Marek Surowiec

Modelowanie i analiza dynamiczna układu stawu barkowego z zastosowaniem metody układów wieloczłonowych i algorytmów genetycznych

Streszczenie:

W rozprawie przedstawiono model układu ruchu człowieka ze szczególnym uwzględnieniem obręczy kończyny górnej – układu stawu barkowego. Proponowany model został opracowany z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych oraz technik optymalizacji, pozwalających na wyznaczenie obciążeń mięśniowo-szkieletowych.

            Model układu ruchu człowieka zbudowano w kilku etapach. Początkowo na podstawie danych z pomiarów oraz informacji zaczerpniętych z dostępnych baz danych, opracowano model układu mięśniowo-szkieletowego. W następnej fazie, przy założeniu, że kości są elementami sztywnymi, zbudowano model układu kostno-stawowego wykorzystując metodę układów wieloczłonowych.
Dla zadanych wariantów ruchu, znanych np. z pomiarów systemem przechwytywania ruchu, opracowano metodę wyznaczania momentów stawowych (momentów netto) poprzez rozwiązanie zadania dynamiki. Momenty te mogą być wyznaczone przy znajomości sił reakcji podłoża (na podstawie pomiarów) lub przy braku możliwości wyznaczenia tych reakcji.

            W rozprawie przedstawiono metodę modelowania tkanek miękkich, tj. mięśni, ścięgien i wiązadeł, opartą na modelach działania mięśni dostępnych w piśmiennictwie. Zagadnienie dystrybucji sił mięśniowych sformułowano jako zadanie optymalizacji kryterialnej. Postawione zadania optymalizacji rozwiązano algorytmami deterministycznymi (gradientowymi) oraz stochastycznymi (algorytm genetyczny). Metody te zastosowano dla czterech wybranych kryteriów współpracy mięśni: kryterium liniowego, kwadratowego, łagodnego nasycenia i minmax.

            W pracy przedstawiono techniki doboru procedur optymalizacyjnych oraz ich parametrów, zarówno dla metod gradientowych, jak i algorytmu genetycznego. Wskazane zostały procedury analiz danych pomiarowych dla trajektorii ruchu, sił reakcji podłoża oraz wartości sygnałów EMG grup mięśniowych. Opracowano także procedurę porównania wartości wyznaczonych aktywacji mięśniowych z zarejestrowanymi sygnałami EMG mięśni.

            Opracowany w rozprawie model komputerowy układu stawu barkowego zastosowano do rozwiązania problemu wyznaczania wartości sił mięśniowych i sił reakcji stawów. W pierwszym etapie, zbadano dwa podstawowe warianty ruchu (odwodzenie-przywodzenie, zgięcie-prostowanie) w funkcji różnorodnych wartości obciążeń trzymanych w dłoni. W kolejnej fazie wyznaczono wartości obciążeń stawu ramienno-łopatkowego w trakcie zarejestrowanych aktywności dnia codziennego (przenoszenie, podnoszenie, kierowanie). Otrzymane wyniki obciążeń stawu porównano z wynikami pomiarów in vivo dostępnymi w piśmiennictwie.

            Przygotowany model komputerowy pozwala na wyznaczenie obciążeń układu ruchu człowieka, umożliwiając przy tym pełną kontrolę i ingerencję na każdym etapie obliczeń. Ingerencje
te dotyczą, m.in.: parametrów modelu układu mięśniowo-szkieletowego, typu analizy dynamiki, parametrów obliczeń optymalizacyjnych z wykorzystaniem algorytmów genetycznych i metod gradientowych.