Laczkó József Semmelweis Egyetem, TSK Biomechanika Tanszék és Pázmány Péter Katolikus Egyetem, Információs Technológiai Kar Az emberi mozgás csodája: biológiai indíttatású aktív végtagmozgások elemzése és mesterséges létrehozása. Pécs, 2011. december 2. www.meetthescientist.hu 1 26
Az emberi mozgás szabályozásában és végrehajtásában résztvevő komponensek Központi idegrendszer elektromos jel Izom Izület összehúzódás Forgás Végtag Elmozdulás www.meetthescientist.hu 2 26
Emberi végtagok mozgásának szimulációja és mérése Matematikai Modell Mérési Protokoll Modell módosítás Számítógépes szimuláció Mérési adatok Mozgásanalízis Összehasonlítás www.meetthescientist.hu 3 26
Számítógépes Mozgásanalizáló rendszer -Felső végtag mozgás Alsó végtag mozgás www.meetthescientist.hu 4 26
Kar mozgás mérése Real-time monitoring (Muscle activity Movement Kinematics) www.meetthescientist.hu 5 26
Egészséges kerékpározó mozgás felvétele, mérése www.meetthescientist.hu 6 26
Mozgásanalízis: Izomaktívitások és ízületi hajlásszögváltozások a térdné A térdhajlásszög és a quadriceps aktivitásának kapcsolata nehéz fokozatú gyors tekerésnél Hajlásszög (fok) 800 1000 800 600 600 400 200 400 0-200 -400 200-600 -800 0-1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Idő (sec) EMG (mv) A térdhajlásszög és a quadriceps aktivitásának kapcsolata nehéz fokozatú lassú tekerésnél 800 1000 800 Hajlásszög (fok) 600 400 200 600 400 200 0-200 -400-600 EMG (mv) -800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-1000 Idő (sec) www.meetthescientist.hu 7 26
Mozgásanalízis www.meetthescientist.hu 8 26
Egészséges és dystoniás alany mozgásanalízise Angle [ o ] Stance Healthy Swing Egy lépés során a bokánál, térdnél és csípőnél mért hajlásszögváltozások Normalized Time Patient with dystonia Angle [ o ] Normalized Time Ankle Knee Hip www.meetthescientist.hu 9 26 9
Application of biomedical measurements and modeling in medical diagnostics Healthy Patient with dystonia Angle [ o ] Angle [ o ] 1. 2. 3. 1. 2. 3. t=88 0 44 88 132 176 220 264 0 34 68 102 136 170 204 238 272 Time [ms] Time [ms] Shoulder Elbow Wrist Karmozgás során a vállnál, könyöknél és csuklónál mért hajlásszögváltozások 10 www.meetthescientist.hu 10 26
Izomaktívitások és ízületi hajlásszögváltozások a könyöknél www.meetthescientist.hu 11 26
Neuro-mechanikai modell Neurális információt alakítunk át mechanikai aktívitássá. Feladat: A mozgató idegsejtek aktivitása és az izületi hajlásszög-változások közötti kapcsolatnak egy általános matematikai leírása. 1. Megállapítani idegsejt halmazok aktivitás-mintái függvényében az izomerőket és az ízületi hajlásszög-változásokat. 2. Vizsgálni, hogy a szabályozás mennyire érzékeny a biomechanikai jellemzők és a környezet változására. Jobban megérteni a motoros vezérlés rejtett, kisérletileg közvetlenül nem vizsgálható folyamatait. www.meetthescientist.hu 12 26
Végtagmozgások szabályozásának megközelítése Idegi impulzus izomaktivitás izületi elfordulás Direkt probléma: Adott: az izmokat ingerlő mozgató idegsejtek aktivitása Számítsuk ki: a végtag ízületeiben az elfordulásokat Inverz probléma: Adott: kisérletileg mért ízületi hajlásszög-változások Számítsuk ki: a mozgató idegsejtek aktivitási mintázatát Alapvető probléma: végtelen sok motoneuron-aktivitási minta eredményezheti ugyanazt a kinematikai mozgásmintát A modell n-ízületű rendszerre alkalmazható; n tetszőleges természetes szám. (kar, láb, fej-nyak-törzs). www.meetthescientist.hu 13 26
Egy ízületet hajlító és feszítő izmok térd könyök a 1 extensor Flexor (biceps) flexor b α c α a 2 Extensor (triceps) www.meetthescientist.hu 14 26
Egy megközelítés az inverz probléma megoldására egy ízületben a 1 extensor Mozgató idegsejt aktívitást szimulálunk feltéve, hogy: flexor α c egy hajlító és egy feszítő izom egy ízülethez b egy adott pillanatban csak egy izom aktív a 2 ismert a hajlásszögváltozás az ízületben www.meetthescientist.hu 15 26
Hajlítás Izomingerlés Hajlító: 20Hz Feszítő: 12Hz www.meetthescientist.hu 16 26
Nyújtás Izomingerlés Hajlító: 20Hz Feszítő: 20Hz www.meetthescientist.hu 17 26
Az inverz probléma megoldása Ha adott az izületi elfordulás (α), akkor számítsuk ki: 1. Az ízületi szöggyorsulást (β) (kétszeri deriválással) β = d 2 α / d 2 t 2. A szükséges izomerőt: F= β*i/r ahol (I) tehetetlenségi nyomaték, (F) izomerő,(r)erőkar 3. Az izomerőhöz szükséges ingerlő frekvenciát (f) az izomerő idegi ingerlő frekvencia kapcsolatból www.meetthescientist.hu 18 26
www.meetthescientist.hu 19 26
www.meetthescientist.hu 20 26
Magyar kutatások Idegi aktívitás modellek (Arbib, Érdi, Szentágothai 1998, Székely 1989, Pellionisz et.al. 1985, 1987) Izom modellek, (Szentgyörgyi: Muscle research 1958 Science 128 pp.699-702, Szentágothai János, Lissák Kálmán, Grastyán Endre, Karmos György, PÉCS A komplex NEURO-MECHANIKAI MODELL koncepcióját a New York University-n fejlesztettük (Laczko, Walton, Llinas). NASA Grant: K. Walton, R. Llinas, 1999, Fulbright Scholarship (mammalian locomotion) Laczko, 2004 www.meetthescientist.hu 21 26
Modeling at the New York University: Microgravity influences motor development. Laczko J, Walton K, Llinas R (2006): A neuro - mechanical transducer model for controlling joint rotations and limb movements. Clinical Neuroscience/Ideggy Szle, 59..(1-2):32-43. www.meetthescientist.hu 22 26
A végtag jellemző pontjainak helye és ezeknek a mérése www.meetthescientist.hu 23 26
Mért térdhajlásszögek és a térdhajlító izmok számított aktívitása www.meetthescientist.hu 24 26
A patkány járás-mintájának mérése ischiatic tuberosity iliac crest térd foot boka tip of toe www.meetthescientist.hu 25 26
Egy lépés a járás során Foot contact Loading Foot lift Swing Foot contact Támasz fázis Lengő fázis www.meetthescientist.hu 26 26
Mért térdhajlásszögváltozások és modellezett ingerlési mintázata a térd hajlító és feszítő izmoknak www.meetthescientist.hu 27 26
Mozgás szintézis: mesterséges mozgás-szabályozás www.meetthescientist.hu 28 26
Mozgásszintézis Kerékp kpározás s mesterséges elektromos izomstimuláci cióval www.meetthescientist.hu 29 26
Parkinson-kór kezelése mély agyi stimulációval (Deep Brain Stimulation DBS) http://www.youtube.com/watch?v=b6sqv7bepo0 www.meetthescientist.hu 30 26
I. Mély agyi stimuláció hatásának vizsgálata DBS műtét alatti mozgásteszt http://www.youtube.com/watch?v www.youtube.com/watch?v=ww-swanphfu&feature=related www.meetthescientist.hu 31 26
Köszönet Rodolfo LLinas (New York University) Kerry Walton (New York University) Mark Latash (Pennsylvania State University) Tihanyi József (Semmelweis Egyetem, Testnevelési és Sporttudományi Kar) Klauber András (Országos Orvisi Rehabilitációs Intézet, Budapest) Fazekas Gábor (Szent János kórház, Budapest) György Karmos (Pázmány Péter Katolikus Egyetem) János Szécsi (Ludwig Maximilians Universitaet, Munchen) Keresztényi Zoltán Ph.D.(Semmelweis Egyetem) Pilissy Tamás (PPKE Ph.D. hallgató) Tibold Róbert (PPKE Ph.D. hallgató) és sokan mások www.meetthescientist.hu 32 26
Budapesti Amerikai Nagykövetség Magyar Fulbright Egyesület Magyar Innovációs Szövetség Köszönöm! www.meetthescientist.hu 33 26