Technické parametry myotonometru - Teoretické základy pro reologické pojetí živých tkání

3 Teoretické základy pro reologické pojetí živých tkání

3.3 Myotonometr

3.3.1 Technické parametry myotonometru

Myotonometr váží asi 15 kg s pevnou hliníkovou konstrukcí, která je dostatečně tuhá a tak svou pružností neovlivňuje mě ení. Má pevnou část a pohyblivou mě ící část – rameno. Na rameni je upevněn indentor, plastový p ípravek s definovanou plochou, který je svislým pohybem vno en do mě eného vzorku. Indentor může mít různé tvary, ale v zásadě je dvojího typu, válcový s plochým koncem nebo se zaobleným koncem, a je p ipevněn závitem ke konci ramena. Myotonometr je samostatné za ízení napájené síťovým st ídavým napětím 230V, které následně transformuje na 44V. Tím je napájen t ífázový krokový motor, který je ovládaný pulsy generovanými mikroprocesorem, jeho maximální kroutící moment je 2 N·m. Krokový motor má rotor vyrobený z permanentního magnetu, kolem něhož je rozmístěn stator složený z cívek, které spouštěné elektronickým ízením otáčejí rotorem v požadovaném směru. T ífázový krokový motor je ovládán skupinami t í cívek čímž se dosahuje vyššího krouticího momentu. Rameno se posouvá po závitové tyči se stoupáním 3mm.

ízení mikroprocesorem pomocí pulsů umožňuje softwarové nastavování hloubky a rychlosti indentace nebo nap íklad počet bodů mě ení a tím vytvá ení různých profilů indentace.

Obrázek 3 – fotografie myotonometru (zdroj: vlastní)

Myotonometr má dvě pojistky, aby nemohlo dojít k poškození mě eného vzorku a to jednak softwarovou pojistku, která zajišťuje, že síla, kterou myotonometr působí, nep esáhne 30N, a mechanickou pojistku, která v p ípadě nadlimitní síly působící na indentor “vycvakne“ část ramena s indentorem a zablokuje svislý pohyb. Je také vybaven baterií, která neslouží k provozu, ale k uchování dat a nabootovaného systému během fyzické manipulace s myotonometrem. [24] [25] [26]

28 3.3.2 Funkce myotonometru

Myotonometr je ovládán externím za ízením, nap . počítačem nebo chytrým telefonem, se kterým komunikuje p es síť wi-fi pomocí webového rozhraní, které je spuštěno na operačním systému Linux. Wi-fi je bezdrátová sít pro počítačovou komunikaci podle standardu IEEE 802.11 dnes nejčastěji operující na frekvencích 2,4 a 5 GHz. Pomocí webového rozhraní lze pro vestavěný software myotonometru nastavit parametry jako hloubka h [mm] indentace nebo rychlost zano ování. Maximální hloubka vniku je 3,5 cm. Rozhraní také potenciálně umožňuje nastavit různé profily zano ování, v základním profilu myotonometr jen zano í indentor do nastavené hloubky a vyjede zpět. Po nastavení parametrů mě ení je myotometr p ipraven k mě ení. Další manipulace může probíhat jen na myotonometru, aby nebylo nutné obsluhovat dvě za ízení zároveň. Osoba obsluhující p ístroj nastaví rameno s indentorem do polohy těsně v kontaktu s vyšet ovanou tkání, pohyblivé rameno reaguje na tlak a nechá se vést, a pak může p ístroj spustit ovládacím tlačítkem na vrchní straně ramena myotometru.

Obrázek 4 – Schématický popis vrstev tkání při indentaci (zdroj: vlastní) Me ící část myotonometru je realizována odporovým tenzometrem využívajícího deformace odporového drátku, který mění svůj elektrický odpor díky piezorezistivnímu

jevu. Pomocí známé kontaktní plochy indentoru dokáže myotonometr z tlaku v pascalech na tenzometru určit působící sílu v newtonech ze vztahu:

(Rovnice 7)

Spojitý signál z tenzometru musí být následně p eveden analogově digitálním p evodníkem, aby ho bylo možno počítačově zpracovat. P edtím než je navzorkován na diskrétní hodnoty, prochází signál RC filtrem typu dolní propust, čímž omezíme vyšší frekvence. Samotné navzorkování poté probíhá dle Nyquistova teorému minimálně dvojnásobnou vzorkovací frekvencí než je nejvyšší frekvence vyskytující se ve vzorkovaném signálu, aby nedošlo k p eložení vyšších frekvencí do nižších (aliasingu).

[23] [24] [25] [26]

3.3.3 Výsledek mě ení myotonometrem

Výstupem myotometru je graf závislosti síly F na hloubce zano ení h, zvaný indentační k ivka nebo také bioreogram. P i maximálním zano ení získáme maximální sílu Fmax kterou p ístroj musel působit, aby se do dané hloubky dostal. P i zpětném pohybu svisle vzhůru se síla na indentor snižuje s jiným průběhem než p i vno ení, vzniká tak hysterezní k ivka, skládající se ze zatěžovací a uvolňovací k ivky, ze které lze usuzovat míra viskozity zkoumané tkáně.

Zatěžovací k ivka vzniklá p i zano ování ukazuje, jak rostla síla vypočtená z tlaku působícího na tenzometr p i zvyšování hloubky zano ení konstantní rychlostí. Čím tužší těleso indentujeme, tím je maximální síla Fmax, pot ebná pro zano ení do dané hloubky, vyšší. U současného p ístroje nelze tedy určit hodnotu tuhosti daného vzorku, ale lze porovnat jednotlivé maximální síly u různých vzorků proti sobě, nebo proti vhodnému referenčnímu materiálu.

Na k ivku mají vliv dvě tlakové složky, a to složka elastická a viskózní.

Elastická složka odpovídá tlaku pot ebnému k vratné deformaci zkoumaného vzorku, viskózní složka se projevuje tak, že pro deformaci je pot eba vyvinout vyšší tlak kvůli vnit ním tečným napětím mezi vrstvami materiálu, které tvo í odpor proti jejich

vzájemnému pohybu. Tento tlak je tím vyšší, čím rychleji daná změna probíhá.

Elastická složka je vždy kladná a p ispívá k celkovému tlakovému napětí, zatímco viskózní je v zatěžovací kladná a p i odlehčování záporná a tím snižuje celkové napětí snímané indentorem. P i konstantní rychlosti zano ení a p i následném vyno ení se část energie spot ebuje na časový průběh deformace a tato energie se v materiálu rozptýlí (disipuje). P i vyno ení stejnou rychlostí se tak vzorek kvůli viskozní složce nevrací do původního stavu stejně rychle, jako se deformoval a síla, kterou myotonometr působí na vzorek, je ve stejné hloubce indentace nižší než p i zano ování, vzniká hysterézní k ivka.

Mě ením tedy získáme p ímo číselnou hodnotu síly, kterou můžeme porovnávat a zpracovávat statistickými metodami. Tlak a síla jsou ve zpracování dat p evodem p es plochu indentoru zaměnitelné transformací . U disipované energie je situace složitější. K ivku elastické složky získáme průměrováním součtu hodnot síly zatěžovací F⁺ a uvolňovací k ivky F^- v dané hloubce zano ení.

(Rovnice 8)

Viskózní k ivku získáme průměrováním rozdílu hodnot tlaku nebo síly zatěžovací a uvolňovací k ivky v dané hloubce indentace, tedy:

(Rovnice 9)

Viskózní složka je závislá na rychlosti indentace a tak je v počátku a v maximální hloubce indentace nulová. Tím vzniká uzav ená k ivka. Disipační energie je poté vymezena plochou mezi zatěžovací a uvolňovací k ivkou.

V p ípadě zcela elastického vzorku by průběh vno ení i vyno ení indentoru sledoval stejnou k ivku, u starších modelů myotonometrů se průběh vyno ení ani nesledoval. Pokud je vzorek viskózní, má průběh deformace také časovou složku, která se projeví tím, že návrat do původního tvaru nesleduje rychlost vyno ování. Vzniká hysterezní k ivka a plocha mezi k ivkami poté odpovídá energii disipované ve tkáni Edisip (viz graf 1). Z myotonometru jsou tedy výstupem dvě hlavní veličiny Fmax která odpovídá tuhosti a Edisip která odpovídá viskozitě. Myotonometr nedokáže vyčíslit závislé veličiny, dokáže ale srovnávat jednotlivá mě ení oproti sobě nebo oproti referenčnímu mě ení.

Graf 1 – indentační křivka (zdroj vlastní)

V současné době probíhají práce zkoumající, zdali se z k ivky matematicky nedá vyčíst nějaká další informace. K ivka se pak matematicky popisuje jako závislost tlaku P do tkáně na hloubce zano ení h ( ) s maximem v bodě A [P^max;hmax]. Taková závislost se poté dá pro účely zpracování nap íklad proložit polynomem n-tého ádu.

(Rovnice 12)

Dále se zdá zkoumat zvlášť elastická a viskózní složka a jejich průběhy (modul elasticity, modul viskozity). Elastická k ivka je neklesající k ivka s proměnným zak ivením, lze tedy u ní nap íklad sledovat k ivost. Na základě dalších mě ení a p ípadných dalších pracích bude možné empiricky popsat zdravotní stavy a patologie související s jednotlivými tvary k ivek.

Také jsou dostupné postupy, pomocí kterých jde z výsledku mě ení p ímo dopočítat veličiny tuhost a viskozitu v odpovídajících jednotkách.

33 4 Praktická část

4.1 Cíle praktické části

Cílem praktické části bakalá ské práce bylo vytipovat vhodné vzorky pro verifikační a pop ípadě kalibrační mě ení na myotonometru, následně provést mě ení a porovnat výsledky mě ení s p edpoklady pro dané vzorky. Dalším úkolem bylo vyzkoušení práce se samotným myotonometrem a ově ení jeho funkčnosti. Jedná se totiž o p epracovaný a upravený prototyp. Zároveň jsme během mě ení narazili na některé věci a p ístupy, které by bylo možné na p ístroji vylepšit, a tím poskytli zpětnou vazbu pro další rozvoj metody. Mě ení probíhalo v centru sportovní medicíny FP TUL.

4.2 Průběh mě ení

Na vlastnosti mě ení a vzorků bylo několik základních požadavků. Jednoduchost mě ení je nejspíše první z nich. Chtěli jsme takové vzorky, které bude snadné získat a které půjdou dob e mě it. Dalším velmi důležitým požadavkem byla reprodukovatelnost mě ení v p ípadě pot eby. Jelikož cílem mě ení byla verifikace veličin namě ených myotonometrem, bylo by vhodné, aby sama verifikace byla verifikovatelná opakovaným mě ením. T etím požadavkem na mě ení byla eliminace možných chyb, zejména uhnutí vzorku pod tlakem a tím jeho posunu. Pokud by totiž vzorek nezůstal ve stejné pozici po celou dobu mě ení, došlo by ke zkreslení poklesem síly působící na indentor a schodovitému průběhu závislosti síly na hloubce indentace. Tento požadavek jsme vy ešili spot ební plastovou vaničkou a takovou velikostí vzorku aby se op el o stěny nádoby a tím upevnil svou polohu v průběhu mě ení. Vzorek musel mít také určitou výšku, jelikož myotonometr nemohl mě it ve spodní části pohybu ramene v plném vertikálním rozsahu a docházelo ke zkreslení, zastropování síly, podobně jako kdyby došlo k dovršení softwarové pojistky pro maximální povolené zatížení indentoru.

Softwarová pojistka pro maximální sílu působící na vzorek, která v daném nastavení byla limitovaná horní hranicí 30N, také omezovala výběr vzorku. Museli jsme totiž najít takový, který bude splňovat p edpokládané vlastnosti do daného horního limitu působící síly. V souvislosti s tím jsme také použili různé hloubky indentace tak aby došlo

k p esnému mě ení a nedošlo k poškození vzorku. Rozmezí hloubky indentace se pohybovalo mezi 10-30mm, p ičemž nejčastější a relativně standardní použitou hloubkou indentace bylo 20mm. Pro mě ení byl použit nejjednodušší cylindrický indentor, jehož parametry jsou uložené v myotonometru.

4.3 Zpracování dat myotonometru

K ovládání myotonometru jsme použili vlastní p enosný počítač, který s myotonometrem komunikoval pomocí wi-fi bezdrátové sítě. Součástí myotonometru je sice p iložený tablet který je zcela postačující pro jeho ovládání pomocí webového rozhraní, dokonalejší počítač je však pro samotné ovládání a zejména pro následné zpracování a extrahování dat daleko vhodnější a pohodlnější. Pro myotonometr byla plánovaná funkce pro p ímé extrahování dat do formátu *.csv, v době mě ení však ještě tato možnost nebyla implementována. Pro účely mě ení jsme vytvo ili nový umělý profil imaginární osoby a využili i možnosti p idat poznámku k jednotlivým mě ením.

Software myotonometru má implementované funkce pro zpracování dat a tak ukazuje elastickou i viskózní složku působící síly a dovoluje bez dalšího zpracování pohodlnou interpretaci dat. Myotonometr také umožňuje zobrazit p ehled jednotlivých mě ení daného profilu do tabulky, odkud lze vyčíst maximální zatížení, disipovanou energii a další parametry pro jednotlivá mě ení. Abychom mohli data dále použít, bylo nutné je exportovat. Data byla exportována jako soubor txt ve formátu množiny sou adnic hloubky indentace a jí odpovídající síle.

Data v tomto formátu ovšem nebyla zcela vhodná ke zpracování, jelikož jednotlivé body byly napsány v jednom ádku v závorkách odděleny uvozením a čárkou.

Obrázek 5: surová data exportovaná z myotonometru (zdroj vlastní) Následné zpracování dat bylo prováděno v tabulkovém procesoru MS Excel.

Tato aplikace disponuje vnit ními funkcemi pro čtení dat z textového souboru, tato funkce je ale vhodná zejména pro data se azená do sloupců s jednotnou ší kou sloupce nebo oddělená jednotlivými dělícími znaky. Pro data formátovaná do ádku oddělená větším množstvím dělících znaků se funkce Excelu ukázaly nedostatečné, bylo tedy nutné data p edzpracovat. Nejd íve jsme ze souboru vyt ídili pouze sou adnice bodů a rozdělili data na dva soubory: jeden pro údaje o zatěžovací části k ivky p i pohybu dolů a druhý pro část dat popisující uvolňovací průběh síly pohybu nahoru. Následně jsme z textového souboru funkcí nahrazení znaku odstranili všechny p ebytečné znaky, aby bylo pro MS Excel snazší identifikovat jednotlivé sloupce.

Obrázek 6: data v textovém souboru připravená pro konverzi do tabulky (zdroj vlastní)

Nyní nebylo těžké data importovat do tabulky MS Excel z obou textových souborů odpovídající pohybu indentoru dolů a nahoru, problém ale bylo, že byla stále

azená za sebou jako seznam sou adnic bodů. Vznikla tedy tabulka, kde se st ídaly sloupce obsahující sou adnici odpovídající hloubce indentace a působící síle. Vytvo ili jsme tedy funkci, která pomocí indexování sloupců vždy četla data z každého druhého

ádku a tím vytvo ila sloupec hodnot hloubky indentace , a obdobným způsobem jsme vytvo ili sloupec hodnot odpovídající síly.

Obrázek 7: roztřídění souřadnic bodů do sloupců (zdroj vlastní) Nyní již byla data p ipravena pro prezentaci a pro interpretaci závěrů. Tento postup ale musel být učiněn s každým jednotlivým mě ením a tak i když jsme jednotlivé vzorky mě ili vícekrát za různých podmínek nap íklad s různou hloubkou indentace, prezentujeme vždy závěry z mě ení jednotlivých vzorků jako jedno mě ení, protože díky interpretaci každého mě ení samotným myotonometrem bylo možné už během mě ení orientačně porovnávat jednotlivé situace a vzhledem k výběru vzorků si byla jednotlivá mě ení na jednom vzorku velmi podobná.

V softwarovém prost edí myotonometru je zobrazena zatěžovací i uvolňovací část i spočtené sledované parametry. Jak psáno výše, mohli jsme tedy rovnou porovnávat jednotlivá mě ení, jestli odpovídají očekáváním. Prost edí je velmi jednoduché a intuitivní (viz obrázky níže).

Abychom splnili cíle mě ení, tedy ově ení výsledků myotonometru na vzorcích se známými vlastnostmi, vzali jsme vzorky s dob e p edpokládatelnými reologickými vlastnostmi a položili si výzkumnou otázku, jak bude mě ení na vzorku vypadat a jestli to bude v souladu s našimi p edpoklady.

Obrázek 8: prostředí myotonometru před měřením (zdroj vlastní)

Obrázek 9: prostředí myotonometru během měření (zdroj vlastní)

38 4.4 Výzkumné otázky a mě ení

4.4.1 Výzkumná otázka: výsledek mě ení elastického tělesa

Prvním vzorkem, který bylo vhodné namě it pro účely verifikace myotonometru bylo těleso, které se chovalo v souladu s Hookovým zákonem, tedy těleso elastické.

P edpoklad pro takové mě ení byl, že by závislost působící síly na deformaci byla lineární a disipovaná energie zcela minimální v souladu s dalšími vlivy na mě ení, jako deformace podložky nebo uchycení vzorku a nep esnosti samotného mě ení.

Jako vzorek byl nakonec zvolen elastický balonek naplněný vodou. Komerčně vyráběné balonky mají dobré elastické vlastnosti a jsou snadno získatelné. Voda se oproti tomu p i daných silách chová jako nestlačitelná a málo viskozní kapalina a slouží tak jako dobré medium pro p enos síly působícího indentoru na stěny balonku. Balonek byl umístěn do plastové vaničky, aby nedošlo k jeho posunu během mě ení. Na balonku proběhlo vícečetné mě ení s různou hloubkou indentace, ale chování bylo vždy témě totožné, jak bylo možné posoudit z výsledků prezentovaných myotonometrem.

Graf 2: indentační křivka měření elastického tělesa (balonek) (zdroj vlastní) Maximální síla se během mě ení pohybovala mezi 5-6N (podle polohy balonku), disipovaná energie byla p i většině mě ení pod 1mJ. Jak je z ejmé z grafu, závislost síly

na hloubce indentace a tedy i deformace je lineární a to odpovídá p edpokladu, že p i mě ení myotonometrem se vzorek chová podle Hookova zákona. Elastická složka splývá se zatěžovací a uvolňovací složkou zatímco viskózní složka je zcela minimální.

4.4.2 Výzkumná otázka: výsledek mě ení plastického tělesa

Dalším vzorkem, jehož chování p i mě ení myotonometrem bylo zajímavé ově it bylo těleso plastické. Musel to být takový vzorek, který se bude dob e deformovat i p i malých silách jaké používá myotonometr p i mě ení. Pro tento účel se jevil nejvhodnější sypký vzorek, který dob e spot ebuje působící energii na deformaci, ale následně neklade odpor indentoru.

Graf 3: indentační křivka měření plastického vzorku (mouka) (zdroj vlastní)

Výsledná k ivka by tedy měla stoupat v souladu se silou pot ebnou k deformaci, ale uvolňovací k ivka by měla prakticky ihned klesnout k nule, což odpovídá tomu, že je indentor vytažen ze vzorku a nadále na něj nepůsobí žádná síla. Jako vzorek byla

použita mouka, protože má jemné částice, která byla umístěna v nepružném sáčku, aby držela tvar během mě ení a chovala se jako homogenní, izotropní těleso.

Z grafu je z ejmé, že v uvolňovací části k ivky skutečně došlo k velmi rychlému poklesu síly, odpovídajícímu vytažení indentoru ze vzorku a s tím souvisejícího ukončení působení síly na indentor. Na zatěžovací části k ivky je patrné zakolísání působící síly p i deformaci sypkého materiálu tam, kde došlo k p ekonání pevnosti lokálních zhuštěnin vzorku (nebyl tedy ideálně homogenní). To že myotonometr dokáže zaznamenat podobné lokální výchylky je ale výhodné pro jeho klinické využití, nap íklad pro hodnocení tremoru (t esu) nebo námahy p i práci svalu.

4.4.3 Výzkumná otázka: výsledek mě ení viskoelastického tělesa

Výzkumný p edpoklad byl, že pro mě ení tělesa, které má jak elastické tak i viskózní vlastnosti by mělo být dosažení k ivky podobné k ivce namě ené p i mě ení na živém vzorku, tedy neklesající hysterézní k ivky. Možností, jaký vzorek využít bylo více, ale ne každý byl úplně vhodný. Ne každý vzorek vyprodukoval k ivku rostoucí stejným způsobem, nap íklad menší vzorky byly kvůli deformaci stěn v konečné části stoupání k ivky p íliš lineární. Nakonec byla jako vzorek použita silná deska z pěnového polyuretanu (molitan). Viskózní člen jsme chtěli zvětšit pono ením do vody, vzorek poté ale vykazoval p íliš viskózní vlastnosti. Po namě ení na suchém molitanu jsme dostali k ivku velmi podobnou mě ení na živé tkáni. Abychom vyzkoušeli a ově ili závislost viskózního členu na rychlosti deformace, indentovali jsme různou rychlostí a to do hloubky indentace 30mm. Výsledný tvar k ivky byl víceméně stejný, ale maximální síla (tuhost vzorku) a disipovaná energie závislé na viskózním členu se s rychlostí mírně měnily.

Tabulka 1: výsledek měření viskoelastického tělesa při různých rychlostech indentace (zdroj vlastní)

číslo mě ení rychlost indentace Fmax Edis

1 1 mm/s 19,1 N 78,8 mJ

2 2 mm/s 19,5 N 80,0 mJ

3 3 mm/s 19,7 N 81,1 mJ

4 4 mm/s 20,0 N 82,6 mJ

5 5 mm/s 20,1 N 83,5 mJ

Je tedy z tabulky z ejmé, že se zdánlivá tuhost vzorku a disipovaná energie zvyšují s rychlostí indentace, což je p esně vývoj, který bychom od vzorku s viskózní složkou chování očekávali. Na další stránce jsou dva grafy, na prvním jsou zobrazeny k ivky jednotlivých mě ení a je na něm vidět postupný růst maximální síly. Na dalším grafu je poté vybráno jedno mě ení stejně jako u p edchozích mě ení, v tomto p ípadě je to rychlost 3mm/s, tedy rychlost kterou byly mě eny i p edchozí vzorky. Toto mě ení je svými vlastnostmi velmi podobné mě ení živé tkáně (viz indentační k ivka graf 1 na straně 34).

Graf 5: indentační křivka měření viskoelastického vzorku (molitan) (zdroj vlastní)

Graf 4: křivky jednotlivých měření viskoelastického vzorku (zdroj vlastní)

43 4.4.4 Mě ení dalších vzorků

Samoz ejmě během praktické části došlo p i hledání vzorku s dob e definovanými vlastnostmi k mě ení většího množství vzorků a každé mě ení bylo několikrát opakováno. Mě en byl tak nap íklad balónek naplněný olejem, který vykazoval dobré viskoelastické vlastnosti jen p i velmi mělké indentaci, poté p evážily elastické parametry balónku dané jejich výraznou pružností a celý průběh se postupně linearizoval. V rámci testování plastického tělesa jsme vyzkoušeli papírovou kouli, taková sice vykazovala vysokou disipovanou energii ale opakovatelnost mě ení a jeho definovatelnost byla diskutabilní.

Některé vzorky, jako nap íklad mokrý molitan, neměly dostatečnou tuhost a tak síla pot ebná pro další indentaci klesala a tím došlo ke sklopení zatěžovací části k ivky k vodorovné ose. Proběhl také pokus o vytvo ení elastoplastického tělesa spojením sypkého materiálu a elastické membrány. Výsledek mě ení takového tělesa byl ale p íliš

In document Zpracování a analýza výstupu z myotonometru a jeho možné využití v praxi (Page 27-0)