ZałoŜenia podstawowe

Kręgosłup człowieka składa się z 29 kręgów podzielonych na następujące odcinki: szyjny (siedem kręgów od C1 do C7), piersiowy (dwanaście kręgów od Th1 do Th12), lędźwiowy (pięć kręgów od L1 do L5) oraz pięć zrośniętych kręgów tworzących kość krzyŜową (od S1 do S5). Umieszczenie markerów na wszystkich wyrostkach kolczystych kręgosłupa i następnie rejestrowanie ich ruchu jest aktualnie jeszcze niemoŜliwe, mimo znacznej dokładności systemów pomiarowych. Na ogół zakłada się, Ŝe metodyka pomiarów musi być jednakowa zarówno w odniesieniu do osób zdrowych jak i chorych. U osób u których stwierdza się bardzo silne zniekształcenia kręgosłupa i całych pleców zadanie rejestracji ruchu kręgosłupa jest bardzo utrudnione, poniewaŜ zapewnienie warunku widoczności kaŜdego markera przez przynajmniej dwie kamery w dość duŜej trójwymiarowej przestrzeni pomiarowej jest często niemoŜliwe do spełnienia. U takich osób jest równieŜ trudno dokładnie zidentyfikować wszystkie wyrostki kolczyste, poniewaŜ w przypadku duŜego zniekształcenia kręgosłupa wyrostki te zachodzą niemal na siebie, co w praktyce uniemoŜliwia prawidłowe naklejenie markerów (mimo ich stosunkowo niewielkich rozmiarów).

Uwzględniając powyŜsze uwarunkowania kręgosłup został podzielony na siedem odcinków, wyznaczonych przez 8 markerów naklejonych na wysokości wyrostków kolczystych wybranych kręgów. Pominięto odcinek szyjny kręgosłupa. Przy wyborze określonych kręgów kręgosłupa uwzględniono przebieg fizjologicznych krzywizn kręgosłupa. Ostatecznie markery umieszczane zostały na wysokości wyrostków kolczystych następujących kręgów: C7, Th4, Th7, Th10, Th12, L2, L4 oraz S2.

Jak wiadomo kręgosłup łączy ze sobą dwie obręcze: barkową i biodrową. Podczas badań ich ruch takŜe był rejestrowany i analizowany. Ruch obręczy barkowej zdefiniowany został przez 3 markery umieszczone na wyrostku kręgosłupa C7 oraz na lewym i prawym wyrostku barkowym łopatki. Ruch obręczy biodrowej śledzony był natomiast przez trzy markery: S2 oraz lewy i prawy kolec biodrowy tylny górny (podczas badań z uŜyciem systemu MacReflex) lub lewy i prawy kolec biodrowy przedni górny (podczas badań za pomocą systemu VICON 460). PoniewaŜ miednicę zamodelowano jako sztywny segment, stąd wybór kolców tylnych bądź przednich nie wpływał

ostatecznie na końcowe wyniki. Wybór umiejscowienia markerów wynikał z lepszej ich widoczności w danym systemie. Schemat rozmieszczenia markerów na ciele osoby badanej (bez kończyn dolnych) przedstawia rys.6.1.

W celu identyfikacji cykli chodu badanego zdecydowano się na dodatkowe umieszczenie markerów na podudziu (w systemie MacReflex) lub na stopach (w systemie VICON 460).

Przyjęty schemat umiejscowienia markerów, jak na rys. 6.1, powodował podział tułowia badanego na siedem odcinków kręgosłupa (pomiędzy C7 a S2) oraz na obręcz barkową i obręcz biodrową. Dla wszystkich tych dziewięciu segmentów przyjęto model odpowiedniej bryły sztywnej. Ruch bryły sztywnej w przestrzeni trójwymiarowej moŜe być jednoznacznie zmierzony poprzez ruch trzech jej punktów.

Rys. 6.1. Rozmieszczenia markerów w badaniach eksperymentalnych ruchu kręgosłupa.

Z rozmieszczenia markerów widać, Ŝe zarówno obręcz barkowa jak i biodrowa były definiowane przez 3 markery. Na podstawie ich połoŜenia w kaŜdej chwili czasowej obliczano lokalne układy współrzędnych dla obu obręczy. Rys. 6.2 pokazuje przykładowo ideę definiowania lokalnego układu współrzędnych dla obręczy barkowej.

Rys.6. 2. Idea definiowania lokalnego układu współrzędnych dla obręczy barkowej: C7 – marker umieszczony na wysokości wyrostka kolczystego kręgu C7, L ACR – marker umieszczony na lewym, a R ACR na prawym wyrostku barkowym łopatki.

Początek układu współrzędnych znajduje się w połowie linii wyznaczonej przez połoŜenie markerów umieszczonych na wyrostkach barkowych łopatek, oś X pokrywa się z tą linią, a jej zwrot jest w kierunku prawego wyrostka. Oś Y jest prostopadła do osi X i leŜy w płaszczyźnie wyznaczonej przez trzy markery. Natomiast oś Z wynika z iloczynu wektorowego wersorów(wektorów jednostkowych) osi X i Y. Analogicznie wyznaczany jest lokalny układ współrzędnych dla obręczy biodrowej. W miejsce markera C7 mamy marker S2, a zamiast markerów umieszczonych na wyrostkach barkowych łopatek umieszczono je na kolcach biodrowych tylnych (bądź przednich) górnych. PołoŜenie obręczy barkowej względem obręczy biodrowej określano poprzez kąty Eulera obrotu dystalnego układu lokalnego (obręcz barkowa), względem proksymalnego (obręcz biodrowa).

Jak wielokrotnie nadmieniano dla wszystkich segmentów kręgosłupa przyjęto załoŜenie, Ŝe odpowiadały bryle sztywnej. Jednak w przeciwieństwie do obręczy barkowej i biodrowej kaŜdy odcinek kręgosłupa był wyznaczony nie przez trzy, a tylko przez dwa markery. Było to spowodowane niemoŜnością znalezienia dobrej lokalizacji trzeciego markera na tułowiu badanego. Budowa anatomiczna klatki piersiowej (mostek, Ŝebra, itp.) a takŜe wzajemna ruchomość jej elementów, wyklucza praktycznie znalezienie odpowiedniej lokalizacji dla siedmiu róŜnych markerów. Wykorzystanie rozwiązania sztywnej płytki z zamocowanym układem trzech markerów stosowanego przez niektórych znanych eksperymentatorów do badania ruchu odcinka lędźwiowego kręgosłupa [35, 38, 39, 41], było teŜ niemoŜliwe ze względu na rozmiary pojedynczego segmentu. Pewną alternatywą jest konstrukcja składająca się z układu trzech markerów, tj. dwa markery na

wyrostkach kolczystych, połączone prętem, do którego to przymocowany jest prostopadle trzeci pręt z markerem [33, 34]. Rozwiązanie to z jednej strony ogranicza ruchomość kręgosłupa, z drugiej „wystający” marker na pręcie drga nieustannie podczas chodu na skutek przenoszonych uderzeń kończyn o podłoŜe. Wprowadzane są tym samym zakłócenia, które przy niewielkich ruchach segmentów kręgosłupa w istotny sposób obciąŜają rezultaty badań eksperymentalnych. W zaleŜności od systemu na którym prowadzono badania zaproponowano dwa róŜne rozwiązania własne tego problemu.