Kävelyn aikaisen mitatun lihasaktiivisuuden ja simuloidun lihasaktiivisuuden vertailu

Abstract

Kävely on ihmiselle luonnollinen tapa liikkua ja sitä voidaan tutkia biomekaniikan menetelmin. Tietotekniikka on mahdollistanut ihmisen liikkumisen biomekaanisen mallinnuksen, jonka avulla voidaan laskennallisesti mallintaa vaikeasti mitattavia asioita, kuten esimerkiksi kävelyn aikaista lihaskohtaista voimantuottoa, liikkeen synnyttämiseksi tarvittavia lihasaktiivisuuksia ja niveliin kohdistuvia kontaktivoimia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli verrata kävelyn aikana merkitsevästi säären voimantuottoon osallistuvien lihasten mitattua lihasaktivaatiota sekä simuloitua lihasaktivaatiota keskenään. Tutkimuksessa käytetty aineisto oli osa Jyväskylän yliopiston EXECP-projektissa muodostunutta aineistoa, josta tähän tutkimukseen on valittu 17 normaalisti kehittyneen lapsen ja nuoren kävelyanalyysin mittausdata. Kävelyanalyysiaineiston mittausdatan avulla koehenkilöiden kävely mallinnettiin biomekaaniseen mallinnukseen tarkoitetulla OpenSim-ohjelmalla. Mallinnuksen tuloksena saatua simuloitua lihasaktiivisuutta verrattiin kävelyanalyysin aikana ihon pinnalta mitattuun lihasaktiivisuuteen. Lihasaktiivisuuksien eroa tutkiin niin lihasaktivaatiohuippuarvojen ajoituksen, kuin koko kävelysyklin aikaisen eroavaisuuden kannalta. Lisäksi simuloinnin validiteettia ja reliabiliteettia arvioitiin lihasaktivaatiohuippuarvojen ajoituksen perusteella. Tutkimuksen perusteella OpenSim:n staattisen optimointityökalun avulla simuloitujen lihasaktivaatiohuippuarvojen ajoitus eroaa merkitsevästi soleus (SOL, 10.92%, 100ms.) ja mediaalinen gastrocnemius (MG, 16.14%, 159ms.) lihasten osalta mitatusta lihasaktivaatiosta. Tibialis anteriorin (TA) kohdalla ajoituksen ero ei ollut merkitsevä kummankaan mittauspisteen kohdalla (distaalinen (TAd) 2.86%, 28ms. ja proksimaalinen (TAp) 0.43%, 4ms.) ja simuloinnin validiteetti oli hyvä sekä reliabiliteetti kohtalainen (ICC 0.598). Tutkimuksen perusteella kaikkien tarkastelun kohteena olleiden lihasten simuloitu lihasaktiivisuus erosi merkitsevästi kävelysyklin aikana mitatuista lihasaktiivisuuksista (SOL 71.2-, MG- 31.5- ja TAd 28.2-, TAp 35.5 prosenttiyksikköä koko kävelysyklin kestosta). Tutkimuksessa mitatun ja simuloidun lihasaktiivisuustason normalisoiminen kävelysyklin aikaiseen maksimiarvoon on saattanut muuttaa todellista lihasaktivaatioiden eroavaisuutta, joten tutkimuksen tuloksiin tulee suhtautua kriittisesti.

Walking is a natural way to move for humans and it can be studied by biomechanical methods. Technology has enabled biomechanical modeling of human movement, which can be used to computationally model things that are difficult to measure. These things for example are muscle-specific force generation during walking, muscle activities that are needed to generate movement, and joint contact forces. The purpose of this study was to compare measured and simulated muscle activation from shank muscles that are significantly involved in the strength production during walking. The research material used in this study is from Jyväskylä University’s EXECP-project. Data from walking analysis of 17 normally developed children and young adolescent was selected for this study. The walking of participants was modeled with biomechanics modeling software OpenSim based on the data from walking analysis. The simulated muscle activity was compared with to muscle activity which was measured during the walking analysis. The differences in muscle activations were studied from the perspective of the time-to-peak values and the amount of difference during the entire walking cycle. Also, the validity and reliability of the simulation were evaluated based on time-to-peak values. Based on the study, the timing of the simulated muscle activation peak values produced by the OpenSim static optimization tool diffeed significantly from the measured muscle activity in soleus (SOL, 10.92%, 100ms) and medial gastrocnemius (MG, 16.14%, 159ms). For tibialis anterior (TA), the difference in timing was not significant at either measurement points (distal (Tad) 2.86%, 28ms, and proximal (Tap) 0.43%, 4ms). The validity of simulation was good whereas reliability was moderate (ICC 0.598) for TA time-to-peak values. Based on the study all simulated muscle activities differed significantly from measured muscle activities during the walking cycle (SOL 71.2, MG-31.5 and TAd 28.2, TAp 35.5 percentage points). In this study the muscle activations were normalized to walk cycles peak values, thereby there is possibility that the real difference between muscle activations have been changed. Therefore, the results of this study should be observed critically.