Новый подход к измерению устойчивости при ходьбе
Падения — серьёзная проблема общественного здравоохранения, приводящая к десяткам тысяч смертей ежегодно и миллиардам долларов затрат. Большинство существующих исследований биомеханики падений изучают, как ноги, суставы и мышцы действуют по отдельности, а не как система. Измерение взаимосвязи между этими уровнями могло бы дать чёткую картину причин падений и компенсаторных механизмов тела.
В новом исследовании Павел Голыски и его научный руководитель Грегори Савики (доцент машиностроения и биологических наук в Технологическом институте Джорджии) изучили, можно ли использовать механическую энергию как «общую валюту» для измерения того, как человек использует нижние конечности для стабилизации при ходьбе. Их работа, опубликованная в Journal of the Royal Society Interface, закладывает основу для использования механической энергетики для понимания роли суставов и мышц при неустойчивой локомоции. Это исследование также способствовало присуждению Голыски Пре-докторской награды Американского общества биомеханики (ASB).
Целью Голыски, выпускника лаборатории Physiology of Wearable Robotics (PoWeR), было понять взаимодействие трёх элементов: механики мышц, носимых экзоскелетов и устойчивости при ходьбе. Эти элементы взаимосвязаны: экзоскелеты влияют на устойчивость и работу мышц, и наоборот. Чтобы изучить, как мышцы взаимодействуют с экзоскелетами и влияют на устойчивость, потребовалась новая система измерений.
Учёт энергии
Исследователи исходили из того, что при ходьбе с постоянной скоростью по ровной поверхности чистая механическая энергия человека и каждой ноги за один шаг (от касания пяткой до следующего касания той же пяткой) равна нулю. Энергия также должна быть равна механической энергии на всех уровнях описания ноги, особенно в суставах и мышцах.
«Идея в том, что если мы сможем связать устойчивость с потребностью в энергии, то мы сможем стать бухгалтерами и отслеживать, как энергия — наша валюта — меняется на уровне человека, мышцы и экзоскелета», — сказал Голыски.
Голыски и Савики провели эксперимент с ходьбой человека на беговой дорожке. Используя дорожку с раздельными полотнами, они применили короткие быстрые возмущения (пертурбации) в виде увеличения скорости полотна для одной ноги во время ходьбы. Цель состояла в том, чтобы добавить или извлечь энергию за шаг, а затем измерить, как меняется энергия ноги и суставов человека.
Для эксперимента использовалась система CAREN (Computer Assisted Rehabilitation Environment) в Технологическом институте Джорджии. С помощью алгоритма, разработанного Голыски, Савики, аспиранткой лаборатории PoWeR Дженнифер Листмой и школьницей-наставницей Эсмеральдой Васкес, CAREN может выполнять пертурбации на основе движений человека, позволяя инициировать их в определённые моменты цикла походки. Комбинируя данные о силе с беговой дорожки и позиционные данные от CAREN, исследователи могут рассчитать изменения энергии в отдельных суставах человека.
Новый подход может помочь определить, какая часть тела человека управляет реакциями на дестабилизирующую энергию, указывая на конкретные мышцы или суставы для реабилитационной терапии. Он также может открыть двери для продвинутых экзоскелетов и протезов, нацеленных на конкретные суставы для восстановления стабилизирующих реакций у людей с нарушенным равновесием.
«Исследования, которые Павел завершил во время своей докторской работы, впечатляют. Он проложил новый путь, разработав новые экспериментальные методы и новое вспомогательное устройство — экзоскелет бедра, впервые провёл измерения изображений мышц и в конечном итоге ответил на вопрос, как экзоскелеты изменяют динамику суставов и мышц, чтобы повлиять на устойчивость ходьбы человека», — сказал Савики.