4 Praktická část
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.
35
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.
36
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.
37
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
39
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
40
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.
41
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).
42
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 ovlivněn deformací nádoby a spojením obou komponent.
4.4.5 Analýza práce s myotonometrem a výsledků mě ení
Z výsledků mě ení plyne, že p edpoklady spojené s výzkumnými otázkami byly potvrzeny. Myotonometr se p i mě ení vzorků s danými vlastnostmi chová v souladu s teorií. Během mě ení jsme rovněž vyzkoušeli funkčnost p ístroje pro jeho použití pro náročnější úlohy, jako nap íklad stanovení referenčních hodnot síly a disipované energie pro referenční materiály a tím experimentální podložení empirických mě ení na myotonometru.
Během mě ení ale také došlo k odhalení některých chyb. Myotonometr nap íklad nesprávně počítal disipovanou energii, která tak byla ve výsledku poloviční než by měla být. K odhalení této chyby došlo díky nesrovnalostem mezi hodnotou z tabulky exportované z myotonometru a hodnotou disipované energie kterou jsme spočetli p i zpracování jednotlivých mě ení.
44
Další odhalená chyba se vyskytla p i exportu dat do souboru. Export dat starších mě ení načtených z paměti myotonometru totiž vytvo il prázdný soubor. Mechanicky p ístroj fungoval velmi dob e, narazili jsme jen na nutnost použití podložky (tuhé) u menších vzorků, protože myotonometr p i indentaci došel do maxima rozsahu pro svislý pohyb ramene s indentorem a tak mě ení nemohl dokončit.
Kromě odhalení chyb jsme také dospěli k závěrům a doporučením pro další rozvoj p ístroje i metody samotné. Jsou to p edevším praktická doporučení pro software myotonometru. Některá vylepšení byla v době odevzdání práce již p ipravena ale ne implementována.
Praktická doporučení:
Možnost p idat poznámku k mě ení i po provedení mě ení.
Export do lepšího formátu pro usnadnění zpracování dat.
Zobrazení poznámek p i výběru načtení dat, pop ípadě listování jednotlivými mě eními.
Snadnější možnost vymazání profilu nebo záznamu.
Zvážení navýšení softwarového limitu síly, pro některé aplikace, nap íklad spastické svaly, by daný limit mohl být p íliš nízký a mě ení by nemuselo být dokončeno.
Zvážení možnosti lépe porovnat jednotlivá mě ení p ímo v prost edí myotonometru
45 5 Závěr
Mě ením vzorků byly výzkumné otázky o jednotlivých vzorcích konfrontovány s p edpoklady pro jednotlivé vzorky vycházejícími z teorie mechaniky viskoelastických těles. Tyto p edpoklady se dob e shodovali s výsledky jednotlivých mě ení. Kromě toho myotonometr prokázal svojí p ipravenost pro klinický výzkum a složitější experimenty, p i kterých může být pokládán za spolehlivý zdroj informací o indentovaném tělese.
Během mě ení jsme odhalili chybu ve výpočtu disipované energie a poskytli zpětnou vazbu pro nápravu chyb, stejně jako adu dalších podnětů pro vylepšení p ístroje zejména z uživatelského hlediska.
Data z myotonometru nabízí adu možností dalšího zpracování, nap íklad časový sběr pro posuzování účinnosti léčby nebo rehabilitace a srovnávání jednotlivých mě ení u stejného klienta v různých obdobách. Metoda se stále rozvíjí a tak už existují nap íklad postupy pro určení explicitní hodnoty tuhosti a viskozity z dat namě ených myotonometrem nebo možnosti dalšího zpracování dat a zejména tvaru k ivek.
Práce s myotonometrem a celá problematika reologických vlastností viskoelastických těles byla velmi zajímavá stejně jako spolupráce s mnoha odborníky a rád se k ní v budoucnu vrátím v rámci dalšího vzdělávání.
46 6 Literatura
[1] BENEŠ, Ji í, JIRÁK, Daniel, VÍTEK, František. Základy lékařské fyziky. 4. vydání. Praha:
Univerzita Karlova, Karolinum, 2015. ISBN 978-80-246-2645-1.
[2] TROJAN, Stanislav. Lékařská fyziologie. 4. p eprac. a dopl. vyd. Praha: Grada, 2003. ISBN 978-80-247-0512-5.
[3] RIPKA, Pavel. Senzory a převodníky. ČVUT, Praha, 2011. ISBN ř7Ř-80-01-04696-8.
[4] JENČÍK, Josef, VOLF, Jaromír. Technická měření. ČVUT Praha, 2000. ISBN Ř0-01-02138-6.
[5] BURIANOVÁ, Ludmila, ČMELÍK, Milan, MACHONSKÝ, Lubor, PANOŠ, Stanislav.
Úvod do fyzikálních měření. TUL, Liberec, 2012. ISBN 978-80-7372-819-9.
[6] FENEIS, Heinz, DAUBER, Wolfgang Anatomický obrazový slovník. Grada, Praha, 1996.
ISBN 80-7169-197-6.
[7] MYSLIVEČEK, Jaromír, TROJAN, Stanislav. Fyziologie do kapsy. Praha: Triton, 2004.
ISBN 80-7254-497-7.
[8] TROJAN, Stanislav. Fyziologie a léčebná rehabilitace motoriky člověka. 3. p eprac. a dopl.
vyd. Praha: Grada, 2005. ISBN 80-247-1296-2.
[9] AMBLER, Zdeněk. Neuropatie a myopatie. Praha: Triton, 1999. ISBN 80-7254-060-2.
[10] ELIŠKA, Old ich, ELIŠKOVÁ, Miloslava. Aplikovaná anatomie pro fyzioterapeuty a maséry. Praha: Galén, 200ř. ISBN ř7Ř-80-7262-590-1.
[11] DYLEVSKÝ, Ivan. Speciální kineziologie. Praha: Grada, 2009. ISBN 978-80-247-1648-0.
[12] KOLÁ , Pavel, MÁČEK, Miloš. Základy klinické rehabilitace. Praha: Galén, 2015. ISBN 978-80-7492-219-0.
[13] YAN-PING, Huang, YONG-PING, Zheng. Measurement of Soft Tissue Elasticity in Vivo:
Techniques and Applications. CRC Press, 2015. ISBN 978-1-4665-7628-5
47
[14] OUBAL, Stanislav a kol. Mechanické chování viskoelastických těles. Praha: Karolinum, 2011. ISBN: 978-80-246-2035-0.
[15] ŠIFTA, Petr, OTÁHAL, Stanislav, SÜSSOVÁ, Jana, Měření viskoelastických vlastností tkání při spastickém syndromu. Kontakt. 2005, vol. VII, no. 1-2, s.153-156. ISSN 1212-4117
[16] ENOKA, Roger M. Neuromechanical basis of kinesiology. 2nd ed. Champaign, Ill.:
Human Kinetics, 1994. ISBN 08-732-2665-8.
[17] HOLUBOVÁ, Renata. Základy reologie a reometrie kapalin. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2014. ISBN 978-80-244-4178-8.
[18] STEVENSON, Valerie, JARRETT, Louise. Spasticity Management. Second edition. CRC Press, Taylor & Francis group. 2016. ISBN 978-1-4822-9953-3.
[19] ROSINA, Josef, KOLÁ OVÁ, Hana, STANEK, Ji í. Biofyzika pro studenty zdravotnických oborů. 1. vydání. Praha: Grada, 2006. ISBN 80-247-1383-7.
[20] Wikipedie – otev ená encyklopedie. [online] USA: Wikipedia Foundation,2016. Dostupné z: http://www.wikipedia.org/
[21] Funkce buněk a lidského těla. Multimediální skripta [online] Praha: 3.LF UK, ©2015. [cit.
20. 12. 2016]. Dostupné z: http://fblt.cz s aplikacemi 1. 1. vydání. Liberec: Adhesiv, Liberec 2003. ISBN: Ř0-239-1416-2.
[25] KYSELA, M., aj. Detektor viskózních a elastických složek měkkých tkání in vivo, in situ [technická dokumentace]. Myotonometr v1/2016, Technická univerzita v Liberci 2016.
[26] KYSELA, M. a M. KOLÁ . Myotonometer – Device for Measurements of Viscoelastic Characteristics of Soft Tissues. ELEKTRO 2016 – 11th International Conference, Proceedings.
1. vyd., 2016. S. 556 – 560. ISBN 978-146738698-2.
48
[27] ŠIFTA, P., M. KYSELA, M. KOLÁ a V. BITTNER. Zařízení pro detekci viskózních a elastických složek měkkých tkání in vivo, in situ pomocí myotonometrie [užitný vzor]. Zapsán dne 23. 5. 2016 pod číslem 2ř456.
[28] KYSELA, M., aj. Identifikace viskózních a elastických složek měkkých tkání in vivo, in situ pomocí myotonometrie. In: XXXVIII. Dny léka ské biofyziky. 1. vyd. Praha: 1. léka ská fakulta Univerzity Karlovy v Praze, 2015. S. 29. ISBN 978-80-7259-068-1.
49 Přílohy
P íloha A: Kompaktní disk
- CD je p iloženo na zadní straně desek bakalá ské práce
- CD obsahuje celou práci v elektronické podobě stejně jako zadání - CD obsahuje protokoly pro jednotlivá mě ení, zdrojová data a
soubory formátu *.xlsx použité pro zpracování dat Obsah p iloženého CD:
Text bakalá ské práce
- Bakalá ská_práce_2017_Lindauer_Vojtěch.docx - Bakalá ská_práce_2017_Lindauer_Vojtěch.pdf - Zadání_BP_kopie_2017_Lindauer_Vojtěch.pdf
Namě ená data exportovaná z myotonometru a další data - data\balon_voda\
- data\molitan\
- data\mouka\
P íloha – protokoly k mě ení
- protokoly\ProtokolBalonek.pdf - protokoly\ProtokolMolitan.pdf - protokoly\ProtokolMouka.pdf
Soubory *.xlsx použité pro zpracování - tabulky\
50 P íloha B: Protokoly k jednotlivým mě ením
Měření číslo 1: výsledek indetace elastického tělesa myotonometrem Mě ení provedl: Vojtěch Lindauer
Datum mě ení: 2. 3. 2017
Mě ený vzorek: elastický balonek naplněný vodou Počet mě ení: 11
Balonek byl ve spot ební vaničce uchycen pomocí nepružné výstelky, aby nedošlo k jeho pohybu během mě ení. Mě ení probíhalo opakovaně s obdobným výsledkem. Vyzkoušeny byly různé hloubky indentace a různé polohy balonku ale vliv na výsledek mě ení byl minimální. Disipovaná energie byla v rozmezí 0,4-1,5 mJ. Síla v maximální hloubce indentace byla do řN. Data jednotlivých mě ení jsou v surovém stavu na p iloženém CD spolu se souborem aplikace excel, kde došlo ke zpracování do grafu viz níže.
51
52
Měření číslo 2: výsledek indetace plastického tělesa myotonometrem Mě ení provedl: Vojtěch Lindauer
Datum mě ení: 6. 3. 2017
Mě ený vzorek: sáček naplněný sypkou moukou Počet mě ení: 11
Sáček s moukou se choval jako relativně homogenní, izotropní těleso až na malé zhuštěniny, které p i indentaci u některých mě ení způsobily výkyvy na zatěžovací k ivce síly, právě mě ení s tímto výsledkem jsme zvolili pro prezentaci, jelikož je to výsledek zajímavý ukazující citlivost myotonometru i na malé výkyvy.
Plastické těleso bylo zvoleno jako p íklad vzorku vykazující velmi velkou disipační energii, u plastického vzorku se energie spot ebuje na deformaci a do původního tvaru se už těleso nevrátí. Surová data z jednotlivých mě ení jsou obsažena na p iloženém CD, stejně jako soubor aplikace excel použity pro zpracování daného mě ení viz graf níže.
53
54
Měření číslo 3: výsledek indetace viskoelastického tělesa myotonometrem Mě ení provedl: Vojtěch Lindauer
Datum mě ení: 30. 3. 2017
Mě ený vzorek: suchá polyuretanová pěna (molitan) Počet mě ení: ř
Na rozdíl od p edchozích mě ení, kdy jsme chtěli výzkumnou otázkou a vhodným vzorkem ově it, zda myotonometr mě í význačné vzorky očekávaným způsobem, u toho mě ení jsme použili vzorek, který se svými vlastnostmi p ibližuje živé tkání a ově ovali závislost tuhosti a disipační energie na rychlosti indentace a tím vliv viskózní složky na mě ení. Relativní tuhost tedy odpor materiálu proti deformaci stejně jako disipační energie s vyšší rychlostí indentace rostly viz tabulka.
55
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