabo modela razvitega v DS2. Obdelava podatkov bo podobna kot smo opisali v DS1. Predvsem nas bo zanimala razlika ravnotežnih odzivov, ki bodo posledica perturbacij (v smeri navznoter/navzven) v odvisnosti stojne noge - katera noga (notranja ali zunanja) je v fazi opore.

DS4: Posamezne študije hoje oseb po kapi pri hoji naravnost in med spreminjanjem smeri hoje

Cilji:

Raziskati ravnotežne odzive med hojo naravnost in med hojo s spreminjanjem smeri pri izbranih posameznikih po kapi z namenom razvoja vadbe za ohranjanje ravnotežja in vadbe za koordinacijo gibanja.

Opis nalog:

Opravili bomo več študij na posameznikih po kapi (povabljenih bo deset oseb), kjer bomo raziskavo izvedli na podoben način kot je opisano v DS1 in DS3. Hoja in zmožnosti ohranjanja ravnotežja se pri populaciji z zdravstvenimi težavami (po kapi) razlikuje od zmožnosti zdrave populacije. Zato se bomo pri vsakem pacientu posebej odločili katere eksperimentalne protokole bomo uporabili in katere biomehanske in EMG parametre bomo merili. Pri tem bomo upoštevali tudi etična vprašanja in zmožnosti posameznega pacienta.

Izbrane osebe po kapi bodo hodile z lastno izbrano hitrostjo hoje (v smeri naravnost in med spreminjanjem smeri hoje). Jakost perturbacijskih sunkov bo izbrana tako, da bodo osebe na te sunke sposobne varno odreagirati. Trenutek proženja perturbacij bo določen kot čas dotika pete nepoškodovane noge s tlemi in kot čas dotika pete oslabljene noge s tlemi. Zanimali nas bodo predvsem ravnotežni odzivi po perturbacijah v smeri levo/desno (navznoter/navzven). S primerjanjem rezultatov posameznikov po kapi z normativi ravnotežnih odzivov iz DS1 in DS3, bomo lahko zaznali bistvene razlike med normalno in patološko organiziranostjo ravnotežnih odzivov. Pri vsakem posamezniku po kapi bo možno razbrati pomembne pomanjkljivosti v sposobnosti vzdrževanja ravnotežja.

Na podlagi rezultatov iz DS1, DS2 in DS3 bomo načrtovali vadbo, ki bo prilagojena posameznemu pacientu in se bo izvajala med hojo po tekočem traku z uporabo BAR-TM. Vadba bo vsebovala vaje za ohranjanje ravnotežja in vaje za koordinacijo gibanja. Osredotočili se bomo na vadbo z usmerjenimi perturbacijami. Izboljšati želimo tudi sposobnost povečanja odriva poškodovane noge ter simetrijo hoje.

Za oceno potenciala in učinkovitosti novo razvite vadbe, ki bo prilagojena posamezniku po kapi, bomo izvedli tritedensko izvajanje ustreznih vaj. V tej poskusni vadbeni skupini bo sodelovalo nekaj skrbno izbranih posameznikov po kapi (do tri osebe). Ti izbrani posamezniki bodo že končali z rehabilitacijo na Univerzitetnem rehabilitacijskem inštitutu, imeli bodo hemiparezo v začetni fazi kroničnega obdobja po kapi, in bodo sami sebi služili kot primerjalna skupina. Kriteriji za sodelovanje v skupini bodo naslednji: posameznik lahko hodi samostojno ali z uporabo ene bergle, oseba ne sme imeti sočasnih bolezni srca, ne sme imeti prehude spastičnosti, oseba mora imeti dobre kognitivne sposobnosti in biti sposobna slediti protokolu raziskave.