Takaisin

Menetelmiä kävelyn aikaisen nivelkuormituksen määrittämiseen sekä selän muodon tarkasteluun liikkeen aikana

Väitös fysiikan alalta
Väittelijä: FM Paavo Vartiainen
Aika ja paikka: 19.5.2017, 12.00, SN200, Snellmania, Kuopion kampus

FM Paavo Vartiaisen väitöskirjatyössä kehitettiin ja sovellettiin mittaus- ja analyysimenetelmiä kävelyn aikaisen nivelkuormituksen määrittämiseen sekä selkärangan muodon tarkasteluun liikkeen aikana.

Työn ensimmäisessä osatyössä tarkasteltiin kävelyn kinematiikka sekä kävelyn aikaista polvinivelen kuormitusta liikelaboratorion mittausten perusteella.  Tutkittavat (N=13) olivat ylipainoisia, joille suoritettiin laihdutusleikkaus ja heidän painonsa putosi voimakkaasti. Tutkittavien kävelystä tehtiin mittaukset kamerajärjestelmää ja voima-antureita käyttäen ennen ja jälkeen painonpudotuksen. Painonpudotuksen vaikutusta kävelyn etenemiseen tarkasteltiin määrittämällä mittausdatasta kinemaattisia parametreja, kuten askelpituus, -leveys, nopeus ja nivelkulmat. Lisäksi estimoitiin polvi- ja lonkkaniveliin kohdistuvat vääntömomentit havaitun kinematiikan ja voimalevymittausten perusteella. Nämä vääntömomentit kuvaavat niveliin kohdistuvaa kuormitusta kävelyn aikana. Tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti kuormitusmuutoksia suhteessa kehonpainon muutokseen. Valtaosin polvi- ja lonkkavääntömomentit pienenivät samassa suhteessa kuin paino putosi. Kävelyn kinematiikassa merkittävin ero oli askelleveyden kapeneminen. Tämän osatyön mittauksissa havaittiin virhelähteitä, jotka heikensivät määritettyjen parametrien tarkkuutta.

Ensimmäisessä osatyössä havaittujen virhelähteiden vuoksi toisessa osatyössä kehitettiin menetelmää, jolla kehon osien asennot, nopeudet ja kiihtyvyydet määritetään kamerajärjestelmää käyttäen. Menetelmässä hyödynnettiin fotogrammetriaa sekä Kalman-suodin-algoritmia. Menetelmässä käytetään kolmiulotteisen liikkeen määrittämiseen suoraan kameroilta saatavia kaksiulotteisia pisteitä, mikä nopeuttaa mittausdatan käsittelyä. Menetelmä toimii, vaikka havainnoissa on puutteita. Myös epätarkkojen ja virheellisten havaintojen vaikutusta liikkeen määrittämisessä pienenee menetelmää käytettäessä. 

Toteutettu Kalman-suodin-algoritmi mahdollistaa epälineaaristen funktioiden käytön Kalman-suotimen tilafunktiona ja havaintomallina.  Toisessa osatyössä käytettiin epälineaarista tilafunktiota, jotta voitiin estimoida voimakkaita kiihtyvyyspiikkejä kamerahavaintojen perusteella tavanomaisia menetelmiä tarkemmin. Kalman-suotimen lisäksi toteutettiin Kalman-smoother-algoritmi, joka lisäsi menetelmän tarkkuutta poistamalla viiveen kiihtyvyysestimaateista. Työssä toteutetun kaltaisilla algoritmeilla lukuisia käyttökohteita. Esimerkiksi niin kutsuttujen inertia-anturien toiminta perustuu Kalman-suotimeen. Näiden anturien tuottama tieto asennosta muodostuu sisäänrakennettujen kiihtyvyys-, gyroskooppi- ja magneettikenttäanturien signaaleista Kalman-suodin-algoritmilla.

Väitöskirjatyön kolmannessa osatyössä käytettiin tällaisia omaa asentoaan mittaavia inertia-antureita. Näitä langattomia, tulitikkurasian kokoisia antureita kiinnitettiin iholle selkärangan päälle. Mittausjärjestelyn lisäksi työssä kehitettiin ohjelmisto ja matemaattiset menetelmät, jotta selän asento voidaan määrittää henkilön liikkuessa vapaasti.  Selän eri osien väliset kulmat eli selkärangan muoto määritettiin kaikissa kolmessa liikesuunnassa.  Keskeisin sovelluskohde menetelmälle on alaselän muodon tarkastelu nostoliikkeiden ja muiden työtehtävien aikana. Menetelmää on jo kehitetty edelleen ylä- ja alaraajojen liikkeiden tarkastelemiseksi. Sovelluskohteen on tarkasteltu yläraajojen liikeratoja ja nivelkulmia siivoustyön aikana.  Yhdistämällä mittaustieto tarkkaan biomekaaniseen malliin voidaan havaita esimerkiksi olkaniveltä kuormittavat asennot työtehtävien aikana.

Osatöissä käsiteltyjen menetelmien lisäksi väitöskirjassa tarkasteltiin uusien kamerateknologioiden käyttöä ihmisen liikkeen tarkkaan mittaamiseen. Erityisesti edullisten Kinect- ja RealSense-kameroiden soveltuvuutta mittaustarkoituksiin tarkasteltiin kriittisesti alan julkaisujen ja koekäytön perusteella.

FM Paavo Vartiaisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced methods for human motion analysis - applications to gait and spine biomechanics (Edistyneiden menetelmien soveltaminen kävelyn ja selän liikkeen biomekaaniseen analyysiin) tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Jari Hyttinen, Tampereen teknillinen yliopisto, ja kustoksena professori Pasi Karjalainen, Itä-Suomen yliopisto.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/11284?encoding=UTF-8