Kun kävelyyn vaikuttavat voimat ovat selvillä, menetelmää voidaan käyttää kaikessa ihmisen liikkumisen tutkimuksessa.
- Teksti Marianne Mustonen
- Kuvat Raija Törrönen ja Teemu Leinonen
Ihmisen liikkumista on tutkittu jo pitkään puettavien anturien avulla. Syvempää tietoa kaikista liikkeessä vaikuttavista voimista on kuitenkin edelleen hankalaa saada.
– Esimerkiksi luuhun kohdistuvia voimia on vaikeaa mitata, koska luu on kehon sisällä, lihasten takana, kertoo professori Aki Mikkola LUT-yliopistosta, konetekniikan osastolta.
Mittaamisessa käytetään tavallisesti kiihtyvyysantureita, joita kiinnitetään esimerkiksi mitattavan henkilön ranteeseen. Oma urheilukello ei valitettavasti sovellu mittaustarkoitukseen, ainakaan vielä.
– Ranteessa oleva liikeanturi ei kerro paljoakaan olkapäähän tai ranteeseen kohdistuvasta rasituksesta, vaan juuri tämän selvittämiseksi tarvitaan matematiikkaa, sanoo professori Pasi Karjalainen Itä-Suomen yliopistosta.
Kuvassa: Pasi Karjalainen.
– Kun simulointimalli opetetaan toistamaan samaa liikettä, päästään lopulta ihon ”sisälle” arvioimaan esimerkiksi polviruston painejakaumia, Mikkola sanoo.
Jokaisesta kohteesta, kuten olkapäästä tai polvesta, tarvitaan oma datansa.
– Selvitämme myös, miten mittauksia voitaisiin tehdä mahdollisimman vähillä antureilla, Karjalainen toteaa.
– Kupletin juoni on se, että kun mittaukset perustuvat tietokonelaskentaan, manuaalista käsittelyvaihetta ei enää tarvita, Mikkola sanoo.
Kuvassa: Aki Mikkola. Kuva: Teemu Leinonen.
Ihmisen kävelyä simuloidaan ensin
Liikkeen mallintamisessa käytetään tilaestimointimenetelmää, jossa digitaalisen Kalman-suotimen avulla arvioidaan mitattavan kohteen tilaa.
– On mahdotonta tehdä simulointia, joka seuraisi reaaliaikaisesti todellisuutta. Siksi teemme ohjattua simulointia, jota verrataan oikeaan elämään, Mikkola selventää.
– Selvitämme mikä on minimimäärä mittaustietoa, jotta saadaan riittävän luotettava estimaatti kuormituksesta, lisää tutkijatohtori Paavo Vartiainen Itä-Suomen yliopistosta.
Ensimmäiseksi simuloidaan ihmisen kävelyä. Jos se saadaan toimimaan, voidaan menetelmän käyttöä laajentaa muuhun liikkumiseen – urheiluun tai vaikkapa ergonomian kehittämiseen.
Kuvassa: Paavo Vartiainen.
Menetelmä ei tule korvaamaan ammattitaitoista fysioterapeuttia.
Tutkijat
REVIP-hanke
Menetelmä ei kuitenkaan tule korvaamaan ammattitaitoista fysioterapeuttia, vaan hän voisi käyttää sitä apuneuvonaan asiakkaan lähi- tai etäohjauksessa.
Yksi tutkijoita kiinnostava sovellusala on hoitotyön ergonomia. Hankkeessa pilotoidaan puettaviin antureihin ja tilaestimointialgoritmiin perustuva menetelmä, jolla fysioterapeutti voi katsoa, onko työpäivän aikana vaarallisia kuormituksia. Tällaista on esimerkiksi potilassiirtotehtävien aikana kohdistunut liian suuri kuormitus selkänikamiin.
– Olemme aikaisemmin tutkineet kitkaa vähentävän apuvälineen vaikutusta potilassiirtotyön aikaisiin voimiin laboratoriossa. Nyt yhtenä tavoitteena on kehittää puettavia liikeantureita ja paineanturipohjallisia käyttäen hoitajien työympäristöön sopiva mittausmenetelmä ja analyysiohjelmisto, Vartiainen kertoo.
Tutkimuksen lähtökohtana on Mikkolan tutkimusryhmässä koneen suunnittelun alalla tehty tutkimustyö, jota on sovellettu muun muassa metsäkoneiden ja kaivinkoneiden nostureihin. LUT- ja Jyväskylän yliopistojen jo aiemmin tekemään yhteistyöhön yhdistyy nyt Itä-Suomen yliopiston teknillisien fysiikan laitoksen HUMEA-laboratoriossa tapahtuva ihmisen liikkeen tutkimus.
Vartiaisen mukaan suunnitteilla on myös pilottitutkimus tähystyskirurgiaa treenaavien lääkäreiden ergonomian tarkastelemiseksi.
– Simulaattorilla tähystysleikkausta harjoittelevan lääkärin pään ja hartioiden asento määritetään reaaliaikaisesti liikeantureita käyttäen. Pilotoinnin perusteella voidaan kehittää vaikkapa sovellus, joka varoittaa kirurgia väärästä niskan asennosta tai liikakuormituksesta reaaliajassa.
REVIP Virtuaalinen etäfysioterapeutti (Remote Virtual Physiotherapist) on Itä-Suomen, Jyväskylän ja LUT-yliopistojen yhteinen nelivuotinen tutkimushanke, jossa kehitetään reaaliaikaisia laskentamenetelmiä tuki- ja liikuntaelimistön kuntoutuksen automatisoimiseksi ja optimoimiseksi.
Projektissa kehitetyssä menetelmässä anturisignaaleja käytetään suoraan dynaamisten biomekaanisten tietokonemallien toteuttamiseen. Tämän menetelmän pohjalta voidaan laatia työergonomian mittaus- ja analyysisovelluksia, joilla haitallisia kuormituksia voidaan seurata ja vähentää.
Suomen Akatemian rahoittaman hankkeen kokonaisrahoitus on noin 1,4 miljoonaa euroa, ja sitä johtaa professori Aki Mikkola LUT-yliopiston konetekniikan osastolta. Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen HUMEA-laboratorio tuo hankkeeseen terveysteknologian osaamisensa. Jyväskylän yliopiston liikuntatieteellisen tiedekunnan osuus painottuu liikuntasuoritusten aikaisten mittaus- ja analyysimenetelmiin.
Hankkeen toimijoilla on laajat kansainväliset verkostot, muun muassa alankomaalaisen Delft University of Technologyn, tanskalaisen Parker Instituutin ja belgialaisen KU Leuven -yliopiston tutkijoiden kanssa. Hankkeeseen sisältyy tutkijavaihtoa verkoston kanssa.
REVIP-hanke päättyy kesällä 2026. Kehitettävien menetelmien pilotointi painottuu kahteen viimeiseen vuoteen.
