Universitatea Transilvania din Braşovold.unitbv.ro/Portals/26/Programe_studii/Doctorat/MunteanuMihaelaVioleta.pdf · Facultatea de Inginerie Mecanică ... Există numeroase cauze

Universitatea Transilvania din Braşov

Facultatea de Inginerie Mecanică

Departamentul de Inginerie Mecanică

Ing. Mihaela Violeta MUNTEANU

CONTRIBUŢII LA ANALIZA MIŞCĂRILOR CORPULUI

UMAN CU APLICAȚII ÎN MEDICINA RECUPERATIVĂ

Rezumatul Tezei de Doctorat

CONTRIBUTIONS TO THE ANALYSIS OF HUMAN BODY

MOTIONS WITH APPLICATIONS IN RECOVERY

MEDICINE

Abstract of PhDThesis

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing.mat. Sorin VLASE

2014

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei)

..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 7088 din 13.11.2014

PREŞEDINTE Prof.univ.dr.ing Ioan Călin ROŞCA

DECAN – Facultatea de Inginerie Mecanică

Universitatea „Transilvania” din Braşov

COND. ŞTIINŢIFIC Prof.univ.dr.ing.mat. Sorin VLASE


REFERENŢI Prof.univ.dr.ing. Polidor BRATU

Universitatea „Dunărea de Jos” din Galaţi

Prof.univ.dr.ing. Mariana ARGHIR

UniversitateaTehnică din Cluj Napoca

Prof.univ.dr.ing. Anghel CHIRU


Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 16 Decembrie 2014, ora

15:00, sala UII3- Aula Universității.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le

transmiteţi în timp util, pe adresele: [email protected].

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulţumim.

mailto:[email protected]

Mihaela Violeta MUNTEANU

Contribuţii la analiza mişcărilor corpului uman cu aplicații în medicina recuperativă

3

Pg.

teză

Pg.

rezumat

CUPRINS iii 3

LISTĂ DE FIGURI v -

LISTĂ DE TABELE x -

1.STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIU 1 5

1.1. Analiza și aplicaţiile mişcării umane 1 5

1.2. Medicina recuperativă 9 6

1.3. Studiul analizei mişcării umane în medicină recuperativă. 17 9

1.4. Captura şi analiza mişcării umane. Sisteme şi aplicaţii 20 10

1.5. Concluzii 31 17

2. DEFINIREA OBIECTIVELOR TEZEI 39 17

3. MODELE CINEMATICE ȘI DINAMICE PENTRU ANALIZA

CORPULUI UMAN 41 19

3.1. Sisteme multicorp 43 20

3.2. Algoritimi de recursivitate 48 -

3.3. Lanțuri cinematice 51 -

3.4. Cinematica directă și inversă 54 22


4. DEZVOLTAREA UNUI SISTEM DE ANALIZĂ A MIȘCĂRII

CORPULUI UMAN UTILIZABIL ÎN MEDICINA RECUPERATIVĂ 61 24

4.1. Sisteme de analiză a mișcării umane 61 24

4.2. Programe de recuperare postoperatorii. 62 25

4.3. Parametrii de mișcare 73 31


5. ÎNREGISTRĂRI ŞI VERIFICĂRI EXPERIMENTALE 97 41

5.1. Introducere 97 41

5.2. Verificări experimentale 101 43


6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA

REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE 135 66

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ - 72

ANEXE - -

REZUMAT (română/ engleză) - 78

CURRICULUM VITAE - 80



4

Pg.

thesis

Pg.

summary

TABLE OF CONTENTS iii 3

LIST OF FIGURES v -

LISTĂ OF TABELS x -

1. THE CURRENT STATUS OF RESEARCH 1 5

1.1. Human motion analysis and applications 1 5

1.2. Recovery medicine 9 6

1.3. The study of human motion analysis in recovery medicine 17 9

1.4. Human motion capture and analysis. Systems and applications 20 10

1.5. Conclusions 31 17

2. DEFINING THE OBJECTIVES OF THE THESIS 39 17

3. KINEMATICS AND DYNAMICS MODELS FOR HUMAN BODY

ANALYSIS 41 19

3.1. Multibody systems 43 20

3.2. Recursive algorithms 48 -

3.3. Kinematical chains 51 -

3.4. Direct and inverse kinematics 54 22


4. DEVELOPING OF A HUMAN MOTION ANALYSIS SYSTEM

USABEL IN RECOVERY MEDICINE 61 24

4.1. Human motion analys systems 61 24

4.2. Post-surgical recovery programs 62 25

4.3. Motion parameters 73 31


5. ÎNREGISTRĂRI ŞI VERIFICĂRI EXPERIMENTALE 97 41

5.1. Introduction 97 41

5.2. Experimental verification 101 43


6. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS.

DISSEMINATION OF RESULTS. FUTURE RESEARCH DIRECTIONS 135 66

REFERENCES - 72

ANNEXES - -

SUMMARY (romanian/ english) - 78

CURRICULUM VITAE - 80



5

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIU

Cercetarea de față își propune să ofere, cu ajutorul rezultatelor obținute prin analiza

mișcării corpului uman, soluții care să fie folositoare pentru medicina recuperativă.

Dizabilitățile mersului uman reprezintă o problemă gravă, care afectează milioane de oameni.

Există numeroase cauze care duc la deficiența mersului, ca de exemplu accidentul vascular

cerebral, amputarea de membre, leziuni ale coloanei vertebrale, paralizie cerebrală, tulburări

neurologice progresive, protezare etc. Finalitatea cercetării este de a obține rezultate care ar

putea ajuta persoanele care au anumite dizabilități locomotorii să-și îmbunătățească

capacitățile funcționale într-un mod eficient. Persoanele care sunt vizate în această cercetare

sunt pacienții care suferă de gonartroză, tratați chirurgical prin protezarea genunchiului.

Rezultatele acestei cercetări ar putea fi extinse cu ușurință și pentru dizabilități având alte

cauze, ținându-se seama, de fiecare dată, de specificul dizabilității studiate.

Studiul mișcărilor umane reprezintă, la momentul de față, un domeniu important al

cercetărilor moderne din diferite motive. Un motiv ar fi acela al temei enunțate referitor la

dizabilitățile umane, dar mișcarea umană este intens studiată și în cazul mișcărilor sportive în

scopul îmbunătățirii performanței, și în industria desenelor animate pentru identificarea unor

mișcări tipice umane, cât și în industria jocurilor de calculator pentru realizarea unor imagini

cât mai apropiate de realitate. Rezultatele obținute într-unul dintre aceste domenii enunțate pot

fi folosite cu ușurință în oricare dintre celelalte domenii. Studiul mișcărilor umane este legat,

de asemenea, în mod puternic de studiul sistemelor multicorp. Dezvoltarea tehnologică la

nivel mondial în industria aerospațială, aeronautica etc., a determinat ca simularea numerică a

sistemelor multicorp umane să fie de o importanță majoră în faza de proiectare, iar cu ajutorul

puterii de calcul oferită de micro-computerele de astăzi este posibil să poată fi studiate modele

complexe care simulează foarte bine mișcările umane. În marea majoritate a cazurilor cu

aplicații industriale, sistemele supuse spre analiză sunt extrem de elaborate, având un număr

foarte mare de componente. Procedura standard este ca după o identificare a corpului uman, a

structurii sistemului multicorp, să se construiască un model matematic al sistemului multicorp

uman. Următoarea etapă este de a simula numeric comportamentul mecanic al mișcării

corpului uman și de a analiza performanțele sale. Pentru aceasta trebuie să se construiască un

algoritm. În cadrul lucrării se va alege un model matematic adecvat pentru a reda eficient

mișcarea corpului uman. La baza analizei dinamice utilizate în cadrul modelelor construite

stau principiile mecanicii clasice care descriu convenabil probleme de interes pentru lucrare.

1.1. ANALIZA ȘI APLICAŢIILE MIŞCĂRII UMANE

SCURTĂ ISTORIE A BIOMECANICII 1.1.1.

Biomecanica este ramură științifică fundamentală pentru înţelegerea procesului

funcţional prin care se realizează mişcarea. Biomecanica umană, care reprezintă subdomeniul

în care se încadrează lucrarea de față, se ocupă cu studiul omului, al corpului uman şi este

cunoscută sub denumirea simplă de biomecanică. Mai general studiul corpului uman se face



6

din punctul de vedere al mişcării acestuia, dar și din perspectiva fiziologiei, anatomiei şi din

prisma kinetoterapiei.

Studiul şi analiza mişcării biomecanice corpului uman care este supus unor acțiuni

exterioare și răspunde prin acțiunea mușchilor proprii presupune existenţa unor modele

matematice adecvate, care ar trebui să acopere două direcţii principale:

- o formulare cât mai realistă și precisă a complexităţii structurale şi funcţionale;

- realizarea unor modele matematice optime din punctul de vedere al metodelor,

aparaturii şi/ sau tehnicilor de înregistrare, analizare şi interpretare a rezultatelor.

Cercetările în domeniul Biomecanicii au abordat la început probleme ale mișcării

umane și au fost utilizate ca un instrument de analiză pentru mersul uman. Limitarea fizică și

optimizarea mișcării sunt de mare interes pentru sportivi, antrenori, cercetători și medici,

deoarece poate fi îmbunătățită performanța sau recuperarea unor bolnavi.

1.2. MEDICINA RECUPERATIVĂ

BIOMECANICA ȘI MEDICINA RECUPERATIVĂ 1.2.1.

Domeniile de cercetare ale biomecanicii se regăsesc atât în domeniul sportiv cât și în

cel medical, al recuperării fizice și de optimizarea a calităților motrice. Alături de domeniile

de cercetare mai sus enunțate se poate adauga și biochimia care prin definiția sa

(BIOCHIMÍE s. f. Știință care studiază compoziția și procesele chimice ale materiei vii;

chimie biologică. - Din fr. Biochimie, [*dex 2012b]) studiază și ne furnizează informații

despre corpul uman, despre transformările biologice și chimice, care apar în timpul ciclului

de mers, în timpul efortului fizic depus în procesul de recuperare medicală.

Pentru obținerea de rezultate medicale favorabile sunt recomandate studii clinice,

deoarece sunt conexe diagnosticării și tratamentelor aplicate. De asemenea, în domeniul

medical (ortopedie) este necesară o utilizare permanentă a noilor tehnologii și însușirea

acestora.

Kinesiologia (scrisă și kineziologia) este studiul științific al mișcării umană și a

structurilor care participă la efectuarea acestei mișcări. O știință de bază în studiul

kinesiologia este biomecanica. Biomecanica în kinesiologie reprezintă studiul mișcării și a

cauzelor sale în mișcarea umană. Profesioniștii kinesiologi folosesc adesea cunoștințele

biomecanice în analiza calitativă a mișcării umane pentru a putea decide modul în care să

intervină pentru a îmbunătăți mișcarea și pentru a preveni sau remedia leziuni.

Pentru a înțelege mișcarea umană este necesar să cunoaștem câteva noțiuni despre

anatomie, știința care se ocupă cu studiul formei şi structurii corpului uman. Cunoașterea

anatomică trebuie mixată cu biomecanica pentru stabilirea cu exactitate a cauzele musculo-

scheletice sau felul în care este efectuată mișcarea umană. În acest capitol se vor prezenta

conceptele anatomice, felul în care biomecanica este necesară pentru a determina funcția

musculară pentru realizarea mișcării.



7

Mersul este termenul medical folosit pentru a descrie locomoția umană. Fiecare

individ are un model de mers unic. Locomoția este funcția aparatului locomotor și presupune

efectuarea de activități fizice prin care se modifică poziția corpului față de un reper.

Mişcările efectuate de segmentele sau de corpul omenesc nu sunt ale unor puncte

oarecare izolate, ci sunt ale unor corpuri materiale care au o anumită formă geometrică și care

sunt alcătuite dintr-un număr infinit de puncte.

Corpul uman poate efectua două tipuri de mișcări: mișcarea de translație (când toate

punctele se deplasează pe traiectorii paralele) și mișcarea de rotație (atunci când punctele

corpului, sau segementele lui, se mişcă pe o circumferinţă în jurul unui ax). Celelalte tipuri de

mișcări realizate de corpul uman reprezintă o combinație a celor două.

Locomoția reprezintă legătura dintre forțele interioare ale corpului uman (de exemplu:

contracții musculare), forțele exterioare care apar în mediului exterior unde este efectuată

deplasare (cum ar fi gravitația) și forțele de legătură dintre corpul uman și mediul exterior.

Metodele de cercetare biomecanică care descriu complexitatea acțiunilor musculare

din timpul mișcării sunt modelarea și simularea. Modelarea implică dezvoltarea unei

reprezentări matematice ale sistemului biomecanic, în timp ce simularea utilizează modele

biomecanice pentru a analiza modul în care schimbările de tehnici și parametri afectează

mișcarea sau corpul. Modelele biomecanice ale corpului uman pot fi utilizate pentru a simula

efectele modificărilor pentru oricare dintre parametrii modelului. Cu cât model este mai

simplu, cu atât este mai ușor să interpretăm și să aplicăm rezultatele.

Cu cât modelele biomecanice sunt mai complicate și includ mai multe elemente ale

sistemului musculo-scheletic, cu atât mai dificil se realizează validarea modelul. Interpretarea

este chiar mai complicată datorită factorilor interdependenți și variațiilor parametrilor de

model.

Mișcarea poate fi descrisă ca o combinație de mișcări unghiulare ale articulațiilor.

Antrenorii, instructorii, pot vorbi de intervalul de mișcare a unui "pas" la alergare sau de

"atac" la saritura în înălțime. Terapeuții pot vorbi despre intervalul de mișcare pentru o

articulație în plan transversal.

Cinematica este descrierea exactă a mișcării și este esențială pentru înțelegerea

biomecanicii mișcării umane. Cinematica poate varia de la descrieri anatomice de rotații ale

articulațiilor, la măsurători matematice precise ale mișcărilor musculo-scheletice.

Gradele de libertate (DOF – degrees of freedom) reprezintă complexitatea cinematică

a unui model biomecanic. Gradele de libertate corespund numărului de măsurători cinematice

necesare descrierii complete a poziției unui obiect. Un model al unui punct 2D are doar 2

grade de libertate astfel încât mișcarea obiectului poate fi descrisă pe coordonatele x

(orizontală) și y (verticală), [KNU 2007].

CICLUL MERSULUI UMAN 1.2.2.

Periodicitate mersului.



8

Mersul normal la pas are două elemente de bază:

1. mișcare periodică a fiecărui picior de la o poziție de sprijin la alta;

2. forțe de reacție suficiente, aplicate prin picioare, pentru a sprijini corpul.

Cele două elemente sunt necesare pentru formarea oricărei forme de mers biped, chiar

dacă este distorsionat. Această mișcare periodică a picioarelor reprezintă ciclul de mers uman

normal, [VAU 1999].

În figura 1.18 este ilustrată o roată care se deplasează de la stânga la dreapta. Pentru a

fi evidențiată deplasarea roții, a fost trasată o dreaptă din centrul roții, perpendiculară pe

planul pe care roata se deplasează (planul orizontal), această poziție reprezentând poziția

inițială a roții. S-a realizat o comparație cu ceasul, asta implicând nu doar sensul de rotație ca

fiind cel al acelor de ceasornic, ci și procentelor de rotire corespunzându-le un număr de

secunde. Așadar, unei rotații complete (100%), îi corespund 3600 secunde (numărul de

secunde dintr-o oră). La o rotație realizată într-un procent de 20% îi corespund 720 s (20% x

3600 s), iar pentru fiecare suplimentare de 20%, se avansează cu alte 720 s. Când roata revine

în poziția inițială, evident dreapta este din nou perpendiculară pe planul orizontal, ciclul de

rotației este complet (acest lucru este indicat prin 100%), [VAU 1999].

Figura 1. 1. Ciclul de mers normal la pas, și divizarea lui.

Această analogie a unei roți poate fi aplicată și mersului uman. Dacă ne gândim la o

persoană care merge la pas, ne imaginăm un model ciclic de mișcare care se repetă iar și iar,

pas după pas. Descrierea mersului la pas este în mod normal limitată la un singur ciclu, cu

presupunerea că alte cicluri succesive sunt toate cam la fel. Această ipoteză nu este strict

adevărată, este doar o aproximare pentru majoritatea persoanelor. În figura 1.19 este ilustrat

un singur ciclu de mers la pas normal. Rețineți că ciclul de mers începe atunci când unul

dintre picioare (în acest caz, piciorul drept) face contact cu solul.

Natura ciclică a mersului uman este o caracteristică foarte utilă pentru prezentarea

diverșilor parametrii.

Fazele mersului.



9

Există două etape principale ale ciclului de mers: sprijinul și pendularea sau oscilația.

În timpul fazei de sprijin, piciorul este pe planul solului, în timp ce în faza de pendulare

același picior nu mai este în contact cu solul, iar piciorul oscilează și este în curs de pregătire

pentru următoarea fază de atac/ contact a piciorului cu solul. În figura 1.19, se poate observa

că faza de sprijin poate fi împărțită în trei etape separate:

1. Primul sprijin dublu, atunci când ambele picioare sunt in contact cu solul;

2. Sprijinul unui singur membru, atunci când piciorul stâng este în pendulare și numai

piciorul drept este în contact cu solul;

3. Al 2-lea sprijin dublu, atunci când ambele membre sunt din nou în contact cu solul.

În mersul normal la pas există o simetrie naturală între părțile stânga și dreapta, dar în

mersul patologic de foarte multe ori există un model asimetric. În figura 1.20. este prezentat

timpul petrecut pe fiecare membru inferior în timpul mersului normal pentru un om sănătos, și

este ilustrată simetria între partea stângă și dreaptă în faza de sprijin (62%) și cea de pendulare

(38%). De asemenea, este reprezentată asimetria la pacientul cu probleme locomotorii, pe

membrul stâng, unde în cele două etape ale mersului se poate observa că la membrul inferior

afectat, faza de sprijin este redusă la 60 %, iar faza de pendulare este mărită la 40%, și că

membrul inferios sănătos este cel mai mult solicitat, cu o fază de sprijin de 80%, respectiv

fază de pendulare de 20%. Timpul unui ciclu de mers, pentru un pacient cu afecțiune

locomotorie față de un subiect sănătos este crescut, [MUR 1981].

1.3. STUDIUL ANALIZEI MIŞCĂRII UMANE ÎN MEDICINĂ

RECUPERATIVĂ.

Analiza mișcării umane a fost de mult timp studiată și aplicată în diverse domenii.

Domeniul care a studiat în mod special caracteristicile de mers la pas uman se numește

analiza mersului. Analiza mersului uman este esențială în recuperarea medicală, deoarece

oferă informații cantitative ale segmentulelor corpului uman în timpul mersului la pas.

Mersul reprezintă modalitatea de bază a locomoției umană care implică mișcarea

centrului de masă a corpului uman de-a lungul unei axe, cu cel mai mic consumul energetic

[PER 1992]. Este o mișcare ciclică și alternantă la nivelul membrelor inferioare, însoțită de

Figura 1. 2. Timpul petrecut pe fiecare membru în timpul ciclului de mers al unui subiect

sănătos și un pacient cu durere de șold. Ilustrație adaptată de la [MUR 1981].



10

mișcări asincrone ale membrelor superioare. Această formă de locomoție este supusă

controlului complex la diferite niveluri ale sistemului nervos și este caracterizat printr-o

coordonare precisă neuromusculară [SPE 2002], [WIN 2005]. Pentru analiza mersului s-au

făcut numeroase studii. Evaluarea standard a mersului constă într-o evaluare vizuală

subiectivă, inițială și evaluarea componentelor mersului. Metode obiective sunt la rândul lor

aplicate pentru măsurarea parametrilor cinematici și dinamici ai mersului uman [VAU 2005]

[CZA 2007], a componentelor forței de reacțiune la sol, a activității musculare [WIN 2008], a

cheltuielilor de energie și a altor parametrii fiziologici [BIA 1998].

În general, mersul uman poate fi măsurat prin tehnici de măsurare directă și, de

asemenea, prin tehnici de măsurare optice. Principala problemă în tehnica de măsurare directă

se referă la faptul ca persoanele analizate trebuie să poarte mai multe cabluri sau alte

componente care pot afecta mișcarea mersului la pas [WIN 2009] contrar tehnicii de măsurare

optică.

Analiza mișcărilor umane are utilizare în aplicații în diverse domenii cum ar fi:

supraveghere și criminalistică (identificarea umană), în industria filmului și a desenelor

animate (efectele speciale din filme și în animația desenelor), în sport (în cadrul

antrenamentele sportive), în medicină (reabilitare fizică pentru persoanele cu diverse

dizabilități – medicina recuperativă), în interacțiunea om – robot/ om – calculator, siguranță

accident auto, științe biologice, și de navigație a vehiculelor [BUR 2008].

Procesarea analizei mișcării poate detecta mișcarea într-un mod simplu (spre exemplu,

găsirea anumitor puncte din imagine unde există un obiect în mișcare). Într-un mod mai

complex, procesarea analizei de mișcare se referă la urmărirea unui anumit obiect în imaginea

spațială, la punctele unui grup care aparțin aceluiași obiect rigid care se mișcă în scenă, sau

pentru a determina mărimea și direcția de mișcare a fiecărui punct din imagine. Informația

obținută poate fi legată de un anumit cadru din secventă, de un anumit moment de timp, dar

depinde și de cadrele alăturate.

Există diferite tipuri de mișcări umane pe care cercetătorii încearcă să le recunoască.

Fiecare dintre ele poate fi identificată prin variațiile de poziție ale uneia sau mai multor părți

ale corpului uman implicate, fără să fie nevoie să cunoaștem conceptual mișcarea. Astfel,

cercetătorii ale căror studii urmăresc să estimeze caracteristicile dinamicii umane, încearcă să

urmărească părțile corpului într-o succesiune de date capturate ca succesiuni de imagine.

1.4. CAPTURA ŞI ANALIZA MIŞCĂRII UMANE. SISTEME

ŞI APLICAŢII

NOȚIUNI GENERALE 1.4.1.

O definiție foarte bună dată termenului de captură (captare) a mișcării corpului uman

(Motion Capture - Mo-cap prescurtat) și, de aceea, foarte răspândită este definiția dată de

Menache [MEN 1999], în lucrarea sa: "Captarea mişcării reprezintă procesul de înregistrare a

unui eveniment al mişcării în timp real şi conversia acestuia în termeni matematici utilizabili



11

prin înregistrarea unui număr de puncte-cheie în spaţiu, respectiv coordonate, în timp, şi

combinarea acestora pentru a obţine o singură reprezentare 3D a performanţei". Deci captarea

mişcării este reprezentată de multitudinea activităților pentru efectuarea înregistrărilor digitale

ale mişcărilor corpului uman. Rezultatul captării mișcării va fi constituit din totalitatea

informațiilor înregistrate pentru a putea realiza o reprezentare matematică a mişcării unui

subiect.

O mişcare, rapidă sau lentă, este reprezentată în procesul de captură a imaginilor

printr-o succesiune a poziţiilor înregistrate la intervale definite și, de obicei, egale de timp.

Pentru a putea face o analiză a unei mișcări trebuie ca înregistrările să reprezinte o succesiune

de poziţii instantanee. Cu cât numărul de inregistrări pe unitatea de timp este mai mare, cu

atât și precizia rezultatelor care vor fi obținute în final va fi mai mare. În Tabelul 1.1 sunt

prezentate utilizările actuale ale capturii de mişcare [BRA 2001].

Cele mai utilizate domenii în care se aplică tehnologia de captură a mişcării, sunt

regăsite în analiza clinică, în sport și în realitatea virtuală. Studiile clinice utilizează

reconstituirea mişcării pentru o percepție mai bună a dificultăţilor care apar la locomoţia

pacienților după operații sau după protezare. În sport sau activități sportive, sistemele de

captură ale mişcării sunt utilizate pentru înregistrarea mișcării sportivilor în scopul analizei

rezultatelor obținute, pentru identificarea greșelilor făcute, pentru îmbunătăţirea performanţa

și pentru adaptarea antrenamentelor [BRA 2001], [BUR 2006], [BUR 2008].

Tabelul 1. 1. Aplicaţii posibile în domeniul capturii de mişcare, adaptare după [BRA 2001]

Domeniul de aplicabilitate

Domeniul general Domeniu specific

Realitate virtuală

Lumi virtuale interactive

Animaţie de personaje

Producţie de film/ TV virtual

Jocuri pe calculator

Sisteme de supraveghere inteligente Cadre/ Scene de interior şi exterior

Recunoaşterea mersului

Analiza mişcării Medicină recuperativă

Studii clinice

Antrenamente sportive supravegheate

Coregrafie de dans/ teatru

Interfeţe avansate Interfeţe sociale

Interpretarea cu autentificare vocală


Interfaţa aplicaţiei determinată de gesturi

Model bazat pe codare Studii clinice

Antrenamente sportive supravegheate


Indexare bazată pe conţinut de material TV



12

Tehnologia capturii mișcării nu este utilizată doar pentru studiul mișcării oamenilor,

ea poate fi utilizată pentru a înregistra aproape orice tip de mişcăre, pentru orice fel de sistem

mecanic, de la obiect sau corpuri rigide și până la animale sau sisteme multicorp. Cum

lucrarea de față are drept scop analiza mişcării corpului uman în timpul deplasării normale,

mers la pas, pe distanță foarte mică, captarea mişcării în acest caz va fi termenul care face

referire la sarcina de înregistrare a mişcări umane.

TEHNICA CAPTURII MIȘCĂRII 1.4.2.

Sistemele de captură a mişcării sunt sistemele astfel proiectate încât să poată urmări un

obiect în mişcare, pe o anumită perioadă. Cerințele care se impun unui sistem perfect de

captură al mişcării sunt: să fie mic, compact, precis, fără fir/ wireless, fără erori, să acoperere

cât mai multe domenii de cercetare sau studiu şi, evident, să fie ieftin. Un astfel de sistem în

realitate nu este realizabil, practica inginerească stabilind de fiecare dată soluția care să

asigure cel mai bine necesitățile impuse de aplicația respectivă. În ceea ce urmează se prezintă

tehnologii existente, a căror utilizare a fost validată de practică și care au fost folosite în

diferite cazuri urmând, ca în urma unor analize, să se aleagă pentru cercetare soluția optimă.

Sistemele de urmărire a mişcării umane își propun să genereze seturi de date în timp

real. Aceste date își propun să descrie, digital, schimbarea posturii unui corp uman sau a unui

segment al corpului uman cu ajutorul tehnologiilor bazate pe senzori de mişcare.

Pentru fiecare senzor este necesar să se întreprindă un studiu asupra structurii sau

caracteristicilor sale, pentru a identifica sursa de erori sau zgomot care însoţeşte, de obicei,

achiziţia datelor. În continuare se prezintă o descriere a tehnicilor de captare a mişcării care se

utilizează curent, pentru efectuarea unei cercetări corecte. De asemenea, în tabelul 1.2. este

prezentată o comparaţie a performanţei sistemelor de captură a mişcării bazate pe aceste

tehnici, [ZHO 2008].

Tabelul 1. 2. Comparaţie a performanţei diferitelor sisteme de urmărire a mişcării, adaptat

după [ZHO 2008].

Sisteme Precizie Calcul Cost Dezavantaj

Inerţial Ridicată Eficient scăzut Abateri

Electromagnetic Medie Eficient Scăzut Materiale

feromagnetice

Mănuşi Ridicată Eficient Mediu Postură parţială

Markeri Ridicată Ineficient Mediu Suprapunere

Fără markeri Ridicată Ineficient Scăzut Suprapunere

Tehnicile de captare a mişcării existente la ora actualăsunt prezentate în figura 1.21.

[PER 2001].



13

Figura 1. 3. Clasificarea capturii de mișcare, adaptată după [PER 2001]

SISTEME NON-OPTICE 1.4.3.

Sistemele non-optice sunt sisteme mecanice sau electromagnetice folosite pentru a

achiziţiona date despre mişcare. Ele sunt clasificate în sisteme de inerţie, electromecanice şi

electromagnetice. În literatura de specialitate senzorii acestor sisteme îi găsim clasificaţi şi

sisteme cu senzori acustici, radio şi cu microunde. Cea mai mare parte a acestor senzori pot

detecta amplitudini mici, cum ar fi mişcarea de la un deget al mâinii sau chiar mişcarea

degetului de la picior. În ansamblu, fiecare tip de senzor are propriile lui avantaje,

dezavantaje, chiar şi limitări, [MUN 2014].

Într-o activitate de recuperare a funcţiei aparatului locomotor, membrele inferioare

trebuie poziţionate astfel încât caracteristicele nedorite să fie corectate. Astfel, pentru

monitorizarea unor astfel de activități pot fi utilizaţi senzori non-optici, cum ar fi senzorii

electromecanici sau electromagnetici. Pentru aceasta se va face o prezentare a sistemelor

inerţiale, electromagnetice şi electromecanice. Va fi descrisă şi tehnica senzorilor cu mănuşi

(datorită aplicabilităţii lor în aplicațiile moderne).

Sistemele inerţiale de captură a mişcării cu accelerometre au la bază senzori de inerţie

în miniatură, utilizează pentru analiză modele biomecanice şi pentru digitalizarea și

postprocesare folosesc diferiți algoritmi performanți. Aceste sisteme au avantajul de a fi uşor

de utilizat şi sunt rentabile economic pentru detecţia mişcării [MUN 2014].

Giroscoapele au ca bază fundamentală o altă proprietate, și anume că toate corpurile

care gravitează în jurul unei axe dezvoltă o inerție de rotație. Inerție de rotație a unui corp este

determinată de momentul său de inerție [MUR 2014].

Echipamentul de analiză a mersului - branțul Veristride dezvoltate de Bamberg et al.,

are integrat senzori de inerție miniaturali și senzori de presiune concepuți special pentru

detectarea forței plantare distribuite, module de comunicare Bluetooth și un sistem de

încărcare inductiv.



14

Sistemele electromecanice, în general, sunt alcătuite din potențiometre și tije

culisante fixate la anumite puncte specific în organism. Captura mișcării se realizează prin

detectarea micilor modificări detectate cu potențiometre. Deoarece sunt voluminoase și grele,

aceste sisteme nu pot analiza activități simple, cum ar fi mersul pe jos, [BRA 2001].

Dispozitivele electromagnetice presupun utilizarea de senzori capabili să înregistreze

modificările într-un câmp electromagnetic. Sistemul este mult mai ușor și confortabil oferind

posibilitatea de a mări gama de mișcare pentru care este posibil să se facă captura, comparativ

cu sistemul electromagnetic, dar firele atașate la fiecare senzor impun, totuși, o limitare [BRA

2001].

Dispozitivele mănușă

Începând cu sfârșitul anilor 1970, oamenii au studiat dispozitivele mănușă pentru

analiza gesturilor mâinii. Aceste sisteme au senzori aplicați pe mănușă, senzori care

convertesc flexia și abducția unui deget în semnale electrice, pentru a determina poziția

mâinii. Acest dispozitiv poate fi utilizat pentru reconstrucția funcției motorii, în cazul leziunii

mâinii și este recomandat în terapii de recuperare datorită flexibilității, a aplicării și

îndepărtării ușoare, precum și pentru precizia lui, [ZHO 2008].

SISTEME OPTICE 1.4.4.

Sistemele de senzori optici (cum ar fi camerele de fotografiat) sunt utilizate în mod

obișnuit pentru îmbunătățirea preciziei în aprecierea poziției corpului uman. La ora actuală

sunt cele mai cunoscute sisteme, deoarece calitatea imaginii video reprezintă un avantaj față

de alte tehnici. Ele utilizează datele obținute de camerele de filmare, pentru preluarea poziției

3D a unui subiect.

1.4.4.1. SISTEME OPTICE CU MARKERI

Sistemele de urmărire cu markeri pot fi pasive sau active. Astfel, un sistem pasiv

folosește un număr de markeri care nu generează nici o lumină, ele reflectă doar lumina de

intrare. În cadrul unui sistem activ markerii pot produce lumină în infraroșu, care este

captată printr-un sistem video.

Sisteme optice cu markeri pasivi sunt cele mai răspândite, fiind populare în

domeniul divertismentului, în biomecanică, în inginerie, îndeosebi în cazul aplicațiilor clinice

etc. În cazul acestor sisteme, achiziția datelor se obține folosind markeri retroreflectivi, care

sunt atașați pe pielea subiectului conform diverselor protocoale. Cadrul este iluminat cu

lumină infraroșie produsă de o serie de diode emițătoare, montată în jurul obiectivului fiecărei

camere digitale care v-a înregistra scena (figura 1.25), [DON 2006]. Detectarea markerilor se

face deosebit de simplu, deoarece materialul reflectorizant care a acoperit suprafața lor

reflectă lumina înapoi, ceea ce îi face mult mai luminoși decât fundalul. Mai mult decât atât,

camera poate fi reglată astfel încât numai markeri reflectorizanți luminoși să fie incluși în

eșantion, ignorând pielea și materialul textil [MED 2001]. Sunt necesare mai multe camere



15

dacă se urmăresc un număr mare de markeri și se extinde și zona de captare. Markerii pasivi

sunt, de obicei, sfere sau emisfere din plastic sau spumă de 25 la 30 mm în diametru cu bandă

specială de reflexie. Producătorii acestui tip de sistem sunt Vicon-Peak [*vic 2013], Motion

Analysis [*mot 2013] și BTS [*bts 2013].

Figura 1. 4. a. Camera Seria T - Vicon, b. Camere Raptor - Motion Analysis Corporation, c.

Cameră Smart DX – BTS Bioengineering

Qualisys este un sistem de captură a mișcării care poate fi format din 1 - 16 camere,

fiecare emițând un fascicul de lumină infraroșie [*qua 2013], vezi Figura 1.26.

Figura 1. 5. Sistemul de operare Qualisys folosit în recuperare, [*qua 2013]

Markerii reflectorizanți sunt atașați unui subiect pentru a fi urmăriți. Lumina infrarosie

clipește și apoi este preluat de către camerele de filmat. Ulterior, sistemul calculează o poziție

3-D a markerilor reflectorizanți, prin combinarea datelor 2-D a mai multor camere. VICON

este un sistem similar, care a fost proiectat pentru utilizarea în mediile virtuale, [*vic 2013].

Aplicarea acestor sisteme optice pasive poate fi adesea găsită în medicină.



16

Sistemele cu markeri activi prezintă avantaj față de cele pasive, deoarece nu există

nici o îndoială cu privire la identificarea markerilor, emițând lumină ei înșiși. Aceste sisteme

sunt folosite cu precădere în domeniul biomecanicii. Markerii de obicei sunt activați

secvențial, astfel încât sistemul să poată detecta automat fiecare reper făcând urmărire mai

ușoară. Totuși, se preferă utilizarea markerilor pasivi, deoarece instalația electrică necesară

pentru alimentarea markerilor poate împiedica mișcările posibile ale subiecților [CAP 2003].

1.4.4.2. SISTEMELE DE CAPTARE FĂRĂ MARKERI

În subcapitolul precedent sunt descrise caracteristicile sistemelor de urmărire cu

markeri, care limitează gradele de libertate, datorită markerilor atașați. Sistemele optice fără

markeri reprezintă o tehnică mai putin limitativă de capturare a mișcării.

Sisteme optice de captare fără markeri folosesc numai senzori optici pentru măsurarea

mișcărilor corpului uman. Folosirea acestora este motivată de erorile care apar în timpul

utilizării sistemelor optice cu markeri, [ZHO 2008].

Camerele cu rezoluții mari care sunt folosite, indică precizii mari de detectare a

mișcării. Costul acestor camere de mare viteză este mult mai scăzut, iar parametrii camerelor

pot fi configurați flexibil de către utilizator, ceea ce le face accesibile și recomandabile în

domeniul supravegherii. Dezavantajul folosirii acestui sistem fără markeri este faptul că

această tehnică necesită calcul intensiv pentru a determina localizarea 3D și reducerea

erorilor. În literatura de specialitate există numeroase exemple de urmărire și estimare a

mișcării umane, folosind modele propuse.

Spre exemplu urmărirea mișcării umane în scopuri de supraveghere are ca obiectiv

asocierea oamenilor prezenți într-un cadru video cu cele din cadrele anterioare, precum și de

recunoaștere a acțiunilor acestora.

Figura 1. 6. Modelul Theobalt, [THE 2002]



17

În lucrarea [THE 2002], Theobalt și colaboratorii au propus combinarea în timp real a

urmăririi caracteristicilor optice, cu reconstrucția volumului unui subiect în mișcare, cu scopul

de a încadra un schelet umanoid în imagini video. Au fost folosite patru camere, două fiind

conectate la PC, iar în Fig. 1.29. este distins rezultatul final, [THE 2002], [ZHO 2008].

1.5. CONCLUZII

În acest capitol au fost prezentate sistemele de analiză şi de captură a mişcării umane,

şi aplicaţiile acestora în diverse domenii de activitate. S-a insistat pe aplicațiile în medicina

recuperativă. De asemenea, au fost prezentate avantajele şi dezavantajele acestor sisteme.

Toate aceste sisteme folosite în recuperare, analiză şi captura mişcărilor, necesită specialişti

pentru o funcţionare corespunzătoare a sistemelor, care implică evident calibrarea şi achiziţia

datelor. Aceste sisteme nu au fost create spre a fi utilizate special în terapie pentru pacienţi,

astfel încă nu pot fi utilizate cu ușurință la domiciliul pacienţilor sau la cabinetele medicale, ci

doar în centre specializate și laboratoare. Problema utilizării acestora în cabinetele medicale

rămâne o problemă ce urmează a fi rezolvată în viitor.

Aplicarea sau utilizarea unui dispozitiv este foarte important. Persoanele care au

probleme la nivelul aparatului locomotor, probleme cauzate de un accident vascular cerebral

sau artroze etc., suferă pierderi semnificative ale funcţiilor la nivelul membrelor afectate şi,

prin urmare, sistemele de captură a mişcării presupun o analiză amănunţită. De asemenea, se

sugerează ca dispozitivele sistemelor să fie cât mai uşor posibil de utilizat şi aplicat.

În momentul de față sistemele de recuperare au dimensiuni mari şi astfel vor ocupa

spaţii mari, iar persoanele care nu au suficient spaţiu sunt în imposibilitatea de a folosi aceste

sisteme pentru a-şi putea recupera mobilitatea. De asemenea se doreşte un sistem cu o

interfaţă simplă care să indice mişcările corecte sau incorecte şi care să permită pacienţilor să

îşi adapteze mişcările pentru a se corecta. Astfel, pentru un sistem de recuperare va trebuie să

luam în considerare: dimensiune, greutate, cost, funcţionare etc.

Tehnicile de captură au fost clasificate în sisteme optice şi non-optice, şi au fost

descrise în funcţie de costuri, precizie, dimensiune şi aplicare.

Astfel, am descris că sistemele de captură a mişcării existente pot permite configurări

de recuperare diverse, dar pentru că mişcarea umană are caracteristici fiziologice complicate,

care conduc la probleme nerezolvate de sistemele existente, se doreşte o dezvoltare a acestor

caracteristici ale mişcării umane.

2. DEFINIREA OBIECTIVELOR TEZEI

Subiectul studiat reprezintă o problemă de mare importanță pentru medicina

recuperativa și anume scăderea timpului în care un pacient este imobilizat și deci a costurilor

cu recuperarea. Obiectivul general al tezei îl constituie prezentarea unei soluţii în ceea ce

priveşte îmbunătăţirea programului de recuperare a funcţiilor motrice ale bolnavilor aflaţi în

timpul programului de recuperare postoperator. Această soluție are o fundamentare teoretică



18

bazată pe un set de modele cinematice şi dinamice destinate pentru studiului şi analiza

mişcărilor corpului uman, validate prin încercări experimentale cu ajutorul echipamentului

existent în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică, al Universităţii Transilvania din

Braşov. De asemenea, un alt obiectiv major îl reprezintă recuperarea cât mai completă a

pacientului pentru a se putea integra complet și perfect în societate, după o perioadă minimă

de convalescență. Un al treilea obiectiv major este constituit de studierea modului în care

gimnastica recuperativă poate contribui la reabilitarea cât mai rapidă a pacientului.

Cele trei obiective de interes major prezentate conduc la obiective conexe definite pe

diferite etape ale cercetării, a căror îndeplinire duce înspre realizarea globală a celor

menționate anterior. Astfel autoare își propune:

1. O analiză critică a cercetărilor în domeniu și a stadiului actual al acestora. Acest

obiectiv este considerat dificil de îndeplinit datorită numărului mare de lucrări dedicate

subiectului. Întrucât domeniul este interdisciplinar a fost necesar să se studieze lucrări

publicate în mai multe domenii științifice: medicină, mecanică, matematică, metode numerice,

captură a mișcării etc. Acest lucru a făcut necesară studierea unei bogate literaturi din care

autoarea a menționat în bibliografie pe cele pe care le-a considerat mai sugestive;

2. Identificarea principalelor probleme puse de o recuperare rapidă a pacienților.

Intervențiile chirurgicale influențează dramatic capacitatea de mișcare a pacienților, astfel

trebuie identificate care sunt problemele cu care se confruntă aceștia. Binențeles că

problemele sunt variante și majoritatea sunt de ordin medical. Mișcarea și capacitatea de a se

integra în mediul înconjurător reprezintă totuși o problemă majoră și care trebuie rezolvată

rapid pentru a crește încrederea pacientului în sine, pentru ași obține independența și pentru

reintegrarea în societate. Se va avea în vedere recuperarea mobilității mecanice a bolnavului și

determinarea problemelor cauzate de pierderea acestei abilități. Analiza problemelor

pacientului dupa operație se face pentru a determina un set de date experimentale,

semnificative, pentru a putea urmări evoluția mișcărilor;

3. Analiza metodelor de modelare mecanică, cinematică și dinamică, a mișcărilor umane.

Acest subiect este de mare importanță și, ca urmare, a fost mult studiat și există o bogată

literatură. Prin studiul comparativ al literaturii studiate se va propune un model corespunzător

problematicii ce trebuie studiată. Nu este necesar un model complex, cu multe grade de

libertate, întrucat mișcarea unui pacient operat este foarte limitată, dar modelul adoptat va

trebui sa fie foarte sensibil la modificarea unor parametrii. Ținând seama de mobilitatea

redusă a subiecților (spre deosebire de mișcările sportive, unde avem mișcări ample, în spații

mari) se vor cauta modele simplificate, dar eficiente, care să răspundă scopului propus în

lucrare;

4. Analiza metodelor de captură a mișcării. Este un domeniu în plină dezvoltare pentru

care există o literatură foarte bogată. Ținând seama de posibilitațiile Universității Transilvania

s-a utilizat un sistem de captură a mișcarii propriu, alcatuit dintr-o cameră de mare viteza

AOS X-PRI a cărei performanțe vor fi descrise în capitolul dedicat acestei proceduri. Acest

sistem de captură a mișcării s-a dovedit a fi performant în cercetările anterioare care s-au

desfășurat în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică;



19

5. Analiza metodelor numerice de calcul. Prin captura mișcării se obțin fișiere imense cu

un volum uriaș de informație. Toată această informație trebuie analizată pentru a se extrage

din ea informația semnificativă cercetării efectuate în teză. Pe baza lucrărilor anterioare și ale

colegilor de departament s-a ales mediul de programare MATLAB ca fiind cel mai util pentru

realizarea acestui deziderat;

6. Identificarea unei proceduri pentru analiza și digitalizarea rezultatelor. Pentru a realiza

acest lucru și a economisi un efort de timp considerabil în analiza înregistrărilor se

preconizează a se utiliza experiența câștigată în cadrul unei alte lucrari de doctorat intitulate

“Contribuţii la identificarea persoanelor prin analiza mişcării”, elaborată de Mihălcică Mircea.

Va fi utilizat soft-ul Adobe After Effect pentru obținerea datelor experimentale;

7. Elaborarea unui model matematic pentru a se putea analiza mișcarea segmentelor

implicate în deplasarea unei persoane după operația de gonartroza, cu evidenţierea

capacităţii şi a modului de îmbunătăţire a performanţelor acestora;

8. Realizarea unei baze de date necesară studiului cinematic al aparatului locomotor

uman pentru analiza mişcărilor corpului uman în timpul deplasării normale de-a lungul

perioadei de recuperare specifice fiecărui pacient;

9. Realizarea unui sistem de analiză a mişcărilor umane în timpul mersului, ieftin şi

portabil, destinat utilizării frecvente, reprezentând o soluţie pentru foarte mulţi pacienţi ce

urmăresc aşi recupera funcţiile motrice;

10. Utilizarea dinamicii inverse pentru a putea studia modelul în care mușchii care produc

mișcarea unui proaspăt operat se refac în perioada de convalescență;

11. Efectuarea unor înregistrari pe subiecți umani tratați chirurgical, pe care să se faca un

studiu pe o perioadă mai mare de timp pentru a putea studia evoluția postoperatorie, în

perioada de recuperare a pacientilor;

12. Formularea unor concluzii care să fie folositoare pentru recuperarea mai rapidă a

pacienților și pentru a formula criterii numerice de identificare a diferitelor faze de

recuperare și de studiu al evoluției postoperatorii, în perioada de recuperare;

13. Diseminarea rezultatelor în literatura de specialitate, participarea la conferințe interne

și internaționale;

14. Identificarea și enunțarea direcțiilor ulterioare de dezvoltare al subiectului.

3. MODELE CINEMATICE ȘI DINAMICE PENTRU

ANALIZA CORPULUI UMAN

Cercetarea ştiinţifică a dinamicii mersului omului la pas a început în secolul al 19- lea,

odata cu apariția fotografiei. Un promotor important al acestor studii a fost fizicianul şi

fiziologul Otto Fischer, care a publicat în 1906 lucrarea sa fundamentală. Fischer a folosit

noțiuni cunoscute din teoria mecanismelor pentru modelarea şi analiza mersului uman. În

ultimele decenii s-au dezvoltat metodele de anliză dinamică, stimulate și de dezvoltarea



20

studiului sistemelor multicorp (sisteme mecanice cu legături). Aceste modele au fost aplicate

în dinamica corpului uman.

Figura 3. 1. Mergătorul biped al lui Beletzky [BEL 1984]

Problema coordonării musculare a mersului la pas uman este o temă de cercetare

importantă în biomecanică.

Există mai multe variante pentru criteriile de optimizare a mişcării corpului uman în

timpul mersului la pas. Un om sănătos, de obicei, va merge cu energie minimă pe distanţa

parcursă, ceea ce este util și pentru persoanele cu orteze sau proteze. În schimb persoanele în

vârstă sau cu anumite leziuni locomotorii preferă o metodă de deplasare în care durerea să fie

minimă, care depinde de forţele de reacţie ale articulaţiei.

Cercetarea va fi focalizată pe evoluția mişcărilor corpului uman în urma tratamentului

chirurgical, în perioada de recuperare, cu impact direct asupra analizei avansate a membrelor

inferioare.

3.1. SISTEME MULTICORP

Schabana definește sistemul multicorp ca o colecție de subsisteme numite corpuri,

componente și substructuri. Mișcarea subsistemelor este determinată de legături cinematice

datorită diferitelor tipuri de articulații și fiecare susbsistem sau componentă poate fi supusă

deplasărilor mari de translație și rotație [SHA 2013]. Studiul corpului uman ca un sistem

multicorp, analiza mişcării lui, estimarea forţelor musculare, reacţiunile articulaţiilor şi forţele

exterioare care acţionează în structura sa scheletică este un domeniu de cercetare în care se

îmbină mai multe domenii, reprezintă o zonă de interes interdisciplinară.



21

Simularea pe calculator mişcării umane s-a dovedit a fi utilă în multe activităţi de

cercetare şi dezvoltare, cum ar fi: în analiza acţiunilor atletice [ALV 1993a], [ALV 1993b],

pentru îmbunătăţirea performanţele sportive [RAA 1997]; optimizarea proiectării echipament

sportiv [ZAP 1995]; în ortopedie, pentru a îmbunătăţi proiectarea şi analiza protezelor [AND

1997], [AND 2000]; pentru controlul mişcării corpului uman unde s-au definit strategii de

control al corpului uman [AMB 1999]; [FLA 1987], [FLA 1988]; în analiza mersului uman,

pentru generarea de modele de mers normale [CHA 2001]; [ENG 1994]; [GER 1995]; [OLN

1985]; [SAD 2000] şi diagnostic ca urmare a dizabilităţilor [HOR 1997]; [WIN 1984]; etc.

Simularea numerică a mişcării umane necesită aplicarea unor modele matematice care

să descrie corect comportamentul corpului uman în urma interacţiunii acestuia cu mediul

înconjurător. Utilizarea metodelor dinamicii sistemelor multicorp şi a tehnicilor matematice

de optimizare s-au dovedit a fi excelente pentru a descrie acest tip de modele matematice, cu

rezultate de calitate şi cu costuri ale calculului reduse. Informaţiile obţinute sunt rezultatul

aplicării legilor mecanice clasice la structurile vii şi au avantajul de a obține date despre

comportarea mecanică umană fără a utiliza tehnici invazive.

3.1.2.ECUAŢIILE NEWTON-EULER

Ecuaţiile lui Newton şi Euler utilizează relațiile pentru viteze şi acceleraţii determinate

mai sus [SCH 2006]. Reacţiunile determinate de legături pot fi reduse la un număr minim de

forţe de legătură generalizate, cunoscute sub denumirea de multiplicatori Lagrange, [SCH

1997].

Cinematica sistemelor rigide și constrângerile olonome, [SCH 2006]:

,gQt,x,xqt,x,xqxMec

TxQ (3.13)

Cinematica sistemului olonom şi constrângerile:

.gQt,y,yqt,y,yqyJMec

(3.14)

Cinematica sistemului neolonom şi constrângerile, [SCH 2006]:

.gQt,z,yqt,z,yqzLMec

(3.15)

În partea stângă a ecuaţiilor 3.13 – 3.15, forţele de inerţie sunt caracterizate de M -

matricea de inerţie, L,J - matricele globale Jacobiene şi cq - vectorul forţelor Coriolis,

[SCH 2006].

În partea dreaptă a ecuaţiilor se găsesc: vectorul eq al forţelor aplicate, care includ

forţele de control şi forţele de legătură compuse din matricea distribuțiilor globale Q şi

vectorul g al forţelor de legătură generalizate, [SCH 1990], [SCH 2006].

Fiecare din ecuaţiiile de mai sus reprezintă p6 ecuaţii scalare. Oricum, numărul de

necunoscute este diferit. În ecuaţia (3.13) există qp6 necunoscute rezultate din vectorii x şi



22

g . În ecuaţia (3.14) numărul de necunoscute este exact qfp6 reprezentate de vectorii y

şi g , pe când în ecuaţia (3.15) numărul de necunoscute este qp12 datorită lui z - vectorului

viteză adiţional şi un g - vector de constrângeri extins [SCH 2006]

3.1.3.ECUAŢIILE DE MIŞCARE ALE SISTEMELOR DE CORPURI

RIGIDE

Ecuaţiile de mişcare vor fi rezolvate utilizând analiza modală în cazul sistemelor cu

elemente elastice sau integrare numerică care poate fi aplicată pentru orice fel de sistem. Pot

fi folosite două tipuri de abordări determinate de sistemele de ecuaţii obținute care pot fi

ecuații diferenţiale cuplate cu cele algebrice algebrice (DAE) sau ecuaţii diferenţiale ordinare

(ODE), [SCH 2006] care se obțin din cele precedente prin eliminarea forțelor de legătură.

Dacă se utilizează abordarea cu DAE, condițiile de legătură (3.4) sunt derivate de două

ori şi adăugate ecuaţiilor Newton-Euler (3.13), astfel:

x

qq

g

x

0

M

xt

ce

x

Tx

(3.16)

Sistemul (3.16) este instabil numeric datorită unor valori proprii zero, care

caracterizează mișcările rigide [EIC 1998], [SCH 2006].

Dacă se utilizează abordarea cu ecuaţii diferenţiale ordinare – ODE care se obțin prin

eliminarea forțelor de legătură, folosind ortogonalitatea dintre forțele de legătură și deplasările

virtuale compatibile cu legăturile, 0QJT , se obțin un număr minim de ecuaţii, [SCH 2006]:

t,y,yqt,y,ykyt,yM . (3.17)

Pentru sistemele neolonome, 0QLT , se poate folosi ortogonalitatea,

corespunzătoare Principiului lui Jourdain şi ecuaţiile lui Kane. Forma explicită a

constrângerilor neolonome (3.9) trebuie adăugată, [SCH 2006]:

t,z,yyy , t,z,yqt,z,ykzt,z,yM . (3.18)

Ecuaţiile (3.17) şi (3.18) acum pot fi rezolvate utilizând orice metodă numerică de

integrare.

3.4.CINEMATICA DIRECTĂ ȘI INVERSĂ

Considerăm un lanț cinematic deschis, format din două legături unite de articulația

genunchiului, cupla femur-tibie. Acest lanț reprezintă membrul inferior uman fără mișcare în

articulația gleznei.

În figura 3.7 se cunosc 𝑙1 lungimea segmentului 1 – femurul, 𝑙2 lungimea segmentului

2 – tibiei, A articulația genunchiului și B punctul final al segmentului tibiei. De asemenea, se



23

dau și unghiurile din articulații, astfel ∝1 reprezintă unghiul articulației O și ∝2 unghiul

articulației A.

Lanțul cinematic deschis format din două legături este modelul cel mai simplu pentru

o extremitate umană. Considerăm extremitatea femurului fixă în articulația O (cum ar fi

articulația șoldului).

Problema cinematică directă

Dorim să determinăm poziția segmentului “final de acționare”, mai exact a punctului

B al lanțului nostru cinematic, și cunoaștem unghiurile ∝1 şi ∝2, lungimile 𝑙1 şi 𝑙2.

Ecuațiile parametrice ale punctelor A și B sunt, [ZAT 1998]:

XA=l1 cos ∝1

YA=l1 sin ∝1

XB=l1 cos ∝1+ l2 cos (∝1 +∝2)

YB=l1 sin ∝1+ l2 sin (∝1 +∝2)

(3.46)

Figura 3. 2. Modelul unui lanț cinematic deschis, format din două legături, adaptat după [ZAT

1998].

Astfel, problema cinematică directă are o soluţie unică, [ZAT 1998]:

[XB

YB] = [

cos ∝1 cos(∝1+∝2)

sin ∝1 sin(∝1+∝2)] ∙ [

l1l2

] (3.47)

Problema cinematică inversă

Soluția pentru cinematica inversă nu este unică, [ZAT 1998]. Lanțul cinematic poate fi

descris de poziția și lungimea vectorului care pleacă din originea O și extremitatea

segmentului final, punctul B. Dintanța OB (coordonatele XB și YB ) poate fi obținută cu



24

teorema sinusurilor. Unghiul genuchiului este π −∝2 și latura triunghiului OB este [ZAT

1998]:

OB=√[l12+l2

2-2∙l1 ∙ l2∙cos(π-∝2)] (3.48)

Această distanță o putem numi întindere, [ZAT 1998]. Mișcarea care crește sau

descrește această întindere se numește flexie sau extensie. O schimbare în orientarea

vectorului se numește rotație, [ZAT 1998].

3.5.CONCLUZII

A fost arătat cu anumite referințe că analiza mersul uman este o știință

interdisciplinară datând de două secole. La început principiile simple ale mecanicii au fost

folosite pentru a înțelege fenomenul fiziologic ale mersului normal la pas uman. Ulterior,

metode sofisticate de dinamică a sistemelor multicorp au fost folosite

Segmentele corpului uman sunt combinate în lanțuri cinematice. Un lanț cinematic

este considerat deschis atunci când la un capăt al acestuia (segmentul final) este liber să se

miște. În lanțurile cinematice închise, sunt impuse constrângeri la ambele capete ale lanțului.

Gradele de libertate reprezintă modul independent al corpului de a se mișca, unde

pentru corp rigid liber numărul total de grade de libertate este egal cu șase, trei grade de

libertate în mișcarea de translație și trei pentru mișcarea de rotație. Numărul total de grade de

libertate ale lanțului cinematic definesc mobilitate lanțului.

Interesul principal pentru studiul lanțurilor cinematice face referire la cinematica

directă, când cunoaștem coordonatele articulațiilor și dorim să determinăm poziția

segmentului “final de acționare”, și cinematica inversă, când cunoștem poziția segmentului

“final de acționare” și dorim să determinăm coordonatele articulațiilor.

4. DEZVOLTAREA UNUI SISTEM DE ANALIZĂ A

MIȘCĂRII CORPULUI UMAN UTILIZABIL ÎN MEDICINA

RECUPERATIVĂ

4.1. SISTEME DE ANALIZĂ A MIȘCĂRII UMANE

Persoanele cu tulburări locomotorii pot obține rezultate mai bune și mai rapide dacă o

analiză cantitativă a progreselor pacientului se realizează cu precizie. În prezent, există mai

multe sisteme capabile să capteze mișcările corpului uman, însă aceste instrumente pot fi

invazive, incomode și chiar costisitoare, reducând utilizarea și aplicarea acestei tehnologii în

timpul recuperării.



25

Recuperarea reprezintă o problemă importantă datorită impactului social implicat.

Oamenii trebuie să-și recupereze o parte sau toată mobilitate lor ca să fie incluși în societate și

să-și îmbunătățească calitatea vieții.

În acest domeniul recuperării, există mai multe tipuri de tratamente. Cel mai uzual este

gimnastica medicală. Aceasta este prescrisă după o evaluare de specialitate, care identifică

zonele slabe, restricțiile și disfuncțiile în mecanismul corpului și care necesită atenție

individuală.

În multe clinici nespecializate, evaluare dizabilităților, precum și progresele fiecărui

pacient sunt calitative, nu există nici un instrument de sprijin pentru cuantificarea disfuncției

și a progresului unui pacient. În ultimii ani, unul dintre obiectivele terapiei fizice este se a

trata pacienții ei înșiși, prin furnizarea de cunoștințe și instrumente inteligente capabile să

recupereze pacientul prin ședințe determinate în prealabil de către un fizioterapeut [PIN

2003].

Este clar că terapia de recuperare trebuie să evalueze și să analizeze obiectiv

performanța ședințelor de recuperare a pacienților, prescrise de fizioterapeut. Din acest motiv,

captura mișcării pacientului reprezintă o prioritate.

Tehnica se bazează pe urmărirea markerilor specifici prin senzori optici, cum ar fi

camere video, care captează markerii care sunt plasați în locuri specificate asupra corpului

uman.

Există sisteme comerciale care folosesc această tehnică de analiza mișcării umane cum

ar fi Sistemul Ariel de analiză (APAS) [*ari 2013], creat de Ariel Dynamics Company. Acest

sistem digitalizează obiectivele, fie introduse manual de către utilizator sau capturate în mod

automat de către markeri. APAS este un sistem bazat pe analiza mișcării în trei dimensiuni.

Acest sistem oferă date obiective, care sunt folosite de către diferiți terapeuți profesioniști

pentru a justifica sau evalua diferite tratamente. Se aplică în domeniul biomedical, precum și

în industrie. Acest sistem este folosit în laboratoare de analize a mersului, pentru evaluarea

invalidității și recuperării. Cu toate acestea, costul este ridicat.

Hibridul Polaris [*ndi 2013], proiectat de compania Nord Digital, utilizează atât:

markeri activi (LED-uri infraroșii) și markeri pasive (sfere reflectorizante). Cu markeri activi

și pasivi, senzorul de poziție primește lumină de la markerii. Sistemul Polaris triangulează

poziția și orientarea 3D a unui instrument pentru a oferi 6 grade de libertate.

4.2. PROGRAME DE RECUPERARE POSTOPERATORII.

TERMINOLOGIE SPECIFICĂ 4.2.1.

În cele ce urmează sunt prezentate câteva definiții necesare pentru înțelegerea

noțiunilor specifice diverselor concepte de kinetoterapie.

Dumitru Moțet [MOȚ 2010], definește recuperarea medicală ca "activitate complexă

medicală, educațională şi profesională prin care se urmăreşte restabilirea cât mai deplină a



26

capacităților funcționale reduse sau pierdute de către o persoană, în urma unor boli

congenitale sau dobândite, precum şi dezvoltarea nervoasă compensatorie şi de adaptare".

respectiv "o viață activă cu independență economică şi/sau socială". Astfel, se urmăreşte

recâștigarea funcționalității pierdute a membrului inferior afectat (parțial sau total) prin

utilizarea diverselor mijloace terapeutice.

Kinetoterapia „studiază mecanismele neuromusculare şi articulare care asigură

omului mişcările (activitățile motrice) normale, în acelaşi timp, studiind şi elaborând

principiile de structurare a unor programe care se adresează organismului uman, atât din punct

de vedere profilactic, cât şi din punct de vedere terapeutic şi recuperator. Este o disciplină

ştiințifică cu caracter aplicativ bine definit, având un obiect propriu de studiu: menținerea şi

dezvoltarea unor indici morfologici şi funcionali normali, prin mijloacele specifice (exercițiul

fizic ca element de bază), la persoane în situaii biologice speciale”, [MÂR 2012], [MOȚ

1995].

Recuperarea este definită ca "un proces sau acțiune având ca scop revenirea la starea

de sănătate şi la o capacitate de efort satisfăcătoare",[MÂR 2012], [MOȚ 2010].

Reeducarea este definită ca "ansamblul mijloacelor şi îngrijirilor destinate să permită

restabilirea, totală sau parțială, a funcțiilor afectate după o boală invalidantă (motorie sau

psihomotorie); poate fi reeducare fizică, funcțională, locomotorie, a mersului, profesională,

vocală", [MOȚ 2010] [MÂR 2012].

Amplitudinea mişcării reprezintă o "caracteristică a mişcării, constând în deplasarea

maximă care poate fi realizată în planul de execuție al mişcării respective. Aceasta depinde în

cea mai mare măsură de forma extremităților osoase care se articulează", [MOȚ 2009], [MÂR

2012].

Contracția izometrică (statice) reprezintă acea contracție în timpul căreia crește

tensiunea în mușchi, dar lungimea mușchiului nu suferă modificări, [HAN 2013], [MÂR

2012].

Lanțul muscular reprezintă "ansamblu de grupe musculare care intră în contracție

succesiv, punând în mişcare lanțurile cinematice. Fiecare mişcare are lanțul său muscular care

o asigură", [ALE 2002], [MÂR 2012].

Mobilitate este o "caracteristică a motricității exprimată prin amplitudinea mişcărilor

efectuate. Mobilitatea depinde de factori articulari (forma suprafețelor articulare, starea

capsulei şi a ligamentelor) şi de factori musculari (forța musculaturii agoniste, suplețea

musculaturii antagoniste). Vârsta, inactivitatea şi temperatura scăzută diminuează mobilitatea,

iar antrenamentul şi încălzirea o măresc”, [ALE 2002], [MÂR 2012].

Ortostatism reprezintă susținerea corpului uman în poziția verticală “în care acesta se

sprijină în mod egal pe ambele picioare”. După naştere, în primii doi ani de viață această

poziție se dobândeşte treptat, [ALE 2002], [MÂR 2012].

Transferul este procesul prin care bolnavulului i se modifica poziția în spațiu sau se

mută de pe o suprafață pe alta. Altfel spus, reprezintă secvențele de mişcare care au loc atât

înainte, cât şi după realizarea transferului, [HAN 2013], [MÂR 2012]. Acestea sunt clasificate

de la bolnav după posibilitatea și capacitatea bolnavului de a asista la acțiune



27

PROGRAME DE RECUPERARE LA PACIENȚII CU 4.2.2.

GONARTROZĂ OPERATĂ

Genunchiul este sensibil traumatismelor directe, cât și indirecte, mai ales lipsei de

protecție, fiind acoperit de țesuturi moi, dar și prin poziția sa, de articulație intermediară și

funcția lui în biomecanica statică și dinamică a membrului inferior. El este reprezentat de cea

mai mare articulație a corpului omenesc, unde putem găsi toate traumatismele și vătămarea

tuturor structurilor anatomice, [SBE 1981].

În timpul mersului, genunchiul are rol dublu, și anume de a asigura statica print-o

stabilitate în momentul de sprijin și de a asigura elevația piciorului în cazul denivelărilor în

momentul de balans. În viata de zi cu zi, are o funcție importantă prin activitățile cotidiene

(așezarea, statul și ridicarea pe un scaun, urcarea și coborârea treptelor etc.) sau activități

profesionionale (exemple relevante le avem în cazul atleților).

Durerea care intervine în traumatismele genunchiului poate afecta funcționarea

acestuia. Obținerea indolorității devine un obiectiv de prim ordin în programele de

recuperare, deoarece durerea poate determina funcționarea anormală a genunchiului și

limitarea posibilității de recuperare a sechelelor posttraumatice.

Genunchiului îi poate fi limitată mobilitatea în urma oricărui tip de traumatism. O

mobilitatea limitată a genunchiului va produce o disfuncționalitate a oricui tip de activitate

normală, fie ea cotidiană sau profesională. Totuși, instabilitatea genunchiului este mult mai

gravă decât mobilitatea. Bolnavilor, în urma traumatismelor suferite, li se recomandă mișcare,

care poate fi efectuată pe scaun, la sol, în apă, pe pat etc. Din păcate nu li se explică ce

reprezintă mișcarea simplă (exercițiu izoton, dinamic), și anume că realizează mobilizarea

articulară și nu dezvoltarea de forță, care este necesară creșterii stabilității. Cunoscând

aceastea nu diminuăm importanța recuperării mobilității genunchiului, și nici a unghiurilor

fiziologice ale activităților de mișcare, [AMA 2010], [NEM 2010], [SBE 1981], [SBE 2002].

Gonartroza a devenit o afecțiune ortopedo-chirurgicală, fiind impunătoare recuperarea

postoperatorie a performanței funcționale a aparatului locomotor, al pacienților. Intervenția

chirurgicală este dificilă, dar proteza are avantajul de recuperare funcțională a genunchiului,

implicit a membrului inferior prin indoloritate, stabilitate, mobilitate și evident prin

recuperarea mersului. Planificarea preoperatorie reprezintă începutul recuperării pacienților

care urmează să fie supuși intervenției chirurgicale, [AMA 2010], [NEM 2010], [SBE 1981],

[SBE 2002].

În programul de recuperare introducerea sau eliminarea anumitor exerciții speciale de

gimnastică, se face doar în funcție de tipul afecțiunii care a determinat tulburări ale aparatului

locomotor uman. Programele de recuperare pot fi clasificate astfel:

1. Program de recuperare preoperator

Preoperator se poate începe recuperarea pacienților cu tonifierea grupelor musculare

ale membrului inferior afectat, care este deosebit de importantă. Aceste exerciții învățate de

bolnav în perioada preoperatorie vor fi efectuate și în recuperarea postoperatorie:

- Exerciții de contracții izometrice ale mușchiului cvadriceps;



28

- Program de gimnastică respiratorie;

- Mișcări ale membrelor inferioare.

Masajul terapeutic efectuat înaintea sau după exercițiile de tonifiere musculară are ca

obiectiv diminuarea durerii și facilitarea circulației, [AMA 2010], [NEM 2010], [SBE 1981].

2. Program de recuperare postoperator precoce (zilele 1-5 postoperator)

Programele de recuperarea a membrelor inferioare urmăresc susținerea și refacerea cât

mai rapidă a condițiilor de desfășurarea normală a funcției membrului inferior, și reluarea

activităților cotidiene normale, cum ar fi mersul. Exercițiile învățate de bolnav în perioada

preoperatorie vor fi efectuate în perioada de recuperare postoperatorie.

Kinetoterapia este începută din ziua a doua postoperator, la patul pacieților. Sunt

încurajate spre efectuare contracțiile izometrice, mobilizări de flexie – extensie ale gleznei și

mobilizări laterale ale rotulei, cu repetiții de 10 ori/ oră pentru prevenirea de stază venoasă.

De asemenea, se efectuează, sub supraveghere medicului kinetoterapeut, mișcări de flexie –

extensie pasive și activ-asistate ale genunchiului, dar cu o constrangere de a nu se depăși 60°

flexie în primele zece zile. Exerciții de contracții izometrice pentru cvadriceps, fesieri și

ischiogambieri sunt efectuate în seturi pentru a preveni atrofierea musculară. Se recomandă

efectuarea acestor seturi de exerciții individual, de către pacienți. Efectuarea acestor seturi de

exerciții se face la început prin 10 repetiții, ulterior mărindu-se numărul acestora la 20

repetiții, de 3 ori pe zi, [AMA 2010], [NEM 2010].

Figura 4. 1. Reeducarea mersului cu ajutorul cadrului de mers fără rotile



29

În această perioadă este continuată mobilizarea la pat a pacienților și este realizată

evoluția transferurilor, din poziția de decubit - șezând întins în pat, în poziție de sezând la

marginea patului și ulterior în poziție de ortostatism, [NEM 2010], [SBE 1981].

Din ziua a doua sau a treia postoperator se poate începe reeducarea mersului. La

început se va folosi un cadru de mers (vezi figura 4.3.), recomandabil cu rotile, cu înălțime

reglabilă (se recomanda vârstnicilor) și supraveghere a kinetoterapeutului [AMA 2010].

3. Program de recuperare postoperator precoce (zilele 6-14 postoperator),

intraspitalicesc

În programul de kinetoterapie se efectuează, sub supraveghere, verticalizare și sprijin

pe membrul inferior afectat, progresiv. În această perioadă se continuă mersul cu folosirea

cadrului de mers.

Independența bolnavului este facilitată de obținerea flexiei genunchiului. Pentru

realizarea activităților cotidiene este necesar un minim de 90° flexie a genunchiului, 65°

flexie pentru realizarea balansului în mersul normal și 105° pentru ridicarea de pe scaun, în

condiții favorabile, [AMA 2010].

Bolnavul va fi externat doar atunci când este stabil din punct de vedere medical.

Bolnavul trebuie, din punct de vedere al recuperării, să poată efectua 80 − 90° flexie a

genunchiului, să poată efectua independent următoarele transferuri: din decubit dorsal în

poziția de șezând, din poziția de șezând în poziția de ortostatism, mersul pe distanțe mici -

circa 30 m, urcatul – coborâtul scărilor (vezi figura 4.4.), la început folosind sprijinul barelor

paralele, treaptă cu treaptă.

Reeducarea mersului va fi continuată cu supravegherea kinetoterapeutului și cu

folosirea unui cadru de mers, unde se va mări distanța și timpul de mers. Se dorește ulterior

folosirea a două cârje, cu încărcarea progresivă a membrului inferior protezat. Exerciții

izometrice pentru cvadriceps, fesieri și ischiogambieri trebuie continuate, [AMA 2010],

Figura 4. 2. Urcatul – coborâtul scărilor, adaptat după [*joi 2014]



30

[NEM 2010]. Se realizează exerciții active de ridicare a membrului inferior afectat cu

genunchiul întins, [AMA 2010].

4. Program de recuperare postoperator extraspitalicesc (săptămânile 2-3

postoperator)

Se vor iniția exerciții de gimnastică medicală recuperatorie, progresiv activ – asistate

și active pentru a împiedica limitarea flexiei genunchiului. Astfel, se vor efectua repetări de

exerciții din poziția de ortostatism, într-un lanț cinematic deschis: membrele superioare se vor

sprijini de spătarul unui scaun, iar bolnavul va flexa activ genunchiul membrului inferior

afectat încercând să aproprie călcâiul de fese. Trunchiul trebuie menținut în poziție dreaptă,

[SBE 2002], [AMA 2010].

Într-un lanț cinematic închis, în poziție de ortostatism, bolnavul își așează membrul

inferior afectat pe o treaptă sau pe un stepper, iar mâinile le așează pe genunchi înclinându-se

asupra membrului inferior afectat pentru o flexie mai mare a genunchiului, [AMA 2010],

[NIC 2003], [SBE 2002].

Gimnastica medicală de recuperare se continuă cu exerciții progresive de flexie –

extensie a articulației genunchiului, din diferite poziții ale corpului: șezând la marginea

patului sau pe scaun, din decubit ventral sau dorsal etc, [AMA 2010], [NEM 2010], [NIC

2003].

Creșterea forței musculare se realizează cu exerciții efectuate în lanț cinematic deschis

cât și în lanț cine matic închis. Exercițiile în lanț cinematic deschis pot fi:

- din poziția de șezut, pe scaun sau la marginea patului, se realizează ridicarea în

ortostatism fără ajutorul membrelor superioare;

- urcarea progresivă controlată se efectuează de către bolnav cu membrul inferior

afectat, [AMA 2010].

Exercițiile în lanț cinematic închis sunt productive în creșterea forței musculare a

stabilizatorilor genunchiului:

- semi – genoflexiuni care sunt efectuate din poziția de ortostatism cu sprijin la

palier.

Se vor efectua exersările ale mersului cu o singură cârjă, care va fi folosită pe partea

opusă membrului inferior afectat/ protezat, [AMA 2010], [NIC 2003], [SBE 1981].

5. Program de recuperare postoperator avansată (săptămânile 3-8 postoperator)

În acest moment al recuperării postoperatorie obiectivele pricipale sunt de normalizare

a mersului, recăpătare a independeței totale a bolnavului, îmbunătățirea echilibrului, creșterea

forței musculare și a amplitudinii de mișcare articulară a genunchiului, de recăpătare a

funcționalității oricui tip de activitate normală, fie ea cotidiană sau profesională.

Pacientul trebuie să poată efectua mersul în comunitate/ societate și să câștige

independență în deplasarea în afara locuinței prin folosirea mijloacelor ajutătoare, [AMA

2010], [NEM 2010].

Terapia este canalizată către progresul distanței, echilibru și independența mersului,

urcatul și coborâtul treptelor fără utilizarea mijloacelor ajutătoare, creșterea flexibilității



31

membrului inferior protezat, a amplitudinii de mișcare cât și a forței musculare, [NIC 2003],

[SBE 2002].

Numărul repetițiile exercițiilor efectuate în programul de gimnastica medicală de

recuperare va crește progresiv. Terapiei de recuperare acum trebuie să includă și activități

reduse de condiționare aerobică, cu rol de control al greutății corporale prin menținerea sau

chiar reducerea acesteia, cum ar fi bicicleta ergonomică, înotul terapeutic, plimbatul – mersul

la pas pe covorul rulat, [AMA 2010], [SBE 1981].

4.3. PARAMETRII DE MIȘCARE

Având în vedere obiectivul principal tezei și echipamentul din dotarea

Departamentului de Inginerie s-a realizat analiza experimentală a activităţii în timpul mersului

normal, la pas, pe un număr de 2 subiecți cu disfuncționalități locomotorii. Baza de date,

obținută în urma procesării materialelor video, este realizată din valori numerice ale

coordonatelor deplasării markerilor în timp.

Analiza mișcării umane cu markeri se realizează pentru aparatul locomotor uman, mai

exact pentru un picior. Sistemul de captură a mișcării umane utilizat este realizat dintr-o

singură cameră de mare viteză AOS X – PRI și cu Adobe After Effects am obținut datele

experimentale. Celor doi subiecți li s-au atașat markeri (de culoare contrastantă) la articulațiile

membrului inferior urmărit: glezna, genunchi și șold.

Filmările au fost realizate cu 63 de cadre pe secundă, captura mișcării realizându-se

din momentul plecării fiecărui subiect de pe loc, iar camera a înregistrat planul sagital al

subiecților în timpul deplasării acestora, de mers normal la pas, pe o distanță trasată pe

suprafața de deplasare. Subiecții au fost monitorizați timp de două luni, câte cinci întâlniri.

Astfel, s-au obțiut coordnatele articulațiilor gleznă, genunchi și șold, pentru fiecare

subiect, iar aceste date experimentale au fost centralizate într-o bază de date utilă pentru

analize ulterioare.De asemenea, s-a creat o bază de date formată din coordonatele

traiectoriilor centrelor articulare studiate, numai pentru pasul 2, pentru fiecare subiect.

Pentru uşurarea calculului şi stabilirea unui model matematic vom folosi câte un

material video al fiecărei întâlniri pentru fiecare subiect.

REALIZAREA UNEI BAZE DE DATE CU COORDONATELE 4.3.1.

MARKERILOR

Pentru obținerea datelor experimentale au fost procesate materialele video obținute cu

63 de cadre pe secundă și astfel s-au determinat coordonatele deplasării markerilor în timp.

Coordonatele orizontale și verticale ale markerilor (gleznă, genunchi şi şold), atașați

membrului inferior afectat, au fost salvate în trei tabele în format xlsx al programului de lucru

tabelar Microsoft Excel, pentru fiecare filmare în parte.



32

În tabelul 4.1 sunt prezentate coordonatele celor trei markeri ai subiectului 1, la

întâlnirea 5, doar pentru un pas, pasul numărul 2 .

Tabelul 4. 1. Coordonatele markerilor pentru un pas, pentru subiectul 1, întâlnirea 5.

Subiectul 1, întâlnirea 5

coordonată pentru

gleznă

coordonată pentru

genunchi

coordonată pentru

șold

X Y X Y X Y

664.73 434.32 622.88 295.87 597.36 117.21

664.73 434.32 622.88 295.87 597.36 117.21

664.45 434.07 620.34 295.99 594.85 117.75

664.45 434.07 620.34 295.99 594.85 117.75

663.99 433.66 618.18 296.06 592.71 117.97

663.99 433.66 618.18 296.06 592.71 117.97

663.40 432.93 616.07 296.11 590.39 118.35

663.40 432.93 616.07 296.11 590.39 118.35

663.04 432.29 614.03 295.98 588.11 118.59

663.04 432.29 614.03 295.98 588.11 118.59

662.44 431.02 612.02 295.39 585.97 118.67

662.44 431.02 612.02 295.39 585.97 118.67

661.80 429.99 610.03 295.08 583.43 118.66

661.80 429.99 610.03 295.08 583.43 118.66

660.91 428.59 608.02 294.32 581.40 118.51

660.91 428.59 608.02 294.32 581.40 118.51

660.01 427.13 605.97 293.94 579.39 118.20

660.01 427.13 605.97 293.94 579.39 118.20

658.87 425.82 603.18 293.18 578.08 117.57

658.87 425.82 603.18 293.18 578.08 117.57

657.69 424.14 600.93 292.43 576.16 116.79

Am realizat o corespondență între lungimile în pixeli ale segmentelor tibiei și

femurului ale subiecților (care reprezintă lungimea văzută în imagine) și lungimile acestor

segmente reale, pentru reprezentarea matematică corectă. Spre exemplu, pentru subiectul 1

care are lungimea tibiei de 40 cm s-a obținut un coeficient de corelație între pixeli - metrii de

0.002985, iar pentru subiectul 2 care are lungimea tibiei de 36 cm coeficientul de corelație

este de 0.003273. Acești coeficienți nu influențează calculele cercetării, dar s-a ținut cont de

valoarea fiecărui coeficient pentru fiecare subiect.



33

Figura 4. 3. Graficul traiectoriei markerului gleznei realizat cu programul Matlab

Pentrul importul datelor experimentale din Excel, specifice fiecărui subiect în parte,

folosind Matlab am realizat un program simplu pentru realizarea graficelor deplasărilor

fiecărui marker în parte.

În figura 4.6 este prezentat graficul realizat cu programul Matlab pentru subiectul 1,

reprezentând coordonatele markerului gleznei, la o trecere prin fața camerei.

De asemenea, am realizat un program și pentru ilustrarea diferențelor care există între

cei trei markeri ale articulațiilor membrelor inferioare monitorizate la diferite întâlniri, vezi

figura 4.7).

În figura 4.7 este prezentată evoluția markerilor gleznei, genunchiului și șoldului

pentru subiectul 1 pe perioada monitorizării acestuia, întâlnirea 4 și 5, prima trecere. Se poate

observa cu ochiul liber că traietoriile markerilor prezintă diferențele între cele două întâlniri,

că piciorul în întâlnirea 5 are redobândită o flexie a articulației genunchiului mai bună decât la

întâlnirea 4.

Figura 4. 4. Evoluţia în timp a markerilor pentru subiectul 1



34

MODELUL DINAMIC 4.3.2.

În capitolul anterior au fost stabilite pozițiile markerilor în timp care reprezintă

parametrii mișcării. Modelul simplificat al lanțului cinematic analizat este prezentat în figura

4.8.

A fost propus un model cu două elemente, cu mișcare plan paralelă. Modelul are două

grade de libertate și prezintă mișcarea membrului inferior.

Cele două elemente sunt unite de articulația genunchiului și reprezintă cupla femur-

tibie. Acest lanț reprezintă membrul inferior uman fără mișcare în articulația gleznei.

Se cunosc 𝑙1 lungimea segmentului 1 – femurul, 𝑙2 lungimea segmentului 2 – tibiei, B

articulația genunchiului iar A articulația șoldului, unde considerăm extremitatea femurului

fixă. Unghiul ∝ reprezintă unghiul făcut de femur cu verticala iar 𝛽 unghiul făcut de

segmentul piciorului cu verticala.

Figura 4. 5. Modelul dinamic folosit pentru definirea parametrilor mișcării

Dinamica directă

sinla1ycosla1xsinlaycoslaxMJ

Gyyym

xxxm

11B11B11A11A111

1BA11

BA11

(4.1)

sinlaycoslaxMJ

Gyym

xxm

22B22B222

2B22

B22

(4.2)

Prin derivarea lui α și β obținem:

2

1

(4.3)



35

22

11

(4.4)

2

2

2

1

1

1

2

2

2

1

1

1

y

x

y

x

J00000

0m0000

00m000

000J00

0000m0

00000m

sinlaycoslaxM

Gy

x

sinla1ycosla1xsinlaycoslaxM

Gyy

xx

22B22B2

2B

B

11B11B11A11A1

1BA

BA

(4.5)

coslay

sinlax

111

111 (4.6)

coslacosly

sinlasinlx

2212

2212 (4.7)

sinlay

coslax

1111

1111

(4.8)

sinlasinly

coslacoslx

222112

222112

(4.9)

coslasinlay

sinlacoslax

21111111

21111111

(4.10)

coslasinlacoslsinly

sinlacoslasinlcoslx

2222222

211112

2222222

211112

(4.11)

22

21

221

221

11

11

2

1

221

221

11

11

2

2

2

1

1

1

00

coslacosl

sinlasinl

00

0cosla

0sinla

10

sinlasinl

coslacosl

01

0sinla

0cosla

y

x

y

x

(4.12)



36

10

sinlasinl

coslacosl

01

0sinla

0cosla

J00000

0m0000

00m000

000J00

0000m0

00000m

1sinlacosla000

0sinlcosl1sinlacoslaJ

221

221

11

11

2

2

2

1

1

1

2222

111111

(4.13)

00

coslacosl

sinlasinl

00

0cosla

0sinla

J00000

0m0000

00m000

000J00

0000m0

00000m

1sinlacosla000

0sinlcosl1sinlacosla'J

221

221

11

11

2

2

2

1

1

1

2222

111111

(4.14)

Q'JJ2

2

(4.15)

2

1

22B22B2

2B

B

11B11B11A11A1

1BA

BA

2222

111111

Q

Q

sinlaycoslaxM

Gy

x

sinla1ycosla1xsinlaycoslaxM

Gyy

xx

1sinlacosla000

0sinlcosl1sinlacoslaQ

(4.16)

22222

1211111

MsinlaGQ

sinlGMsinlaGQ (4.17)

22

22222122

21222121

21

211

lamJcosllam

cosllamlmJlamJ (4.18)

0sinllam

sinllam0'J

2122

2122 (4.19)



37

Dinamica inversă

2

1

222

12111

2

2

M

M

sinlaG

sinlGsinlaG'JJ

(4.20)

sinlaG

sinlGsinlaG'JJ

M

M

222

12111

2

2

2

1

(4.21)

INTERPOLAREA ȘI APROXIMAREA POLINOMIALĂ 4.3.3.

Cu ajutorul datelor experimentale am realizat traiectorii ale funcțiilor care reprezintă

coordonatele traiectoriilor markerilor articulațiilor membrului inferior afectat. Cum aceste

funcții nu sunt cunoscute, ele fiind definite dor prin valorile lor în anumite puncte

aproximarea acestora în formă numerică este necesară.

Interpolarea reprezintă modul de calcul al unui nou punct care să se suprapună între

două puncte deja cunoscute.

Se pune problema determinării unui polinom y(x),

y(x)=a1x9+a1x8+a3x7+a4x6+a5x5+a6x4+a7x3+a8x2+a9x+a10 (4.22)

Proiecția vitezei unui punct, pe oricare din axele X sau Y, reprezintă derivata de ordin

întâi a coordonatei corespunzătoare punctului în raport cu timpul.

y(x)=9a1x8+8a

2x

7+7a3x6+6a4x

5+5a5x4+4a6x

3+3a7x

2+2a

8x+a

9 (4.23)

Vectorul accelerației unui punct este egal cu derivata de ordin doi în raport cu timpul,

al vectorului de poziției al acestui punct.

y(x)=72a1x7+56a2x6+42a3x5+30a4x4+20a5x3+12a6x2+6a7x+2a8 (4.24)

Soluția acestui sistem este dată de coeficienții polinomului de aproximare căutat.

Coeficienții i-am obținut parcurgând următoarele etape:

1. Prin apelarea comenzii “cftool” în programul prezentat în figura 4.5, se deschide

Curve Fitting Tool care reprezintă o interfață grafică cu care putem încărca datele

din spațiul de lucru. Funcția “cftool” permite o aproximare polinomială,

exponențială etc., a datelor de tipul x și y. În figura 4.9 se poate observa interfața

pentru “cftool”, unde optăm pentru submeniul “Data”, [MIH 2014].

2. Din fereastra submeniului “Data” încărcăm datele x și y din spațiul de lucru.

Ulterior, apelăm “Create data set” și “View” pentru a putea vizualiza grafic și

numeric datele, vezi figura 4.9.

3. Prin selectarea submeniului “Fitting” se deschide o fereastră de dialog în care

selectăm, după cum se poate observa și în figura 4.10, tipul polinomial de gradul 9

de aproximare, iar prin apăsarea pe “Apply” se vor returna informații numerice și

grafice. În fereastra de dialog “Fitting” se vor afișa informațiile numerice (figura

4.10), care reprezintă coeficienții funcției de regresie și intervalul de încredere.



38

Informația grafică (figura 4.11) se afișează în fereastra principală a “cftool-ului” și

este reprezentată sub formă unei curbe de aproximare alături de datele

experimentale care sunt reprezentate prin puncte, cadru cu cadru. Această

informație poate fi salvată sub forma unei imagini.

Figura 4. 6. Interfața “cftool”

4. Pentru cei doi subiecți sunt prezentate informațiile grafice și numerice obținute

în urma apelării comenzii “cftool” pentru cei trei marker. Aceste informații sunt

prezentate doar pentru prima întâlnire, prima trecere pentru cei doi subiecți.

Figura 4. 7. Interfața “Fitting”. Afișarea informațiilor numerice



39

Figura 4. 8. Informația grafică rezultată în urma utilizării polinomului de grad 9 pentru

markerul gleznei al subiectului 1, păsul numărul 2, prima întâlnire, prima trecere.

Coeficienții polinomului de grad 9 și intervalul de încredere obținuți în urma utilizării

polinomului de grad 9 pentru markerul gleznei al subiectului 1, păsul numărul 2, prima

întâlnire, prima trecere, sunt prezentați mai jos:

Linear model Poly9:

f(x) = p1*x^9 + p2*x^8 + p3*x^7 + p4*x^6 +

p5*x^5 + p6*x^4 + p7*x^3 + p8*x^2 + p9*x + p10

Coefficients (with 95% confidence bounds):

p1 = 2.07e+004 (1.279e+004, 2.861e+004)

p2 = -1.764e+005 (-2.404e+005, -1.125e+005)

p3 = 6.603e+005 (4.32e+005, 8.887e+005)

p4 = -1.425e+006 (-1.898e+006, -9.516e+005)

p5 = 1.953e+006 (1.326e+006, 2.579e+006)

p6 = -1.764e+006 (-2.313e+006, -1.214e+006)

p7 = 1.049e+006 (7.299e+005, 1.369e+006)

p8 = -3.967e+005 (-5.153e+005, -2.78e+005)

p9 = 8.642e+004 (6.087e+004, 1.12e+005)

p10 = -8267 (-1.07e+004, -5837)



40


markerul genunchiului al subiectului 1, păsul numărul 2, prima întâlnire, prima trecere.


markerul șoldului al subiectului 1, păsul numărul 2, prima întâlnire, prima trecere.

În continuare, pentru subiectul 2 sunt prezentate, informațiile grafice și coeficienții

polinomului și intervalul de încredere obținuți în urma utilizării polinomului de grad 9, păsul

numărul 2, pentru markerul gleznei, genunchiului și al șoldului la toate cele cinci întâlniri.


markerul gleznei subiectului 2, păsul numărul 2, prima întâlnire, prima trecere



41

4.4. CONCLUZII

Recuperarea postoperatorie este deosebit de importantă, iar programele postoperatorii

de recuperare a pacienților cu tratament chirurgical la nivelul genunchiului a variat destul de

mult în decursul timpului. Inițial cercetările recomandau un repaus de 1-3 săptămâni înaintea

de începerea programelor de recuperare (chiar și a celor în care pacientul efectuează pasiv

exercițiile, cu ajutorul medicului kinetoterapeut), iar în prezent se recomandă un repaus de

aproximativ 3-7 zile după intervenția chirurgicală.

Chiar și la centrelele de recuperare, aceste programe se dau spre a fi efectuate de către

pacienți în funcție de afecțiunea fiecăruia și ținându-se foarte puțin cont de anumite criterii,

cum ar fi: vârstă, sexul, kilogramele, înălțimea fiecăruia, care sunt deosebit de importante.

Personalizarea programului de recuperare este făcută de către medic pe baza propriei

experiențe și cunoștințe medicale, unde medicul poate observa evoluția mișcării și recuperarea

fiecărui pacient doar cu ochiul liber. Acest motiv m-a determinat să elaborez această cercetare

spre a-i oferă medicului kinetoterapeut, pe lângă cunoștințe medicale și date experiementale,

pentru o personalizare corectă a programelor de recuperare și evident o recuperare într-o

perioadă de timp optimă, fiecărui pacient în parte.

5. ÎNREGISTRĂRI ŞI VERIFICĂRI EXPERIMENTALE

5.1. INTRODUCERE

În acest capitol, s-au realizat experimente, în care sunt prezentate captura și analiza

mișcării persoanelor care suferă de gonartroză și care au fost tratat chirurgical cu proteză

totală de genunchi.

Studiul a fost aprobat și de Comisia de Etică a Cercetării din Facultatea de Medicină,

Universitatea Transilvania din Braşov, iar subiecții au dat consimțământul informat în scris.

Subiecții au fost recrutați cu ajutorul domnului şef lucrări dr.med. Radu NECULA, secția

Ortopedie- Traumatologie, Facultatea de Medicină Braşov, Universitatea Transilvania din

Brașov, cu care am colaborat la acest studiu.

Genunchiul este articulația cea mai complexă a corpului uman, fiind segmentul mobil

al aparatului locomotor. Articulația genunchiului leagă femurul de tibie. Ea este supusă la

solicitări mecanice atunci când efectuează funcția biomecanică, iar dacă sunt existente și

leziuni solicitările mecanice sunt ridicate. Probleme ale cartilajului și leziuni ale ligamentelor

sunt tratate chirurgical, folosind proteze, în cazul osteoartritelor sau folosind grefe pentru

înlocuirea ligamentelor, în cazul reconstrucției de ligamente.

Tratamentul chirurgical pentru diverse leziuni la nivelul articulației genunchiului

implică chirurgie, fizioterapie și reabilitare pentru a restabili performanța funcțională a

aparatului locomotor a pacientului. Chirurgul ortoped trebuie să planifice o intervenție

chirurgicală cu scopul de a obține rezultate bune postoperatorii. Astfel, și planificarea

preoperatorie este o etapă critică în selectarea tehnicii chirurgicale și în definirea parametrilor



42

care vor fi utilizați în intervenția chirurgie, pentru fiecare pacient în parte, și care astfel, poate

afecta în mod direct rezultatele tratamentului chirurgical.

Genunchiul permite membrului inferior să se deplaseze în raport cu femurul susținând

greutatea corpului. Mișcările efectuate în articulația genunchiului sunt fundamentale pentru

multe activități de zi cu zi, începând cu mersul la pas, alergarea, așezarea pe un scaun etc.

Gonartroza este o afecțiune degenerative localizată la nivelul genunchiului. Frecvența

gonartrozelor este superioară celorlalte artroze. Statistic, ea apare, în general, între 40 și 70 de

ani, iar potrivit lui Heine (1926) pe 190 de genunchi, statistică efectuată pe persoane

autopsiate cu vârsta peste 70 de ani, incidența gonartrozelor la bărbați este de 20% și la femei

de 42%, [DEN 76].

Gonartroza reprezintă rezultatul unui dezechilibru functional între rezistența

structurilor articulare și tensiunile exercitate asupra lor. Cea mai frecventă cauza, dar și cea

mai cunoscută, este cea de rupere a echilibrului articular prin supraîncărcarea solicitărilor

mecanice, care poate fi intraarticulară (prin condiții mecanice defectuase se crează un

surmenaj funcțional) sau extraarticulară (prin: deformarea genunchiului care provoacă

deviația axului mecanic al membrului inferior spre partea concavă; supraîncărcarea statică și

dinamică a genunchiului determinată de defecte anatomic; etc. [DEN 76].

În cazurile studiate în această lucrarea, dar și în marea majoritate a cazurilor, debutul

bolii a fost progresiv și însoțit de apariția durerilor. Durerea a fost una de tip mecanic, și a fost

provocată în timpul ciclurilor de mers, acută la primii pași, dar care a apărut și după un efort

prelungit. Deplasarea a fost însoțită uneori de senzația de instabilitate și blocaj articular, flexia

membrului inferior în timp fiind limitată progresiv. Mersul persoanelor care suferă de

gonartroză netratată determină șchiopătat și durere, datorită instabilității genunchiului și

limitării extensiei [DEN 76], accentuarea deformațiilor și limitarea deplasărilor. Tratamentul

diferă de cauza și de stadiul evolutiv al gonartrozei. Tratamentul poate fi medical

(hormonoterapie, anabolizate, medicație analgezică sau antiinflamatoare, pe baza de iod sau

sulf etc.), tratament de fizioterapie, kinetoterapie și tratament chirurgical.

Subiecții analizați în cadrul acestei lucrări au fost tratați chirurgical. Astfel, s-a

încercat cu ajutorul operațiilor intraarticulare, corectarea tulburărilor morfologice ale

genunghiului prin indepărtarea țesuturilor degenerate pentru a se permite regenerarea

articulară [DEN 76]. Cu proteză totală de genunchi MC2 Biotechnic cu platou mobil și

stabilizare posterioară s- a înlocuit articulația genunchiului la ambii subiecți. Menționez că la

ora actuală, la noi în țară se folosesc în cadrul operațiilor de protezare a genunchiului doar

această proteză.

Protezarea genunchiului implică înlocuirea articulației naturale a genunchiului cu un

implant artificial, compus dintr-o piesă femurală, una tibială, un platou mobil si patelă.

Esențială în artroplastia genunchiului este atingerea unei congruențe perfecte a acestor

componente, iar în acest caz proiectarea implantului are un impact covărșitor, [*rom 2014].

În prezent, cercetările care să urmărească posibilele perturbări de echilibru în perioada

postoperatorie a pacienților operați pentru gonartroza în stadiu avansat sunt limitate și puține.

Studiile existente sunt orientate pe eficienţa intervenţiilor chirurgicale, pe materialelor folosite



43

în fabricarea protezelor, dar studii cu privire la reeducarea funcţională a pacienţilor nu s-au

făcut, tocmai de aceea la ora actuală nu există programe standardizate de recuperare.

Specialiștii prezintă doar indicaţii pentru momentul reluării sprijinului, pentru gesturile zilnice

care sunt permise sau nu, și cîteva descrieri despre reeducarea mersului.

5.2. VERIFICĂRI EXPERIMENTALE

Având în vedere obiectivele acestei teze și ținând cont și de echipamentul din dotarea

Departamentul de Inginerie Mecanică, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea

Transilvania din Brașov, s-au realizat o serie de experiențe asupra ciclului e mers uman pe un

număr de doi pacienți (2 subiecți), cu dizabilitate locomotorie, aflați în a paisprezecea zi după

intervenția chirurgicală, cu vârste cuprinse între 59 și 63 ani. Imobilizarea postoperatorie are

consecințe mari asupra echilibrului fiecărui subiect, cu diferențe vizibile de la unul la altul. În

acest experiment cei doi subiecți au fost monitorizați timp de două luni, ei fiind folosiți la

înregistrările video necesare analizei mișcării corpului uman, în perioada de recuperare

postoperatorie.

Pentru o interpretare semnificativă a rezultatelor obținute din analiza mersului, datele

ar trebui să fie suficient de fiabile. Mișcare umană este variabilă, în consecință și rezultatele

de la analiza mersului variază între diferite intervale de monitorizare.

Figura 5. 1. Schema generală a sistemului de captură

Figura 5. 2. a) Camera de mare viteza AOS X-PRI produsă de AOS Technologies AgG; b)

Lampa cu lumina continua de 1000W, 230 V, pe sistem Elinchrom.



44

Echipamentul folosit la studiile din această cercetare este format dintr-un sistem de

captură a mișcării umane al cărui principiu de funcționare este reprezentat și funcționează

după schema din figura 5.3. Acest sistem este format din componente hardware și software.

Componenetele hardware sunt: camera de filmat de mare viteză AOS X-PRI regăsită în

Figură 5.4.a., lampa Scanlite 1000 descrisă în Figura 5.4.b., și trepiedele necesare montării și

fixării camerei de mare viteze și a lămpii. Subiecții sunt monitorizați timp de două luni.

Fiecare subiect se deplasează, în treceri repetate, în fața camerei de filmat de mare viteză AOS

X-PRI și a PC-ului. Componenta software face achiziția de date a informațiilor regăsite pe

filmul salvat în format avi. De asemenea, cu ajutorul pachetului software AOS X-PRI s-a

realizat și decuparea imaginilor. Traiectoria fiecărui marker a fost realizată ulterior prin

prelucrarea cu software-ul Adobe After Effects. Cu programe elaborate utilizând Matlab

(Mathworks Inc), s-a realizat, calculul vitezelor, al accelerațiilor și al abaterilor medii

pătratice pentru fiecare pas, cât și pentru toată trecerea, [MIH 2011], [MIH 2014a].

Înregistrările și măsurătorile au fost făcute cu 63 de cadre pe secundă, cu camera de

filmat de mare viteză AOS X - PRI. Ea este așezată în lateral, vizual perpendicular pe direcţia

pe care subiecţii merg la pas, respectiv camera înregistrează planul sagital al subiecților în

timpul deplasării lor.

Distanța la care este așezată camera de mare viteză, față de linia mișcării subiecților,

este de 280 centimetrii, iar linia de deplasare a subiecților are o distanță de 230 centimetrii, ea

fiind amplasată la o înălțime de 30 de centimetrii.

Este important să se înțeleagă ipotezele de bază, care sunt făcute pentru analiza

mișcării umane folosind tehnici privind modelarea comportării dinamice a unui lanț

cinematic. Ipoteza de bază este descrisă de faptul că segmentele corpului pot fi modelate ca și

corpuri rigide, și anume, poziția și mișcarea care stă la baza scheletului uman poate fi

aproximată prin urmărirea poziției și mișcării segmentelor corpului. Atunci când un segment

Figura 5. 3. a. Schema sistemului de monitorizare/ înregistrare a analizei de mișcare cu o

singură cameră b. Sistemul de poziționare al markerilor



45

al corpului este modelat asemenea unui corp rigid, distanța dintre oricare două puncte ale

acelui corp este constantă.

Subiecților studiați li s-au atașat markeri, din hârtie simplă, de culoare contrastantă

față de nuanța hainelor, pentru a fi observați cu ușurință. Acești markeri au fost poziționați la

nivelul articulațiilor care definesc centrele articulațiilor, și anume: articulația gleznei –

markerul numărul 1, articulația genunchiului – markerul numărul 2 și articulația șoldului –

markerul numărul 3 (vezi Figura 5.5.b.).

În continuare, în tablelul 5.1, sunt prezentate datele de identificare pentru fiecare

subiect ale prezentei cercetări experimentale.

Tabelul 5. 1. Datele de identificare ale subiecților

Subiecți Sex Vârstă

[ani]

Înălțime

[cm]

Kilograme

[kg]

Lungime

tibie [cm]

Lungime

femur [cm]

Subiectul 1 Feminin 63 150 82 40 40

Subiectul 2 feminin 59 150 72 36 40

Analiza mișcării umane în această cercetare a fost limitată la poziția de mers la pas,

normal, și a fost făcută dintr- o singură parte. Cei doi subiecți, două persoane de sex feminin,

s-au deplasat în fața camerei, în linie dreaptă. Subiectul 1 - re se deplasează de la dreapta la

stânga deoarece are proteză totală la genunchiul stâng, iar subiectul 2 - ke de la stânga la

dreapta deoarece are proteză totală la genunchiul drept.

Subiecţii s-au deplasat cu o viteză auto-selectată de ei înşişi, în funcţie de intervalul la

care s-a făcut monitorizarea. Viteza de deplasare pentru fiecare studiu, a fost monitorizată

pe întreaga perioadă.

Subiecţii au avut analizați pe parcursul a cinci ședințe. Ei au fost monitorizaţi timp de

două luni, la un interval de două saptămâni între fiecare înregistrare. Fiecare subiect a efectuat

10 treceri prin faţa camerei de mare viteză. Pornind de pe loc, s-a deplasat normal, adică mers

la pas, pentru fiecare etapă al perioadei post-operatorie.

Măsurători ale parametrilor cinematici de mers s-au efectuat la începutul monitorizării,

la Sala Sporturilor DN COLIBAȘI din Braşov. Parametrii biomecanici ai mersului spaţiu-

timp au fost înregistraţi în conformitate cu graficul prezentat în Figura 5.5.a.

Fiecărei treceri prin faţa camerei de filmat de i-a corespuns un material video în

format avi, care a fost stocat şi ulterior importat şi analizat cu ajutorul soft-ul Adobe After

Effects, pentru a putea digitaliza coordonatele markerilor. Astfel, s-a realizat o bază de date în

format xlsx – Microsoft Excel – program de lucru tabelar, unde pentru fiecare subiect în parte

îi corespunde un tabel (în format xlsx) care conţine coordonate ale markerilor corespunzătoare

fiecărui ciclu de timp din perioada de monitorizare, respectiv fiecărei treceri prin faţa camerei

cu care s-a realizat înregistrarea materialului video.



46

Folosind aplicaţia Matlab s-au realizat programe de calcul cu care s-au prelucrat datele

obținute.

SISTEMUL DE CAPTURĂ FOLOSIT LA OBȚINEREA DATELOR 5.2.1.

EXPERIEMENTALE

În continuare va fi prezentat modul de lucru cu camera utilizată pentru achiziționarea

datelor, AOS X – PRI, şi obţinerea materialului video pentru un subiect, la o trecere efectuată

în timpul monotorizării acestuia în fiecare dintre cele cinci studii . Pentru cel de al doilea

subiect se vor relua etapele de lucru fără o prezentare a descrierii a acestora, folosindu-se

procedura identică ca la primului subiect.

a)

b)

Figura 5. 4. Panoul de control a) aplicația Imaging Studio Light;

b) camera AOS X – PRI

1. Pentru obținerea unor rezultate corecte trebuie îndeplinite condiţiile de realizare

ale experimentului. În figura 5.5.a. este prezentată schema sistemului de

monitorizare/ înregistrare a analizei de mişcare din acest experiment, unde distanţa

la care este aşezată camera AOS X – PRI, faţă de linia mişcării subiecţilor, este de

280 centimetrii, linia de deplasare a subiecţilor are o distanţă de 230 centimetrii,

iar camera amplasată la o înălțime de 30 de centimetrii față de sol. Camera de

filmat de mare viteză AOS X - PRI înregistrează planul sagital al subiecţilor în

timpul deplasării acestora;

2. În figura 5.5.b. este prezentat sistemul de poziţionare al markerilor, ataşaţi fiecărui

subiect. Pentru a fi observaţi cu uşurinţă, markerii sunt din hârtie simplă, de

culoare contrastantă faţă de nuanţa hainelor. Ei au fost poziţionaţi la nivelul

articulaţiilor care definesc centrele articulaţiilor, respectiv cuplele cinematice ale

aparatului locomotor uman, şi anume: articulaţia gleznei – markerul numărul 1,

articulaţia genunchiului – markerul numărul 2 şi articulaţia şoldului – markerul

numărul 3 (vezi Figura 5.5.b);



47

Figura 5. 5. Setări ale camerei AOS X - PRI

3. Analiza mişcării umane în aceast experiment a fost limitată la poziţia de mers la

pas normal, şi a fost făcută dintr-o singură parte, unde subiectul 2 – ke, asupra

căruia se realizează descrierea pe larg a modul de lucru cu camera AOS X – PRI şi

obţinerea materialului video, se deplasează de la stânga la dreapta deoarece are

proteză totală la genunchiul drept;

4. Se conectează camera la PC şi se deschide aplicaţia Imaging Studio Light a

camerei AOS X – PRI. Înregistrările pot fi începute atunci când toate led-urile, ale

panoului de control al camerei, sunt verzi, vezi figura 5.6. Panoul de control al

aplicaţiei Imaging Studio Light este regăsit şi la camera AOS X – PRI;

Figura 5. 6. Începerea înregistrării

5. Se accesează submeniul Setting al meniul Camera pentru setarea numărului de

frame-uri pe secundă cu care se vor realiza înregistrările video (figura 5.7). Meniul

"Camera Setup" permite setarea de configuraţii valabile în ceea ce priveşte de

rezoluţia vs. viteză încadrare, unde un timp de înregistrare mai mare poate fi

obţinută atunci când se utilizează o rezoluţie mai mică, respectiv stabilirea ratei de



48

încadrare într-o viteză mai mică. Astfel, în aceast experiment înregistrările şi

măsurătorile au fost făcute cu 63 de cadre pe secundă;

6. După ce toţi parametrii sunt stabiliţi se apasă butonul “set ready”, led-ul verde, al

barei de instrumente a camerei – “Camera Toolbar”, pentru iniţierea înregistrării,

vezi figura 5.8. Se observă că led-ul verde, al panoului de control al camerei, acum

devine roşu, semn că înregistrarea a început;

7. Înregistrarea este completă atunci când apare fereastra cu mesajul “Recording

Complete” – înregistrare completă, vezi figura 5.9;

8. Acum putem edita şi stoca o filmare după ce a fost efectuată înregistrarea. Această

funcţie poate fi folosită, iar filmările redate de camera AOS X – PRI cât şi

filmărilor existente deja pe hard disk – ul PC-ului. După efectuarea înregistrării

filmarea poate fi accesată direct de pe cameră şi poate fi memorată în mai multe

formate, în diferite memorii de stocare. Se utilizează cadrul de glisare de tip

cursor, vezi figura 5.10, pentru navigarea prin filmarea înregistrată;

9. Majoritatea înregistrări efectuate cu camera de mare viteză nu redau informaţii

pertinente în toate cadrele. Astfel, este mai convenabil să stocăm numai porţiunea

care conţine cadrele necesare din filmarea respectivă. Acest lucru este realizat prin

mutarea cursorului pe bara de glisare a filmării la poziţia de începere a acţiunii. Se

apasă pe pictograma “Set begin” – setarea momentului de început a filmării. Se

continua redarea filmării apăsând butonul “play” până la momentul în care

acţiunea se termină, când se apasă pe pictograma “Set End” – setarea momentului

de sfârşit a filmării. Figura 5.11. prezintă detaliile pasului 9, [AOS 2007];

Figura 5. 8. Cadrul de tip cursor folosit pentru navigarea prin filmare

Figura 5. 7. Înregistrare completă



49

Figura 5. 9. Selectarea de cadre necesare analizei de mișcare

Figura 5. 10. Salvarea filmării

10. În figura 5.12 este prezentat modul de salvarea al porţiunii de filmare selectată

anterior sau al întregului film. Salvarea se realizează prin apăsarea butonului

“Save” – salvare din bara de instrumente “Open/ Save” – Deschide/ Salvează. Se

selectează formatul avi pentru memorarea filmării. Aplicaţia AOS - Imaging



50

Studio Light permite salvarea într-o gamă largă de formate, cum ar fi: tiff, jpeg,

mpeg etc. Se selectează salvarea în format avi din fereastra “Save as” şi se setează

viteaza de redare prin tastarea numărului în caseta de text a ferestrei AVI FPS, vezi

figura 5.10. În acest experiment nu se modifică viteza de redare, preferând-o pe

cea deja setată de noi, şi anume 63 fps. În această fereastră se observă numărul

cadrului de început şi cel de sfârşit. Se face şi o selecţie de compresie codec pentru

fişierul AVI prin evidenţierea codec-ul dorit din listă. Verde indică compatibilitate,

albastru reprezintă codecuri standard Microsoft, galben reprezintă o posibilă formă

şi roşu reprezintă codecuri incompatibile. Salvarea este finazlizată prin apăsarea pe

butonul OK, [AOS 2007];

11. Etapele de mai sus (procesul de obţinere a materialului video) vor fi reluate pentru

toate trecerile subiecţilor, a celor cinci studii monitorizate.

ÎNREGISTRAREA DATELOR 5.2.2.

Postprocesarea rezultatelor analizei mişcării umane

Soft-ul Adobe After Effects este produs de cei de la Adobe și reprezintă unul dintre

cele mai bune programe de creare și editare a unor produse audio - video, profesionale și

semi-profesionale. Acest soft conține instrumente cu care realizăm captura traiectoriei

mișcării, a subiecțiilor utilizați în prezenta cercetare.

Pentru alegerea utilizării soft-ului Adobe After Effects în această cercetăre, am utilizat

experiența din cadrul unei alte lucrări de doctorat intitulate “Contribuţii la identificarea

persoanelor prin analiza mişcării”, elaborată de Mihălcică Mircea, în Departamentului de

Inginerie Mecanică a Universității Transilvania din Brașov, unde o analiză multicriterială a

soft-urilor utilizate pentru analiza mișcării umane este realizată, și care arătă că soft-ul Adobe

After Effects este optim.

Aplicația ne permite exportarea coordonatelor markerilor în format Microsoft Excel de

unde datele pot fi manevrate în mod ușor, sau direct sau exportând mai departe datele într-un

mediu de programare cum ar fi de exemplu Matlab. În acest fel, în cadrul tezei de față, s-au

obţinut traiectoriile articulaţiilor monitorizate în acestă cercetare (gleznă, genunchi şi şold) de

unde s-au putut obține și amplitudinile unghiulare ale mișcărilor segmentelor studiate în

timpul activităţii de păşire pentru fiecare subiect. "Urmărirea mişcării" din meniul

programului Adobe After Effects este termenul care este utilizat atunci când trebuie să

urmărim cum se mișcă un grup de pixeli dintr-un film de la un cadru la altul. Astfel se poate

urmări mişcarea unor puncte predefinite [*hel 2014].

Rezultatele obţinute au fost colectate într-o bază de date, care poate fi utilizată

ulterior şi la alte analize specifice aparatului locomotor. Baza de date reprezintă valori

numerice ale traiectoriilor dezvoltate de centrele articulaţiilor din structura aparatului

locomotor uman în timpul deplasării normale – mers la pas a subiecţilor.



51

În continuare se prezintă mai amănunțit descrierea procesului de obţinere şi prelucrare

a datelor experimentale, modul de calcul şi rezultatele obţinute pentru un subiect, iar pentru

cel de al doilea subiect se vor prezenta doar rezultatele.

1. Trebuie îndeplinite condiţiile de realizare ale experimentului. Astfel, subiecţilor li

se ataşează markeri. Fiecare subiect efectuează treceri diferite prin faţa camerei de

filmat – AOS X-PRI pornind de pe loc, din acelaşi punct. Fiecărei treceri îi

corespunde propriul material video în format avi;

2. Materialele video sunt stocate pe computer pentru procesare. Se deschide aplicaţia

Adobe After Effects şi se importă primul film, corespunzător primei trecere a

primului subiect, figura 5.13;

3. Materialul video se „trage” (drag & drop) în fereastra Composition, şi ulterior se

alege din meniul Animation opţiunea „Track Motion” cu care se urmăreşte

mişcarea subiectului şi se preiau coordonatele mişcării corespunzătoare fiecărui

marker, figura 5.14. Trebuie specificate zone pentru urmărire prin stabilirea de

puncte de urmărire în panoul Layer. Fiecare punct de urmărire – Track Point

conţine o regiune caracteristică, o regiune de căutare, şi un punct ataşat – Attach

Point. Punctul de urmărire este stabilit pe marker-ul (am folosit două culori pentru

un contrast optim) atașat la articulațiile membrului inferior urmărit;

Figura 5. 11. Importarea materialului video



52

Figura 5. 12. Condiții de urmărire a Attach Pointului

4. Punctul ataşat – Attach Point, simbolizat cu “+” (vezi figura 5.14), este pixelul ale

cărui coordonate vor fi urmărite în timp. Prin accesarea meniului Options a

panoului de control Tracker stabilim condiţiile de urmărire a Attach Pointului

pentru aceste experimente, (vezi figura 5.15.): RGB (urmărire după tonurile de

culoare) şi Track Fields;

Figura 5. 13. Panoul Layer



53

Figura 5. 14. Urmărirea traiectoriei markerului

Figura 5. 15. Traiectoria markerului gleznei

Figura 5. 16. Traiectoria markerului genunchiului



54

Figura 5. 17. Traiectoria markerului șoldului

5. Accesăm butonul Play al panoului Tracker pentru urmărirea markerului pe

parcursul materialului video. Markerul va fi urmărit de-a lungul deplasării normale

a subiecţilor, adică mers la pas, vezi figura 5.16. În exemplul de faţă s-a folosit

markerul genunchiului, iar figurile 5.17 - 5.19 sunt prezentate traiectoriile

markerilor gleznei, genunchiului și a șoldului pe toată trecerea, [MIH 2014b];

Figura 5. 18. Preluarea datelor din Adobe After Effects

6. Când am obţinut întreaga traiectorie a markerului trebuie să exportăm datele

experimentale. Momentan Adobe After Effects nu oferă posibilitatea preluării

exportării automate a acestora, astfel trebuie să copiem aceste date direct într-o

foaie de lucru a programului de lucru tabelar Microsoft Excel urmărind anumite



55

etape. Prima dată trebuie selectate datele obţinute de Punctul ataşat – Attach Point

ale cărui coordonate au fost urmărite în timp. Acest lucru se realizează prin

selectarea Attach Pointului, din colţul stânga jos, al ferestrei Adobe After Effects,

la accesarea Motion Tracker. În figura 5.20 este descris procesul de selectare a

cadrelor corespunzătoare traiectoriei markerului şi se observă că la selecţia

acestora culoarea se schimbă în galben. În acest moment copiem (ctrl + c) datele în

Clipboard şi folosirea aplicaţiei Adobe After Effects s-a încheiat;

a)

b)

Figura 5. 19. Procesul de exportare a datelor în Microsoft Excel: a) Ștergerea primelor 10

linii; b) Ștergerea primelor 2 coloane

7. Datele preluate sunt exportate prin lipire (ctrl + v) într-o foaie de lucru Microsoft

Excel, unde pentru a obţine coordonatele markerului cadru cu cadru trebuie



56

parcurse anumite etape. Prima etapă este de ştergere a informaţiilor care nu sunt

necesare, dar care au venit cu preluarea datelor din Adobe After Effects, [MIH

2011]. Se vor şterge primele 10 linii şi primele 2 coloane din foaia de lucru

Microsoft Excel, vezi figura 5.21. Astfel, vom rămâne cu un tabel format din două

coloane, care va conţine coordonatele traiectoriei markerului: în prima coloană

găsim coordonatele pe axa X şi în cea de a doua coloană vom găsi coordonatele pe

axa Y;

8. Deoarece datele au fost preluate prin copiere (ctrl + c) şi lipire (ctrl + v), formatul

acestora trebuie modificat din format General în format Number - Numeric

(selectăm reprezentarea acestora cu două zecimale), vezi figura 5.22;

Figura 5. 20. Obținerea datelor din format General în fomat Number

9. Aceeaşi procedură cuprinsă între paşii 2 – 8 va fi repetată pentru obţinerea

celorlalţi doi markeri - glezna şi şoldului, pe acelaşi material video. Se recomandă

redeschiderea aplicaţiei Adobe After Effects şi lucrul cu noi proiecte;

10. După analizarea tuturor markerilor – gleznă, genunchi şi şold, a materialului video

corespunzător primei treceri trebuie să obţinem trei tabele în format xlsx al

programului de lucru tabelar Microsoft Excel;

11. Etapele de lucru de mai sus (procesul de obţinere şi prelucrare a datelor

experimentale, modul de calcul şi rezultatele obţinute) vor fi reluate pentru toate

trecerile subiecţilor, a celor cinci studii monitorizate. Astfel, se va obţine baza de

date corespunzătoare fiecărui subiect, ce va conţine un număr de tabele în fomat

xlsx egal cu 3x numărul trecerilor. În continuare cu ajutorul aplicaţiei Matlab se

vor realiza programe pentru prelucrarea datelor.



57

PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE CU 5.2.3.

PROGRAME ELABORATE ÎN MATLAB

Cu ajutorul aplicației Matlab se realizează programe pentru prelucrarea datelor

experimentale. În acest subcapitol este descris procesul de preluare a datelor experimentale

pentru un subiect.

Preluarea datelor experimentale din tabelele în fomat xlsx Microsoft Excel în aplicația

Matlab se realizează sub forma unei matrice, care va fi prelucrată ca două șiruri: un șir va

conține coordonatele pe axa X (coloana A a tabelului xlsx) și cel de-al doilea șir va conține

coordonatele pe axa Y (coloana B a tabelului xlsx).

Pentru creșterea gradului de încredere al acestor experimentelor, fiecare subiect a

efectuat 10 treceri prin fața camerei de mare viteză, unde pornind de pe loc, s-a deplasat

normal, pentru fiecare etapă (5 cicluri) al perioadei postoperatorie. Astfel, am realizat grafice

de control pentru a putea observa eventualele erori posibile în procesul de preluare a datelor

experimentale, pentru ambii subiecți, vezi figurile 5.23 – 5.32.

Figura 5. 21. Subiectul 1: Grafic de control efectuat pe markerul gleznei, întâlnirea 1




58




În cele ce urmează sunt prezentate înregistrări pentru cei doi subiecți monitorizați. S-a

înregistrat mișcarea în cadrul a cinci întâlniri successive. În fiecare înregistrare s-au făcut 10

treceri. S-a înregistrat traiectoriile celor trei markeri, așezați așa cum am menționat anterior.



59

Astfel, pentru subiect 1, în figura 5.34 sunt prezentate rezultatele în figurile de mai

jos, atât pentru pasul numărul 2 (pasul numărul 1 este pasul de plecare de pe loc) , cât și pe

toată trecerea, pentru markerul gleznei:

Subiectul 1, re1_1, întâlnirea 1






60


Figura 5. 26. Subiect 1, trecerea 1, markerul gleznei

Se poate observa ușor că la subiectul 1, prima întânire, atât pentru markerul gleznei, al

genuchiului cât și al șoldului prezintă instabilitate, și că începând cu întâlnirea a doua se

instalează stabilitatea mersului., semn că răspunde programului de recuperare.

Continuăm cu rezultatele pentru subiectul doi. Astfel, în figura 5.37. sunt prezentate

traiectoriile markerul gleznei, pentru prima trecere, pentru fiecare întâlnire, atât pentru pasul

numărul 2, cât și pe toată trecerea.

Subiectul 2, ke1_1, întâlnirea 1





61



Figura 5. 27. Subiect 2, trecerea 1, markerul gleznei

Graficele ilustrează în mod evident îmbunătățirea evoluției mișcării în timp a

subiecților.

În cele ce urmează, sunt prezentate (doar pentru subiectul 1) componentele vitezelor

pe axele X și Y, pentru un pas, ale coordonatelor markerilor celor trei articulații ale

membrului inferior afectat (gleznă, genunchi și șold) în funcție de timp.

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa X a articulației gleznei în funcție de timp



62

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa Y a articulației gleznei în funcție de timp

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa X a articulației genunchiului în funcție de

timp

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa Y a articulației genunchiului în funcție de

timp



63

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa X a articulației șoldului în funcție de timp

Subiectul 2: graficul componentei vitezei pe axa Y a articulației șoldului în funcție de timp

Ulterior prezentării componentelor vitezei sunt ilustrate grafice pentru subiectul 2 cu

evoluţia componenetei vitezei pe axa X și Y, în funcție de timp, pentru markerul gleznei, al

genunchiului și al șoldului. Această evoluție evidențiază diferențele exsitente între întâlnirea 4

și întâlnirea 5, din perioada de monitorizare, prima trecere.



64

Subiectul 2: evoluţia componenetei vitezei pe axa X în funcție de timp, pentru markerul

gleznei

Subiectul 2: evoluţia componenetei vitezei pe axa Y în funcție de timp, pentru markerul

gleznei



65


genunchiului


genunchiului


șoldului



66

Subiectul 2: evoluţia componenetei vitezei pe axa Y în funcție de timp, pentru markerul

șoldului

5.3. CONCLUZII

Datele experiemntale obținute pe cei doi pacienți pot fi folosite pentru a îmbunătății

programul de recuperare. Astfel, am reușit să oferim o predicție privind impunerea unor

măsuri în cadrul programelor de recuperare a celor doi pacienți tratați chirurgical cu proteză

totală de genunchi.

Datele obținute cu ajutorul sistemului de analiză propus constitue un suport pentru

medic, și, în corelație cu experiența și talentul său, ar trebui să-l ajute în timpul procesului de

recuperare a unui pacient.

Acest sistem a fost realizat utilizând şi informaţiile oferite de medicul respectivilor

pacienţi.

Realizarea unei baze de date privind programele de recuperare a pacienților deja

vindecați poate ajuta în analiza unor noi pacienți cu o problem medical asemănătoare, dacă se

ține cont de criterii precum: sex, vârstă, kilograme, înălțime etc.

6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE.

DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE DE

CERCETARE

Concluzii finale

Utilizând sistemul realizat şi prezentat în această cercetare, am reuşit să oferim o

predicţie bună despre unele măsuri în materie de recuperare a unor subiecți (pacienți) care au



67

suferit o procedură de înlocuire a genunchiului ca tratament pentru osteoartrita la genunchi,

mai exact gonartroză. Mai multi pacienti sunt în lucru, dar procesul lor de recuperare nu e

terminat încă, cu toate acestea, datele colectate până în prezent oferă o serie de concluzii

bune.

Acest sistem a fost realizat utilizând şi informaţiile oferite de medicul respectivilor

pacienţi. Datele obţinute cu ajutorul sistemului de analiză propus constituie un suport pentru

medic, şi, în corelaţie cu experienţa şi talentul său, ar trebui să-l ajute în timpul procesului de

recuperare a unui pacient.

Unul dintre principalele avantaje ale folosirii sistemului prezentat în această cercetare

este faptul că ofera moduri în care fiecare pacient este abordat individual şi tratamentul său

este adaptat special pentru el, care, în opinia noastră, este modelul corect din punct de vedere

medical.

Aplicarea de către medic a metodologiei propuse duce la obținerea unei durate scăzute

și eficiență a tratamentului, materializată în redobândirea funcționalității activităților cotidiene

sau profesionale, într-o perioadă mai scurtă de timp.

Avantajele unui astfel de sistem faţă de unul profesional sunt: preţul, portabilitatea şi

accesibilitatea.

Contribuții originale

Teza de doctorat “Contribuţii la analiza mişcărilor corpului uman cu aplicații în

medicina recuperativă” îmbină domeniul ingineresc cu cel medical. Altfel spus, domeniul

ingineresc este aplicat domeniului medical cu ajutorul domeniului digital.

Contribuția autoarei constă în realizarea unui sistem propriu de captură și analiză a

mișcărilor corpului uman care să contribuie la monitorizarea pacienților în perioada de

recuperare postoperatorie și obținerea de date experimentale, care să fie oferite medicului

kinetoterapeut pentru o abordare individuală și tratament optimizat și adaptat special pentru

pacient, care reprezintă modelul corect de recuperare în perioada postoperatorie, din punct de

vedere medical.

Soluţia aleasă prezintă un sistem accesibil, portabil, care poate (și trebuie) să fie

utilizat în mod frecvent și nu este nevoie ca medicul să fie implicat în colectarea datelor

experimentale, atât timp cât sunt strict respectate condițiile de utilizare. S-a utilizat

echipamentul din dotarea Departamentul de Inginerie Mecanică, Facultatea de Inginerie

Mecanică, Universitatea Transilvania din Brașov.

Contribuțiile autoarei dezvoltate în cadrul tezei de doctorat au fost:

O analiza critică a cercetărilor în domeniul studiului recuperării postoperatorii a

bolnavilor de gonartroză și a stadiului actual al acestora. Pentru îndeplinirea acestui

obiectiv a fost parcursă o literatură bogată întrucât subiectul, fiind de mare importanță,

a fost studia de numeroși cercetători. În cadrul bibliografiei menționate în lucrare au

fost menționate lucrările cele mai semnificative. Domeniul este interdisciplinar motiv

pentru care numărul de pagini dedicat prezentării problemei poate părea un pic prea



68

mare. Ținând însă seama de importanța pentru aplicarea în practică acest volum însă

se justifică;

Pe baza studiului s-a efectuat s-a făcut o identificare a principalelor probleme puse de

o recuperare rapidă a pacienților. Operațiile de protezare în gonartroză pun numeroase

probleme de ordin medical, dar și kinetice. Autoarea a identificat această probleme

kinetice pentru a putea orienta studiul în cadrul lucrării. Studiul a avut drept scop

determinarea condiților de recuperare rapidă a mobilității mecanice a bolnavului;

O analiza critică a metodelor de modelare mecanică, cinematică și dinamică, a

mișcărilor umane.

Pe baza acestui studiu s-a propus un model teoretic complex, de analiză a sistemului

multicorp. Pentru analiza mișcării unor subiecți, din punct de vedere teoretic este

necesar, în general, un model complex. Totuși, utilizarea unui model complex, cu

multe grade de libertate nu a fost necesară, întrucât mișcarea unui pacient operat este

foarte limitată. Ca urmare, a fost propus un model cu două elemente, cu mișcare plan

paralelă. Acest model are două grade de libertate și studiul lui se poate face cu relativă

ușurință;

O analiza a metodelor de captură a mișcării. S-a făcut această analiză pentru a putea

încadra performanțele camerei de mare viteză AOS X - PRI care se găsește în dotarea

Departamentului de Inginerie Mecanică. Sistemul utilizat s-a dovedit foarte

performant, dacă se ține seama de rezultatele care pot fi obținute, viteza de obținere a

acestor rezultate și costul culegerii de date;

Proiectarea unei proceduri pentru analiza si digitalizarea rezultatelor. Metoda folosită

presupune utilizarea programului de calcul Adobe After Effect;

S-a realizat o bază de date necesară studiului cinematic al aparatului locomotor uman

pentru analiza mişcărilor corpului uman în timpul deplasării normale de-a lungul

perioadei de recuperare specifice fiecărui pacient;

S-au aplicat metodele dinamicii inverse pentru a determina solicitările care apar în

segmentele piciorului;

S-a realizat un sistem practic și ușor de utilizat de analiză a mişcărilor umane în timpul

mersului, ieftin şi portabil, destinat utilizării frecvente, reprezentând o soluţie pentru

foarte mulţi pacienţi ce urmăresc a-şi recupera funcţiile motrice;

S-au efectuat înregistrati pe subiecți umani operați care s-au constituit ăntr-o bază de

date utilă pentru comparații ulterioare cu situația altor pacienți;

S-au formulat concluzii care să fie folositoare pentru recuperarea mai rapidă a

pacienților și pentru a formula criterii numerice de identificare a diferitelor faze de

recuperare și de studiul al evoluției postoperatorii;

S-au prezentat în cadrul unor lucrări rezultatele obținute, s-au prezentat la conferințe

naționale sau internaționale.

S-au identificat și enunțat direcțiile ulterioare de dezvoltare ale subiectului.



69

Diseminarea rezultatelor

Pe durata cercetărilor științifice efectuate asupra tezei de doctorat și a domeniilor

adiacente ei, autoarea a publicat un număr de 40 lucrări științifice în cadrul volumelor unor

conferințe științifice naționale și internaționale. Dintre acestea, 24 sunt în domeniul temei de

doctorat, iar 3 au fost publicate în calitate de prim-autor. Enumerăm lucrările publicate în

domeniul tezei în ultimii ani:

1. M. Mihălcică, V. Guiman, V. Munteanu, A cheap and portable motion analisys

system, The 5th International Conference ”Advanced Composite Materials Engineering” and

The 3rd International Conference ”Research & Innovation in Engineering”, COMAT 2014, 16

– 17 October 2014, Brasov, Romania, 2014;

2. M. Mihălcică, V. Guiman, V. Munteanu, Using motion analisys software to gather

sports experimental data, The 5th International Conference ”Advanced Composite Materials

Engineering” and The 3rd International Conference ”Research & Innovation in Engineering”,

COMAT 2014, 16 – 17 October 2014, Brasov, Romania, 2014;

3. M. Mihălcică, V. Guiman, V. Munteanu, Using curve fitting as a method to

analyze motion analisys data for sports, The 5th International Conference ”Advanced

Composite Materials Engineering” and The 3rd International Conference ”Research &

Innovation in Engineering”, COMAT 2014, 16 – 17 October 2014, Brasov, Romania, 2014;

4. M.V. Guiman, M. Mihălcică, M.V. Munteanu, A method for determinate the run-

up velocity of the long jump, The 5th International Conference ”Advanced Composite

Materials Engineering” and The 3rd International Conference ”Research & Innovation in

Engineering”, COMAT 2014, 16 – 17 October 2013, Brasov, Romania, 2014;

5. M.V. Munteanu, M.V. Guiman, M. Mihălcică, Stanciu A.E., Curent motion

capture technologies used in human motion analysis, The 5th International Conference

”Advanced Composite Materials Engineering” and The 3rd International Conference

”Research & Innovation in Engineering”, COMAT 2014, 16 – 17 October 2014, Brasov,

Romania, 2014;

6. P.S. Haba – Făgăraș, M.L. Scutaru, I. Burcă, M.V. Munteanu, Mathematical

models for the virtual analysis of the mechanical systems – Part II, The 4nd International

Conference „Advanced Composite Materials Engineering”, COMAT 2012, 18-20 October

2012, 862 -868, Brasov, Romania, 2012;

7. M. Mihălcică, V. Munteanu, Gathering motion data for a real-life gait analysis

system, The 4th International Conference Computational Mechanics and Virtual Engineering

COMEC 2011, 20-22 October 2011, 21- 22, Brasov, Romania,2011;

8. P.S. Haba, M.C. Tofan, E. Secara, M.V. Munteanu, Mathematical modelling of the

ball motion in the basket game, The 4th International Conference Computational Mechanics

and Virtual Engineering COMEC 2011, 20-22 October 2011, 661 -666, Brasov, Romania,

9. M. Mihălcică, M.V. Munteanu, E. Secara, I. Burca, L. Petric: Methods For Human

Motion Capture And Analysis, 3rd International Conference Advanced Composite Materials



70

Engineering COMAT 2010, 27- 29 October 2010, pp. 164 – 167, Brasov, Romania and

International Conference Research & Innovation in Engineering, 2010;

10. M. Mihălcică, M.V. Munteanu, D. Nicoara, E. Secara, I. Burca, A. Modrea:

Processing The Parameters Used In Human Motion Identification, 3rd International

Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2010, 27- 29 October

2010, pp. 168 – 171, Brasov, Romania and International Conference Research & Innovation

in Engineering, 2010;

11. P.S. Haba, I. Burca, M.V. Munteanu, Mathematical Modelling Of Rolling The

Basketball Ball On The Rim Basket, 3rd International Conference Advanced Composite

Materials Engineering COMAT 2010, 27- 29 October 2010, pp. 320 – 326, Brasov, Romania

and International Conference Research & Innovation in Engineering, 2010;

12. P.S. Haba, I. Burca, M.C. Tofan, A. Modrea, M.V. Munteanu, Trajectorys Of The

Shooting Basketball Ball. Defining Initial Conditios, 3rd International Conference Advanced

Composite Materials Engineering, COMAT 2010, 27- 29 October 2010, pp. 327 – 333,

Brasov, Romania and International Conference Research & Innovation in Engineering, 2010;

13. Tofan M., Burca I., Mihalcica V., Vlase S., Secara E., Munteanu V., An Analysis

Of The Human Motion Using Vibe Functions, Modern Technologies, Quality And

Innovation-Modtech, Modtech 2009, Chişinău, 21-23 Mai 2009, 2009;

14. Vlase S., Munteanu M.V., Scutaru M.L., On the Topological Description of the

Multibody Systems, 19th International Symposium: Intelligent Manufacturing & Automation,

22-25th October 2008, Trnava, Slovakia. ISBN 978-3-901509-68-1, ISSN 1726-9679, p.

1493, 2008;

15. S. Vlase S., R. Purcarea, M.V. Munteanu, M.L. Scutaru, On the Dynamic

Analysis of an Elastic Multi-Bodies System. 1495-1496, Proceedings of the 19th International

Symposium, Vienna, Austria 2008, pp 748, ISBN 978-3-901509-68-1, ISSN 1726-9679,

2008;

16. Burcă I., Tofan M., Vlase S., Munteanu M.V., Guiman,V., Motion Identification

Passing over the Hurdles, COPTOMIM, 2nd Conference on Optometry and Medical

Engineering, brasov, iunie 2008;

17. Vlase S., Munteanu M.V., Scutaru M.L., Kinematical Analysis Of The Multibody

Systems Using Topological Description, “ International Scientific Book 2008”, Vol. 7, ISSN

1726-9687, ISBN 3-901509-69-0, Pp. 953-966, Vienna, Austria, 2008;

18. Vlase S., Purcarea R., Scutaru M.L., Munteanu M.V., Eigenvalues and

Eigenvectors of the Elastic Systems with Three Identical Parts, 19th International

Symposium. Intelligent Manufacturing & Automation, 22-25th October 2008, pp. 749-750,

Trnava, Slovakia. ISBN 978-3-901509-68-1, ISSN 1726-9679, 2008;

19. Vlase S., Guiman V., Purcărea R., Munteanu V., O analiză calitativă a ecuaţiilor

de mişcare a sistemelor multicorp cu elemente elastice, 2nd International Conference on

Dynamical Systems and Control, 16-18 Octombrie 2006, Bucharest, Romania, 2006;



71

20. Haba P. S., Munteanu V., Guiman V., Analiza biomecanică a mişcărilor în jocul

de baschet.Optometry and Medical Engineering, 9-11 iunie 2006, Braşov, Romania, pag. 147-

150, ISBN (10) 973-635-726-0, ISBN (13) 978-973-635-726-8, 2006;

21. Teodorescu H., Vlase S., Guiman V., Munteanu V., Determination of Reactions

in one Degree of Freedom Mechanisms without Solving the Motion Equations, EE&AE’2006

– International Scientific Conference – 07-09.06.2006, Rousse, Bulgaria, pag. 506-512, 2006;

22. Micu I., Tofan M., Guiman V., Purcărea R., Munteanu V.: Analiza cinematică în

saltul cu prăjina. Simpozion AGIR, Braşov, iunie, 2006.

23. Munteanu V., Guiman V., Haba P.S., Modele cinematice şi dinamice pentru

analiza sistemului uman. Simpozion Naţional Tendinţe Moderne în Mecanică, mai, 2005,

24. Munteanu V., Guiman V., Haba P.S., Burcă I., O identificare cinematică a

mişcărilor alergătorului de garduri. Simpozion Naţional Tendinţe Moderne în Mecanică,

Braşov, mai, 2005.

Direcții viitoare de dezvoltare

Pentru viitor, ne propunem să îmbunătăţim atât funcţionalitatea sistemului cât şi a

modului în care se face analiza corpului umane. După o strângere suficientă de date

experimentale dintr-un lot de pacienţi, ne propunem să găsim mai multe corelaţii intre

modelele de mers şi modul în care procesul de recuperare se dezvoltă în timp, ca în cele din

urmă să se poată stabili şi alţi parametri care pot fi utilizaţi în timpul procesului de

recuperare.

Rezultatele obținute în prezenta teză de doctorat deschide drumul către noi direcții de

cercetare în domeniul mecanic cu aplicare directă în medicina recuperativă. Dintre

numeroasele cercetări ce pot fi abordate în viitor se pot menţiona:

îmbunătațirea sistemului de analiză și captură a mișcării corpului uman;

realizarea unui model nou matematic complex capabil să fie utilizat în cadrul

programelor de recuperare și pentru altor componente ale corpului uman (braț,

antebraț, umăr etc.)



72

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

[*ari 2013] http://www.arielnet.com/, accesat în 2013;

[*bts 2013] http://www.btsbioengineering.com/products/kinematics/bts-smart-dx/,

accesat în 2013;

[*dex 2012b] http://dexonline.ro/definitie/biochimie, accesat în 2012;

[*hel 2014] http://helpx.adobe.com/after-effects/using/tracking-stabilizing-motion-

cs5.html, accesat în 2014;

[*joi 2014] http://www.jointimplantsurgeons.com/sections/patientInformation/after

Surgery.aspx, accesat în 2014

[*mot 2013] http://www.motionanalysis.com/html/movement/products.html, accesat

în 2013;

[*ndi 2013] http:// www.ndigital.com/, accesat în 2013;

[*qua 2013] http://www.qualisys.com/applications/customer-cases/university-of-

salford-centre-for-rehabilitation-human-performance-research/, accesat în 2013;

[*rom] http://www.romedic.ro/biotechnic/produs/29033.html, accesat în 2014;

[*vic 2013] http://www.vicon.com/System/TSeries, accesat în 2013;

[ALE 2002] ALEXE N., Enciclopedia educației fizice şi sportului în România,

Editura Aramis, Bucureşti, 2002;

[ALV 1993a] ALVAREZ G., GUTIERREZ A., SERRANO N., URBAN P., JALÓN

J., Computer Data Acquisition, Analysis and Visualization of Elite Athletes Motion, Fourth

International Symposium on Computer Simulation in Biomechanics (satelite event of the

XIVth ISB Congress, Montlignon-Paris, 1993a,

[ALV 1993b] ALVAREZ G., SERRANO N., GUTIERREZ A., URBAN P.,

AVELLO A., Computer Animation of Human Body Motion in Sport, Using Real Captured

Data and a Consistent Mechanical Model, IInd, International Symposium on Three-

Dimensional Analysis of Human Movement, Parc du Futuroscope, Poitiers, France, 1993b,

[AMA 2010] AMĂRICĂI E., POENARU D.V., Aspecte privind calitatea vieții la

pacienții cu afecțiuni reumatismale degenerative operate, Editura Mirton, Timișoara, 2010;

[AMB 1999] AMBRÓSIO J., SILVA M., LOPES G., Reconstruçao do Movimento

Humano e Dinâmica Inversa Utilizando Ferramentas Numéricas Baseadas em Sistemas

Multicorpo, IV Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería, Sevilha, Spain, 1999.

[AND 1993] ANDERSON, F. C., PANDY, M. G., Storage and utilization of elastic

strain energy during jumping. Journal of Biomechanics, 26, 1413–1427, 1993,

[AND 1997] ANDRIACCHI T., HURWITZ, D., Gait Biomechanics and the Evolution

of Total Joint Replacement, Gait and Posture, 5, 256-264, 1997.

[AND 2000] ANDRIACCHI T.P., ALEXANDER E.J., Studies of human locomotion:

Past, present and future, Journal of Biomechanics 33, 1217–1234, 2000,

http://www.ndigital.com/



73

[AOS 2007] AOS Imaging Studio light Manual Version 2.5.2, 2007;

[BEL 1984] BELETZKY V.V., Bipedal walking – modeling, dynamics, control (in

Russian). Moscow; Nauka; 1984.

[BIA 1998] BIANCHI L., ANGELINI A., ORANI G.P., LACQUANITI F., Kinematic

coordination in human gait: relation to mechanical energy cost, J. Neurophysiol., 79, 2155–

2170, 1998;

[BOB 1988] BOBBERT, M. F., VAN INGEN SCHENAU, G. J., Coordination in

vertical jumping. Journal of Biomechanics, 21, 249–262, 1988;

[BOB 1994] BOBBERT, M. F., VAN SOEST, A. J., Effects of muscle strengthening

on vertical jump height: A simulation study. Medicine and Science in Sports and Exercise,

26, 1012–1020, 1994;

[BRA 2001] BRAY J., Markerless based human motion capture: a survey, Master's

thesis, Department Systems Engineering Brunel University, 2001;

[BUR 2006] BURCĂ, I., Contribuții la identificarea unor acte și acțiuni motrice în

atletism. Proba de alergare și trecere peste garduri, Teză de doctorat, Facultatea de Inginerie

Mecanică, Universitatea Transilvania din Braşov, 2006,

[BUR 2008] BURCĂ I., TOFAN M., VLASE S., MUNTEANU M.V., Biomecanica

mișcărilor atletice, Editura Infomarket, 2008;

[CAP 2003] Cappello A., Cappozzo A., Prampero P.E., Bioingegneria della Postura e

del Movimento, chapter Misura del movimento e della postura: sistemi a marcatori passivi e

metodi stereofotogrammetrici, pages 79-101. Patron, 2003;

[CHA 2001] CHAU, T., A Review of Analytical Techniques for Gait Data. Part 2:

Neural Network and Wavelet Methods, Gait and Posture, 13, 102-120, 2001;

[CZA 2007] CZAMARA A., WINIARSKI S., JETHON Z., BUGAJSKI A.,

SZAFRANIEC R., ZALESKI A., TOMASZEWSKI W., Assessment of kinematics of

pathological gait after articular cartilage surgery, Polish Journal of Physiotherapy, 7(1), 1–9,

2007;

[DEN 76] DENISCHI A., IONESCU A., MEDREA O., TROIANESCU O.,

VEREANU D., Patologie chirurgicală, vol. II, Editura Medicală, București, 1976

[DON 2006] DONATI M., 3-D reconstruction of the human skeleton during motion.

PhD thesis, University of Bologna, 2006;

[DOO 1997] DOORENBOSCH, C. A. M., VEEGER, D., VAN ZANDWIJ, J., VAN

INGEN SCHENAU, G., On the effectiveness of force application in guided leg movements.

Journal of Motor Behavior, 29, 27–34, 1997;

[EIC 1998] EICH-SOELLNER, E., FÜHRER, C., Numerical Methods in Multibody

Dynamics. Teubner, Stuttgart,1998;



74

[ENG 1994] Eng, J., Winter, D. and Patla, A., Strategies for Recovery from a Trip in

Early and Late Swing During Human Walking, Experimental Brain Research, 102, 339-349,

1994;

[FLA 1987] FLASHNER, H., BEUTER, A., ARABYAN, A., Modeling of Control

and Learning in a Stepping Motion, Biological Cybernetics, 55, 387-396, 1987;

[FLA 1988] FLASHNER, H., BEUTER, A., ARABYAN, A., Fitting Mathematical

Functions to Joint Kinematics During Stepping: Implications for Motor Control, Biological

Cybernetics, 58, 91-99, 1988;

[FUJ 2002] FUJII, N., HUBBARD, M. Validation of a three-dimensional baseball

pitching model. Journal of Applied Biomechanics, 18, 135–154, 2002;

[GER 1995] GERRITSEN K., BOGERT A., NIGG B., Direct Dynamics Simulation

of the Impact Phase in Heel-Toe Running, Journal of Biomechanics, 28(6), 661-668, 1995.

[HAN 2013] HANTIU I., Kinesiologie Ştiinţa Mişcării (Note De Curs), Universitatea

din Oradea, Facultatea de Geografie, Turism și Sport, Oradea, 2013;

[HAT 1974] HATZE, H. The meaning of the term: “Biomechanics.” Journal of

Biomechanics, 7, 189–190, 1974;

[HOR 1997] HORAK F., Clinical Assessment of Balance Disorders, Gait and Posture,

6, 76-84, 1997;

[KNU 2007] KNUDSON D., Fundamentals of Biomechanics, Second Edition,

Springer Science+Business Media, LLC, 2007;

[MÂR 2012] MÂRZA DĂNILĂ D., Curs bazele generale ale kinetoterapiei,

Universitatea "Vasile Alecsandri" Din Bacău, Departamentul ID – IFR, Facultatea de Ştiințe

ale Mişcării, Sportului și Sănătății, Specializarea Kinetoterapie și Motricitate Specială, 2012;

[MED 2001] MEDVED V., Measurement of human locomotion. Boca Raton, 2001;

[MEN 1999] MENACHE A., Understanding Motion Capture for Computer Animation

and Video Games. Morgan Kaufmann, 1999;

[MIH 2011] MIHĂLCICĂ M., Contribuţii la identificarea persoanelor prin analiza

mişcării, Teză de Doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2011;

[MIH 2014] MIHĂLCICĂ M., GUIMAN V., MUNTEANU V., Using curve fitting as

a method to analyze motion analisys data for sports, The 5th International Conference



Romania;

[MIH 2014a] MIHĂLCICĂ M., GUIMAN V., MUNTEANU V., A cheap and

portable motion analisys system, The 5th International Conference ”Advanced Composite

Materials Engineering” and The 3rd International Conference ”Research & Innovation in

Engineering”, COMAT 2014, 16 – 17 October 2014, Brasov, Romania;



75

[MIH 2014b] MIHĂLCICĂ M., GUIMAN V., MUNTEANU V., Using motion

analisys software to gather sports experimental data, The 5th International Conference



Romania;

[MOȚ 1995] MOȚET D., şi MÂRZA D., Bazele teoretico-metodice ale exercițiului

fizic (Activități motrice), Note de curs, Universitatea din Bacău, 1995;

[MOȚ 2010] MOȚET D., Enciclopedia de kinetoterapie, vol. 2, Editura Semne,

Bucureşti, 2010;

[MUN 2014] MUNTEANU M.V., GUIMAN M.V., MIHĂLCICĂ M., STANCIU

A.E., Curent motion capture technologies used in human motion analysis, The 5th

International Conference Advanced Composite Materials Engineering and The 3rd

International Conference Research & Innovation in Engineering, COMAT 2014, Brașov,

205 -208, 2014;

[MUR 1981] MURRAY M.P., GORE D.R., Gait of patients with hip pain or loss of

hip joint motion. In J. Black & J.H. Dumbleton (Eds.), Clinical biomechanics: A case history

approach. New York: Churchill Livingstone, 1981;

[MUR 2014] MURO – de - la- HERRAN A., GARCIA - ZAPIRAIN B., MENDEZ -

ZORRILLA A., Gait Analysis Methods: An Overview of Wearable and Non-Wearable

Systems, Highlighting Clinical pplications, 2014;

[NAG 2001] NAGANO, A., GERRITSEN, K. G. M. (2001). Effects of neuromuscular

strength training on vertical jumping performance - A computer simulation study. Journal of

Applied Biomechanics, 17, 113–128., 2001;

[NEM 2010] NEMEȘ D., ONOFREI R., Fizioterapia în afecțiunile musculo –

scheletale, Curs, Universitatea de Medicină și Farmacie “Victor Babeș” Timișoara, LITO

U.M.F.T. 2010;

[NIC 2003] NICA A.S., Recuperare medicală, Editura Universitară Carol Davila,

București, 2003;

[OLN 1985] OLNEY S., WINTER, D., Predictions of Knee and Ankle Moments of

Force in Walking From EMG and Kinematic Data, Journal of Biomechanics, 18(1), 9-20,

1985;

[PER 1992] PERRY J., Gait analysis: Normal and pathological function, SLACK Inc,

USA, 1992;

[PER 2001] PERALES F.J., Human motion analysis and synthesis using computer

vision and graphics techniques. state of art and applications. Master's thesis, Department of

Computer Science Universitat de les Illes Balears (UIB), 2001;

[PIN 2003] PINZON E.G., Lumbar Spine Rehabilitation, An update on the use of

core muscle strengthening and lumbar spinal stabilization for patients with low back pain or



76

other indications of spinal musculo-skeletal dysfunction. Practical PAIN MANAGEMENT,

2003

[RAA 1997] RAASCH, C., ZAJAC, F., MA, B., LEVINE, S., Muscle Coordination of

Maximum-Speed Pedeling, Journal of Biomechanics, 30(6), 595-602, 1997;

[SAD 2000] SADEGHI H., ALLARD P., PRINCE F., LABELLE H., Symmetry and

Limb Dominance in AbleBodied Gait: A Review, Gait and Posture, 12, 34-45, 2000;

[SBE 1981] SBENGHE T., Recuperarea medicală a sechelelor porttraumatice ale

membrelor, Editura medicală, București, 1981;

[SBE 2002] SBENGHE T., Kinesiologia - ştiinţa mişcării, Bucureşti. Editura

Medicală, 2002;

[SCH 1990] SCHIEHLEN, W., Multibody System Handbook. Springer-Verlag,

Berlin, 1990;

[SCH 2006] SCHIEHLEN W., GUSE N., SEIFRIED R., Multibody dynamics in

computational mechanics and engineering applications 1, 2006;

[SPE 2002] SPEERS R.A., KUO A.D., Contributions of altered sensation and

feedback responses to changes in coordination of postural control due to aging, Gait &

Posture, 16, 20–30, 2002;

[THE 2002] THEOBALT C., MAGNOR M., SCHUELER P., SEIDEL H., Combining

2d feature tracking and volume reconstruction for online video-based human motion capture,

in: Proceedings of Pacific Graphics 2002, 2002;

[THE 2006] THELEN, D. G., CHUMANOV, E. S., SHERRY, M. A.,

HEIDERSCHEIT, B.C., Neuromusculoskeletal models provide insights into the mechanisms

and rehabilitation of hamstring strains. Exercise and Sport Sciences Reviews, 34, 135–141,

2006;

[VAU 1999] VAUGHAN C.L., DAVIS B.L., O’CONNOR J.C., Dynamics of human

gait, Second edition, Kiboho Publishers, 1999;

[VAU 2005] VAUGHAN C.L., MURPHY G.N., du TOIT L.L., Biomechanics of

human gait: electronic bibliography, Human Kinetics, Champaign, 2005;

[WIN 1984] WINTER, D., Pathologic Gait Diagnosis With Computer-Averaged

Electromyographic Profiles, Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 65, 393-398,

1984;

[WIN 2005] WINTER D.A., Human balance and posture control during standing and

walking, Gait & Posture, 3(4), 193–214, 2005;

[WIN 2008] WINIARSKI S., Mechanical energy fluctuations during walking of

healthy and ACL reconstructed subjects, Acta Bioeng. Biomech., 10(2), 57–63, 2008;

[WIN 2009] WINTER D.A., Biomechanics and Motor Control of Human Movement,

4th ed. New Jersey: John Wiley and Son Inc., 2009;



77

[ZAP 1995] ZAPPA, B., CASOLO, F., LEGNANI, G.,Analysis and Synthesis of 3D

Motion for Multi-Body Systems with Regards to Sport Performances, Ninth World Congress

on the Theory of Machines and Mechanisms, Milano, Italy, 1995,

[ZAT 1998] ZATSIORSKY V.M. - Kinematics of Human Motion. Editura Human

Kinetics (1998);

[ZHO 2008] ZHOU H., HU H, Human motion tracking for rehabilitation - A survey,

Biomedical Signal Processing and Control 3, 1–18, 2008.



78

REZUMAT

Teza de doctorat “CONTRIBUŢII LA ANALIZA MIŞCĂRILOR CORPULUI

UMAN CU APLICAȚII ÎN MEDICINA RECUPERATIVĂ” își propune să prezinte o

soluție de îmbunătățire și optimizare a programelor de recuperare postoperatorie a funcțiilor

motrice ale bolnavilor aflați într-un astfel de program, utilizând în procesul de modelare teoria

sistemelor multicorp și o serie de date experimentale obținute cu ajutorul unui sistem de

captură și analiză al mersului acestora.

Autoarea a efectuat o analiză a metodelor de captură și analiză a mișcării umane

pentru a alege componentele hardware și software ce vor intra în componența sistemului

propus pentru monitorizarea pacienților în perioada de recuperare postoperatorie și pentru

obținerea datelor experimentale. A fost propus un model matematic cu două elemente, cu

mișcare plan paralelă, care are două grade de libertate, întrucât mișcarea unui pacient operat

este foarte limitată. S-a realizat o bază de date (care conține coordonatele mișcării

articulațiilor principale ale piciorului uman:gleznă, genunchi și șold), pentru fiecare pacient,

necesară studiului dinamic al aparatului locomotor uman pentru analiza mişcărilor

corpului uman în timpul deplasării normale (mers normal).

S-a dovedit importanța și eficiența utilizării sistemului propus și utilizat în această

cercetare, prin informațiile obținute în urma prelucrării datelor experimentale, informații care

au fost oferite medicului kinetoterapeut și care au determinat o aplicare optimă, personalizată,

a metodologiei programelor de recuperare obținându-se astfel o durată scăzută și o eficiență

crescută a tratamentului. Astfel, redobândirea posibilității efectuării activităților cotidiene sau

profesionale de către pacient s-a realizat într-o o perioadă de timp redusă iar autoarea

recomandă utilizarea unui astfel de sistem care este accesibil, portabil, care poate (și trebuie)

să fie utilizat în mod frecvent.

Cuvinte cheie: medicină de recuperare, analiza mișcării, biomecanică

ABSTRACT

Ph.D. thesis “CONTRIBUTIONS TO THE ANALYSIS OF HUMAN BODY

MOTIONS WITH APPLICATIONS IN RECOVERY MEDICINE” aims at presenting a

solution to improve and optimise the post-surgery recovery programs of motor functions of

patients included in such programs, using in the modelling process the theory of multibody

systems and the experimental data obtained by help of a capture and analysis system of their

gait.

The author has conducted an analysis of capture and analysis of human motion

methods in order to assign performance of hardware and software components that will be

included into the proposed system for monitoring patients during postsurgical recovery period

and to obtain experimental data. A mathematical model with two elements, in plane motion,

with two DOF was proposed, since the motion of a patient which suffered surgery is very

limited. A database (containing motion coordinates from the main joints of human leg: ankle,

knee and hip) is created for each patient, this being required by the dynamical study of human



79

locomotor apparatus for gait analysis of human motion during normal displacements (normal

gait).

The importance and efficiency of the proposed system used in this research was

proven by the information determined following the experimental data processing,

information offered to the physical therapist and leading to an optimal customized application,

of the recovery programs methodology thereby achieving a reduced period of time and an

improved efficiency of the treatment. Thus, recovering the functionality of daily or

professional activities of the patient was done in a reduced time period, and the author

recommends the use of such a system that is affordable, portable, which can (and should) be

used frequently.

Keywords: medical recovery, motion analysis, biomechanics



80

Curriculum vitae

Informaţii personale

Nume , Prenume MUNTEANU, Mihaela Violeta

Adresă Str. Măcieşului, Nr. 5, Bl. A20, Sc. D, Ap. 12, Braşov, 500256, România

Telefon Mobil: +40 745359848

E-mail [email protected]

Naţionalitate Română

Data naşterii 02.03.1982

Sex Feminin

Experienţa profesională

Perioada 2006 - prezent

Funcţia sau postul ocupat Preparator

Numele şi adresa angajatorului Universitatea Transilvania din Braşov

Educaţie şi formare

Perioada 2012 - prezent

Funcţia sau postul ocupat Doctorand

Numele şi tipul instituţiei de

învăţământ

Universitatea Transilvania din Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică,

Braşov, România

Perioada 2006 – 2008

Diploma obţinută Diplomă de Master – Mecanică Computaţională


învăţământ

Universitatea Transilvania din Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică,

Braşov, România

Perioada 2005 – 2007

Diploma obţinută Diplomă de Master – Automation of Manufacturing Systems (master în

limba engleză)


învăţământ

Universitatea Transilvania din Braşov, Facultatea de Inginerie

Tehnologică, Braşov, România

Perioada 2000 - 2005

Diploma obţinută Diplomă de Licenţă – Inginer Diplomat

Domeniul Inginerie Industriala – Secţia PRODUCTICĂ


învăţământ

Universitatea Transilvania din Braşov, Facultatea de Inginerie

Tehnologică, Braşov, România

Perioada 1996 - 2000

Diploma obţinută Diplomă de Bacalaureat

Atestat de Programator (analist) ajutor operator tehnică de calcul

Domeniul Informatică


învăţământ

Liceul Industrial Hidromecanica

Braşov, România

Activitatea științifică

Lucrări publicate 40

Proiecte de cercetare 6 proiecte - colaborator

Limbi străine Engleza, Italiană



81

Curriculum vitae

Personal Information

Surname, First name MUNTEANU, Mihaela Violeta

Address Măcieşului street, No. 5, Bl. A20, Sc. D, Ap. 12, Braşov,

500256, România

Mobil +40 745359848

E-mail v.munteanu2unitbv.ro

Nationality Romanian

Date of birth 02.03.1982

Sex Female

Work experience

Dates 2006 - present

Occupation or position held Assistant professor

Name and address of employer Transilvania University of Brasov

Education and training

Dates 2012 - present

Title of qualification awarded PhD student

Name and type of organization

providing education and training

Transilvania University of Brasov, Faculty of Mechanical

Engineering, Brasov, Romania

Dates 2006 – 2008

Title of qualification awarded Master degree - Computational Mechanics

Name and type of organisation


Transilvania University of Brasov, Faculty of Mechanical


Dates 2005 – 2007

Title of qualification awarded Master degree – Automation of Manufacturing Systems

(master in English language)



Transilvania University of Brasov, Faculty of Technological


Dates 2000 - 2005

Title of qualification awarded Engineering Diploma

Domain Industrial Engineering– “PRODUCTICĂ” Department



Transilvania University of Brasov, Faculty of Technological


Dates 1996 - 2000

Title of qualification awarded Baccalaureate degree. Certificate of Developer (Analyst)

support operator computing technicque

Domain Informatics

Name and type of

organisation


Hidromecanica Industrial HighSchool

Brasov, Romania

Scientific activity

Published papers 40 scientific papers

Research projects 6 Research projects - collaborator

Foreign languages English, Italian

Documents

Universitatea Transilvania din Braşovold.unitbv.ro/Portals/26/Programe_studii/Doctorat/MunteanuMihaelaVioleta.pdf · Facultatea de Inginerie Mecanică ... Există numeroase cauze