Zpracování a analýza výstupu
z myotonometru a jeho možné využití v praxi
Bakalářská práce
Studijní program: B3944 – Biomedicínská technika Studijní obor: 3901R032 – Biomedicínská technika Autor práce: Vojtěch Lindauer
Vedoucí práce: PhDr. Petr Šifta, Ph.D.
Liberec 2017
Myotonometer output processing and analysis and its possible uses in practice
Bachelor thesis
Study programme: B3944 – Biomedical Technology Study branch: 3901R032 – Biomedical Technology
Author: Vojtěch Lindauer
Supervisor: PhDr. Petr Šifta, Ph.D.
Liberec 2017
Poděkování
Děkuji PhDr. Petru Šiftovi, Ph.D. za vedení bakalá ské práce, rady, p ipomínky, pomoc a up ímné a cenné rady. Velice děkuji Mgr. Václavu Bittnerovi za odbornou pomoc a dobré rady p i zpracovávání praktické části. Dále děkuji Ing. Martinu Kyselovi za pomoc a informace pro práci s myotonometrem. Děkuji prof. Ing. Aleši Richterovi, CSc. za dobré rady a podporu.
Anotace v českém jazyce
Jméno a p íjmení autora: Vojtěch Lindauer Instituce: Technická univerzita v Liberci
Název práce: Zpracování a analýza výstupu z myotonometru a jeho možné využití v praxi
Vedoucí práce: PhDr. Petr Šifta Ph.D.
Počet stran: 55 Počet p íloh: 2
Rok obhajoby: 2017 Souhrn:
Cílem této bakalá ské práce je vyzkoušet a ově it empirické mě ení myotonometru na dob e definovaných vzorcích s užitím znalostí z reologie a biomechaniky a tím ově it jeho funkci a zároveň vyzkoušet p ístroj a poskytnout zpětnou vazbu a podněty pro další rozvoj p ístroje i metody samotné.
Klíčová slova: myotonometr, indentace, viskoelasticita, reologie
Anotace v anglickém jazyce
Name and surname: Vojtěch Lindauer
Institution: The technical university of Liberec
Title: Myotonometry output processing and analysis and its possible uses in practice Supervisor: PhDr. Petr Šifta Ph.D.
Pages: 55 Apendix: 2 Year: 2017 Summary:
The goal of this thesis is to test and verify empirical measurement of the myotonomether on well defined samples using knowledge of rheology and biomechanics and thus verify it’s function while also test the machine and provide feedback and incentive for further development of both machine and the method itself.
Key words: myotonometer, indentation, viscoelasticity, rheology
8
Obsah
Seznam použitých zkratek ... 10
1 Úvod ... 12
2 Rešerže ... 13
2.1 Cíle práce ... 13
2.2 Indentace měkkých tkání ... 13
3 Teoretické základy pro reologické pojetí živých tkání ... 15
3.1 základní poznatky o reologii ... 15
3.1.1 disipace energie viskoelastických těles ... 17
3.2 živá tkáň z hlediska reologie a viskoelasticity ... 18
3.2.1 Pojivová tkáň... 19
3.2.2 Svalová tkáň ... 20
3.2.3 Inervace svalu ... 22
3.2.4 Některé patologie ovlivňující reologické vlastnosti svalu ... 24
3.3 Myotonometr ... 25
3.3.1 Technické parametry myotonometru ... 26
3.3.2 Funkce myotonometru ... 28
3.3.3 Výsledek mě ení myotonometrem ... 29
4 Praktická část ... 33
4.1 Cíle praktické části ... 33
4.2 Průběh mě ení ... 33
4.3 Zpracování dat myotonometru ... 34
4.4 Výzkumné otázky a mě ení... 38
4.4.1 Výzkumná otázka: výsledek mě ení elastického tělesa ... 38
4.4.2 Výzkumná otázka: výsledek mě ení plastického tělesa ... 39
4.4.3 Výzkumná otázka: výsledek mě ení viskoelastického tělesa ... 40
9
4.4.4 Mě ení dalších vzorků ... 43
4.4.5 Analýza práce s myotonometrem a výsledků mě ení ... 43
5 Závěr ... 45
6 Literatura ... 46
P ílohy ... 49
10 Seznam použitých zkratek
ec. – ecky
lat. – latinsky obr. – obrázek
EMG – elektromyografie m – metr
s - sekunda N – newton J – joule kg – kilogram
Pa – pascal Hz – hertz V - volt t – čas [s]
F – síla [N]
E – energie [J]
E – Youngův modul pružnosti v tahu [Pa]
σ – napětí [Pa]
p – tlak [Pa]
S – plocha [m2] v – rychlost [m·s-1]
P(h) – tlak jako veličina závislá na h [Pa]
11 G(h) – modul elasticity [Pa]
h, L – hloubka, vzdálenost [mm]
TUL – Technická univerzita v Liberci
FP – Fakulta p írodovědně-humanitní a pedagogická cca, ~ – cirka (lat. p ibližně)
ε – poměrná deformace [-]
η – viskozita [Pa·s]
Δ – delta (rozdíl)
12 1 Úvod
Tématem této práce je mě ením na fantomech s definovanými vlastnostmi podep ít jinak empirické výsledky mě ení myotonometrem. Hlavním cílem práce je tedy najít dob e definované vzorky, na kterých by bylo dob e možné ově it výzkumné otázky s fyzikálními p edpoklady podpo enými teoretickou částí o jejich chování a výsledné hysterezní k ivce. Tím že se bude následné mě ení shodovat s p edpokladem, verifikujeme mě ení myotonometru.
Mytonometr jako diagnostický p ístroj není metoda zcela nová. Slouží ke stanovení tuhosti vyšet ované tkáně a tím nep ímo svalového tonu. Jeho účelem je objektivizovat jinak velmi subjektivní palpační vyšet ení fyzioterapeutem nebo léka em a umožnit srovnávání vyšet ení v různých etapách terapie nebo rehabilitace. Relativní novinkou u myotonometrického vyšet ení je záznam nejen zatěžovací k ivky, ale také k ivky uvolňovací, čímž se získá d íve neznámá informace o viskozitě zkoumané tkáně, díky čemuž lze lépe určit její vlastnosti. Indentace jako náhrada palpace může doplnit tradiční vyšet ení jako nap íklad neurologické vyšet ení a EMG.
13 2 Rešerše
2.1 Cíle práce
Myotonometr, který je k dispozici na Technické univerzitě v Liberci kromě zatěžovací k ivky snímá navíc ještě uvolňovací průběh, čímž vzniká celková hysterezní k ivka, ze které lze usuzovat na viskozitu tkáně. Myotonometru se věnuje více prací, nap íklad dalšímu zpracování dat namě ených myotonometrem nebo jednotlivým tvarům a typům indentorů. Na p ístroji neproběhlo ale samotné ově ení, že myotonometr skutečně mě í to, co p edpokládáme a tím verifikace namě ených dat.
P estože vzhledem k minulým prototypům a proběhlým pracím lze dob e p edpokládat, že hysterezní k ivky odpovídají skutečnosti, je dobré verifikovat mě ení na dob e definovaných fantomech už jen z důvodu kalibrace a ově ení funkčnosti. Myotonometr je navíc prototyp zhotovený na TUL a každé mě ení na tomto p ístroji může posloužit pro zpětnou vazbu a další rozvoj p ístroje i metody samotné.
2.2 Indentace měkkých tkání
Indentace měkkých tkání je metoda vtlačení indentoru, což je p ípravek s definovanou plochou, do tkáně. P i indentaci dochází působením tlaku k deformaci tkáně pod indentorem a pomocí strojového mě ení k získání informace o odporu tkáně proti indentaci, tedy k mě ení síly, kterou musel p ístroj vyvinout, aby tkání neinvazivně pronikl do nastavené hloubky. Starší typy myotonometrů zaznamenávaly působící sílu v několika bodech, p ičemž nejdůležitější je vždy maximum. Novější typy zaznamenávaly průběh síly spojitě, samoz ejmě s omezením daným vzorkováním. Práce zabývající se myotonometrem jsou většinou zamě ené klinicky. Spousta volně p ístupných prací využívá myotonometr k hodnocení stavu pacientů trpících Parkinsonovou chorobou, hodnotí se jimi i spasticita končetin. Další možností myotonometru je zhodnocení závažnosti neurologických poruch periferie nebo hodnocení úspěšnosti a účinnosti rehabilitace. Jiné práce se věnovaly ově ování účinnosti některých farmakologických p ípravků myotonometrem, nap íklad pro léčbu spastických stavů nebo neurodegenerativních stavů.
14
Metody indentace byly vyvíjeny v několika generacích od ručních indentorů které používaly nap íklad dva vůči sobě pohyblivé válce po poloautomatické a nynější automatické systémy s rigidní konstrukcí. Myotonometr konstruovaný jako ten vyrobený na TUL dokáže dob e indentovat většinu končetinových svalů, pop ípadě význačné vedlejší struktury jako šlachy a úpony. [9] [13] [15]
15
3 Teoretické základy pro reologické pojetí živých tkání
3.1 Základní poznatky o reologii
Reologie (z ec. rheos – tok, proud) je podobor mechaniky zajímající se o průběh deformace látek v závislosti na napětí a o tok materiálů. Pro jednoduchost se z pohledu reologie látky chovají jako tzv. mechanické kontinuum (spojité, izotropní prost edí), pak lze popisovat závislost deformace na napětí, pop . rychlosti deformace, pomocí modelů a to bu lineárními, nebo nelineárními reologickými modely.
Mezi lineární reologické modely adíme Euklidovu hmotu, která popisuje absolutně tuhé těleso, kdy nezávisle na velikosti napětí nedochází k žádné deformaci;
Pascalovu hmotu (tekutinu), která se chová jako ideální kapalina a deformace je nezávislá na napětí a nakonec Hookovu hmotu, kdy pro malá napětí a deformace platí mezi oběma veličinami p ímá úměra, kde konstantou úměrnosti je p evrácená hodnota Youngova modulu pružnosti. Newtonovská kapalina je reologický model pro viskózní látky, které mají lineární závislost rychlosti deformace na napětí. Nelineární modely se pak věnují plastické deformaci.
Elastická deformace je taková, kdy se deformované těleso vrátí do původního stavu, pokud na něj p estane působit vnější síla, která deformaci způsobila. Izotropní lineárně elastické těleso se pak ídí Hookovým zákonem.
(Rovnice 1)
Kde E je modul pružnosti v tahu [Pa], σ je napětí v tahu [Pa] a ε je podélná deformace. Ta se vypočítá z poměru délky po deformaci ku původní délce.
(Rovnice 2) Kde ΔL je podélné prodloužení tělesa a L0 je původní délka. Zároveň se v reologických modelech používá Hookův prvek, což je pružina ídící se právě Hookovým zákonem.
16
Podstatou pružné deformace je vychýlení atomů látky z rovnovážné polohy ale zachování všech jejich sousedů, takže nedojde k vzniku ani zániku meziatomových vazeb a po odeznění působící síly se látka může vrátit do původního stavu. Stav napětí v elasticky deformované pevné látce lze popsat devíti dvojicemi napětí vždy po t ech v každé ose. Dohromady tvo í tenzor napětí σij druhého ádu, koeficienty i a j označují složky tečného a normálového napětí vektoru v dané ose. Také deformace je popsána devítisložkovým tenzorem εij, . Oba tenzory jsou symetrické tedy a k jejich určení tedy stačí šest složek σ11, σ22, σ33, σ12, σ13, σ23, obdobně u deformace.
Poté lineární závislost deformace na napětí lze obecně vyjád it:
(Rovnice 3)
Koeficienty Cijkl jsou elastické koeficienty a popisují vlastnosti látky. Jejich počet je díky symetrii mezi napětím a deformací v jedné ose ale i symetrii vlastností látky v jednom směru celkem 21. Je tedy 21 konstant popisujících elastické vlastnosti látky.
U plastické (tvárné) deformace dojde u dané látky po p ekročení určitého napětí ke změně tvaru, který se již po odeznění působící síly do původního stavu nevrátí.
V praxi dochází p i každé deformaci tělesa k disipaci určité části energie, která se projeví jako viskózní složka v jejich dynamickém chování. To znamená, že těleso se deformuje a po odeznění napětí se vrací do původního stavu až po určitém čase.
Viskozita (vazkost) je síla t ení vznikající mezi dvěma vrstvami proudící kapaliny a popisuje vztah mezi tečným napětím a gradientem rychlosti proudění sousedních vrstev v závislosti na jejich vzdálenosti.
(Rovnice 4)
Kde σ je tečné napětí [Pa], η je viskozita [Pa·s] a je gradient rychlosti v závislosti na vzdálenosti. V p ípadě vazké kapaliny se totiž p i laminárním proudění jednotlivé vrstvy kapaliny nepohybují stejně rychle, ve st edu prů ezu se kapalina pohybuje nejrychleji, zatímco u okraje je rychlost nulová, viskozita poté popisuje transportní jev, kdy t ením dochází k p enosu hybnosti mezi vrstvami kapaliny. Úměru mezi působením vnější síly, tedy tečným napětím, a rychlostí deformace udává právě viskozita. Rozměrem této dynamické viskozity je pascalsekunda (Pa·s). Více viskózní
17
kapaliny hů e tečou a jinak reagují na vnější silové působení. Stejně jako lze sledovat závislost napětí na deformaci tělesa danou tuhostí, můžeme v závislosti na napětí sledovat rychlost deformace, danou viskozitou.
Viskózní složka se p i deformaci tělesa projevuje právě jako odpor tělesa proti deformaci závislý na rychlosti deformace. Deformace p i stejném namáhání tedy klesá s viskozitou a frekvencí namáhání. V reologických modelech se viskózní složka nahrazuje Newtonovým prvkem – pístem a chová se podle rovnice.
(Rovnice 5)
Kde ηN je normálová viskozita a ε opět poměrné podélné prodloužení.
Normálová viskozita odpovídá normálové složce napětí a dynamická tečné (posun částic ve směru namáhání) a musí se určovat zvlášť. Tečná složka napětí je složka působící v elementární ploše a normálová kolmo na ni.
Kapaliny můžeme rozdělit na Newtonovské, kde je viskozita závislá na teplotě, jako nap íklad voda, olej nebo med a ne-Newtonovské, kdy je viskozita kapaliny závislá i na dalších veličinách, nap íklad působící síle a hrají tu roli další jevy, jako nap íklad mez toku, což je hraniční napětí, kdy se tuhé těleso začíná deformovat (téct). Tečení (creep) je vlastně časová závislost deformace p i působení konstantního napětí, tato deformace v čase neomezeně roste. [1] [14] [23] [25]
3.1.1 Disipace energie viskoelastických těles
Disipovaná energie je jednoduše energie p eměněná na jinou v uzav ené soustavě. V p ípadě deformace tělesa se vnější mechanická práce projeví jako konzervativní energie a disipovaná energie. Za disipovanou energii je zodpovědná viskózní složka chování tělesa a odpovídá energetickým ztrátám p i deformaci tělesa, je poté p íspěvkem k vnit ní energii tělesa ve formě tepla. Konzervativní energie je energie uložená v tělese, která může být použita zpět na mechanickou práci, je to energie pohybová a elastická. Energie, která se disipuje p i zpětné elastické deformaci tělesa po odeznění působení vnější síly, se projeví jako zpomalení návratu do původního
18
tvaru. Pokud napětí působící deformací není malé a p ekročí určitou mez, těleso se již do svého původního tvaru nevrátí. [14] [23]
3.2 Živá tkáň z hlediska reologie a viskoelasticity
Reologickými vlastnostmi živých tkání se zabývá biomechanika, což je nauka o pohybu živého organismu. Živá tkáň má samoz ejmě k ideálním nebo modelovým tělesům daleko, chová se nelineárně elasticky. Modelově lze živou tkáň popsat jako soustavu paralelního zapojení pružiny a pístu, v reologii zvaného Kelvinův nebo také Voigtův prvek, kde se zkoumají elastická složka G(h) a viskózní složka η(h) tlaku závislého na deformaci h [mm]. Takový model pružiny a pístu poté lze popisovat rovnicí:
(Rovnice 6)
Kde P je tlak, G je modul elasticity, η je modul viskozity a v je rychlost deformace. Modul elasticity a modul viskozity jsou závislosti tlaku na hloubce (vzdálenosti) h. Živá tkáň navíc své vlastnosti mění z mnoha důvodů; ať již jde o dlouhodobé vlivy, jako věk nebo onemocnění, nebo o krátkodobější vlivy momentálního funkčního stavu, denní doby, únavy, metabolismu nebo jen nervového ízení svalů. Jelikož myotonometr je určen p edevším pro hodnocení pohybové soustavy, budeme se zabývat témě výhradně tkáněmi, které tvo í pohybovou soustavu.
[1] [14]
Obrázek 1 –Kelvinův prvek, mechanický model viskoelastického tělesa [1]
19 3.2.1 Pojivová tkáň
Pojivová tkáň má v těle stavební a opěrnou funkci, tvo í mezibuněčnou hmotu ale i struktury, které propojují nebo na které se uchycují ostatní orgány a tkáně těla.
Pojivovou tkáň tvo í vždy speciální buňky a mezibuněčná hmota s amorfní a vláknitou složkou. Buňky dávají pojivové tkáni funkci, nap . zásobní u tukové tkáně, a produkují ostatní struktury tkáně. Vláknitá (fibrilární) složka dává tkáni její mechanické vlastnosti v závislosti na typu vláken, z jakých je složena. Vlákna jsou dvojího typu, kolagenní, tvo ená svazky proteinu kolagenu, která jsou pevná, nepružná a ohebná a elastické, tvo ené hydrofobním proteinem elastinem, která tvo í méně pevnou pružnou síť.
Amorfní složka má funkci výplně. Podle typu buněk a vláknité složky rozlišujeme, pomineme-li zubní tkáň, t i základní typy pojivové tkáně: kost, chrupavku a vazivo.
Kosti tvo í pasivní opěrnou soustavu člověka, upíná se na ně kosterní svalstvo, je to nejtužší část opěrného a pohybového systému. Kosti se dle morfologie rozdělují na dlouhé kosti, ploché kosti a kosti krátké nebo nepravidelného tvaru. Kostní tkáň je velmi pevná v tahu a tlaku, má schopnost regenerace a podle uspo ádání kolagenních vláken rozlišujeme vnější kompaktní tkáň tvo ící lamely s kanálky a vnit ní spongiózní kostní tkáň, tvo ící prostorovou síť která v dlouhých a plochých kostech obsahuje buňky kostní d eně. Kostní d eň se dělí na několik typů podle barvy, jejichž podíl se mění s věkem. Pro tělo nejdůležitějším typem je červená kostní d eň, což je orgán krvetvorby, kde se zárodečné kmenové buňky diferencují na jednotlivé typy krevních elementů.
Kost je tvo ena lamelární strukturou s osteocyty a kolagenními vlákny uspo ádanými kolem nich do šroubovice. Má velmi vysoký podíl anorganické složky, která kosti dodává tvrdost, ale i k ehkost. Povrch kosti kryje slupka okostice (periostu), který vyživuje kost a tvo í osteoblasty. Z hlediska reologie se jedná o tuhou Euklidovskou hmotu, která myotonometru slouží jako protisíla p i indentaci. Jelikož je p i indentaci elasticita okolních tkání daleko větší než elasticita kosti samotné (Youngův modul pružnosti 1,7-2,6 · 1010 Pa), lze jí p i dané p esnosti z vlivu na výsledek mě ení vynechat.
Chrupavčitá tkáň neboli chrupavka doplňuje pasivní opěrnou soustavu. Pokrývá kloubní plošky, slouží jako opora měkčích struktur (nap . trachea a bronchy) nebo doplňuje a spojuje kosti. Pevnost je asi dvacetkrát nižší než u kostí. Chrupavka obsahuje
20
buňky – chondrocyty, vlákna a velké množství mezibuněčné hmoty a tím i vody.
Prokrvený a inervovaný je jen vazivový obal chrupavky. Podle typu a množství vláken se dělí na hyalinní, která tvo í kloubní pouzdra a většinu chrupavčitých struktur;
elastickou, které je nejméně pevná a tvo í nap íklad ušní boltec a některé jemnější struktury a nakonec pevnou vazivovou chrupavku, která spojuje některé kosti, tvo í meziobratlové destičky a kloubní disky a menisky.
Vazivo propojuje a obaluje orgány, podporuje epitely, dotvá í pohybový aparát pomocí vazů a šlach, obvykle se v něm nacházejí nervy a cévy pro okolní struktury.
Vazivo obsahuje větší množství mezibuněčné hmoty plné vláken dle typu vaziva, vytvá ené fibroblasty, a fibrocyty. Podle podílu hmoty a druhu buněk se dělí na několik podtypů. ídké vazivo obaluje orgány a vyplňuje prostory. Tukové vazivo tvo í stavební tuk, obaluje orgány, funguje jako zásobárna organismu a jako mechanická a tepelná izolace. Tuhé vazivo obsahuje nejvíce kolagenních vláken, je pevné a tvo í šlachy, vazy a kloubní pouzdra. Vazivo obsahuje dva druhy vláken, kolagenní a elastická. P evážně elastické vazivo je nap íklad v některých vazech na páte i a ve stěnách cév. [1] [2] [22]
3.2.2 Svalová tkáň
Sval je aktivní součást pohybového a opěrného aparátu člověka. Základní vlastností svalu je, že se po dodání nervového podnětu dokáže smrštit, a tím je základem veškerého pohybu v těle. Rozlišujeme t i druhy svaloviny, svalovinu hladkou, p íčně pruhovanou a p íčně pruhovanou srdeční. Svalovina hladká je součástí cév a vnit ních orgánů, nap . většiny trávicí trubice, kromě srdce. Je specifická tím že se neunavuje, je ízena vegetativními nervy a má jiné vnit ní uspo ádání. Kvůli svému významu pro pohybový aparát se budeme věnovat p edevším svalstvu p íčně pruhovanému.
P íčně pruhovaný neboli kosterní sval má jistou hierarchii struktur. Jako takový je tvo en svalovými snopci (svazky) mezi kterými je vazivo - perimysium. Stejně tak celý sval je obalen ve vazivové povázce (fascii). Svazky jsou tvo eny svalovými vlákny,
21
rhabdomyocyty, což jsou základní stavební jednotky svalu. Svalové vlákno je podlouhlý útvar s mnoha jádry po svém vnějším okraji. Většinu jeho objemu zaujímají myofibrily, vláknité struktury tvo ené kontraktilními bílkovinami aktinem a myozinem.
Tenký aktin a tlustý myozin tvo í v průběhu myofibrily krátké jednotky oddělené Z-disky. Když se myozin vno í mezi aktinová filamenta a celá myofibrila se zkrátí, dojde ke kontrakci. Tento proces je ízen p enosem nervového vzruchu na nervosvalovou ploténku, odkud dojde chemickou cestou k p enosu akčního potenciálu na svalové vlákno, uvolnění kalciových iontů a kontrakci všech myofibril zároveň.
V p ítomnosti kalciových iontů se na aktinu uvolní místo pro navázání myozinové hlavy a následným ohnutí hlavy dojde ke vzájemnému klouzání aktinu s myozinem a zasunutí myozinu mezi aktinová filamenta. Tím dojde ke zkrácení myofibrily a stažení celého svalu. Zpětnou vazbu o mí e kontrakce svalu poskytuje mozku svalové v eténko, což je skupina modifikovaných (intrafuzálních) svalových vláken. Jsou základním smyslovým orgánem propriorecepce, slouží jako detektor natažení a uvolnění svalu a senzorickou drahou posílá vzruchy s frekvencí danou natažením do α-motoneuronů, které v reakci na ně vyšlou signál ke stažení svalu, během stahu svalu se frekvence vzruchů snižuje. Toto je základem míšních reflexů. Signály ze senzorických γ-motoneuronů zadních rohů míšních upravují citlivost svalového v eténka.
Každý sval má svůj počátek (origo) a úpon (insertio), kde svalová fascie p echází ve šlachu. Úpon je místo kde svou kontrakcí působí silou. Svaly se obvykle upínají blízko kloubů, ale nap íklad mimické svaly se upínají do kůže. Jednotlivé svalové skupiny svou kontrakcí působí proti sobě (antagonisté), kdy zároveň první skupina kontrahuje a druhá relaxuje. Jedna skupina svalů tak nap íklad provádí flexi v kloubu a jejich antagonisté extenzi. Většina pohybů vyžaduje spolupráci více svalových skupin najednou, ty se nazývají synergisté. Kromě těchto mohou existovat ještě fixační svaly, které udržují polohu nebo zpevňují pohybující se část těla a neutralizační, které omezují nežádoucí pohyby. Pokud se stahuje celý sval, rozlišujeme izometrický a izotonický stah. P i izometrickém stahu se kontrahují aktin-myozinové komplexy ve svalu, ale samotná délka se svalu se nemění, nap íklad z důvodu vnější síly větší než je síla, kterou sval vyvíjí; roste tedy jen napětí uvnit svalu. Naopak u izotonického stahu změně délky svalů nic nebrání, a ten tedy p i kontrakci myofibril rovnoměrně rychle mění svou délku, aniž by rostlo napětí uvnit svalu.
22
Svalový tonus je určitá hodnota napětí ve svalu, která je zásadní pro jeho reologické vlastnosti. Klidový tonus je pak taková hodnota napětí, kterou si sval udržuje nehledě na to, zda momentálně pracuje nebo ne. Tonus je dán elastickými vlastnostmi vnit ních struktur svalu, které do jisté míry udržují tvar svalu a tím působí proti jeho napínání a zároveň i jako pasivní odpor proti kontrakci (nap . proteiny titin nebo nebulin). Kromě nich se na klidovém tonu podílí také nervový systém a to proprioreceptivními reflexy, zprost edkovanými svalovými v eténky, šlachovými tělísky nebo nociceptory v kůži. Díky nim a na základě citlivosti svalových v etének do svalu na v eténko stále p icházejí nízkofrekvenční impulzy z γ-motoneuronů p edních míšních rohů, ty opět aktivují reflexní dráhu a tím napínají celý sval, takže sval je ve stálé, mírné, ekonomicky výhodné, neunavující kontrakci. Vlastní stah celého svalu je spouštěn kortikospinální (z šedé kůry mozkové p es míchu) drahou p es α- motoneurony, které vysílají pulsy s vysokou frekvencí. V p ípadě úplné absence nervového ízení dochází k atonii, vymizení svalového tonu, kdy posléze atrofuje sval i inervující dráha. V p ípadě centrálního poškození ízení může dojít naopak ke spasticitě, kdy je sval v trvalé kontrakci nebo rigiditě. Všechny tyto patologické stavy velmi výrazně ovlivňují reologické vlastnosti svalu. [2] [7] [21] [22]
3.2.3 Inervace svalu
Nervová soustava je tvo ena centrální a periferní nervovou soustavou. Centrální nervová soustava je mozek (cerebrum) a mícha (medulla spinalis). Periferní nervová soustava je poté tvo ena jednotlivými míšními a hlavovými nervy. Nervová tkáň se dělí na bílou hmotu a šedou hmotu. Šedá hmota je tvo ena zejména těly nervových buněk, zatímco bílá hmota zejména nervovými vlákny. Neuron - nervová buňka, je jednojaderná buňka s tělem a mnoha dost edivými dendrity a zpravidla jedním axonem (obecněji neuritem). Axon je dlouhý výběžek nervové buňky, který vede vzruchy k jiným neuronům nebo dále do těla, vzruch se jako ší ící se akční potenciál propaguje po délce axonu až k distální (terminální) části, kde se axon větví a končí jednotlivými synapsemi. Dendrity jsou kratší větvené výběžky nervové buňky, které p ejímají vzruchy ze synapsí a p enášejí je na tělo buňky. Synapse je místo kde dochází
23
k propojení buněk prost ednictvím synaptické štěrbiny chemickou cestou a tím p enosu vzruchu nap íklad z axonu na dendrit. Neuron má schopnost tvo it a p enášet vzruchy.
Neurony a synapse tvo í složitou síť a tím šedou hmotu. Součástí šedé hmoty jsou podpůrné buňky zvané neuroglie, ty se starají o výživu neuronu, obranu nebo nap íklad tvo í myelin obalující axony.
Nervové vlákno je svazek axonů vedoucí z centrální nervové soustavy, většinou z míchy, do těla. Obsahuje dost edivá vlákna vedoucí z těla do mozku (míchy) i odst edivá vedoucí z míchy do periferie. Jednotlivé axony mohou být velmi dlouhé a jsou proto obaleny myelinovou pochvou. Ta urychluje vedení vzruchu až o dva ády oproti nemyelinizovanému vláknu a výsledná rychlost vedení vzruchu se tak pohybuje podle typu dráhy mezi 1 až cca 120 m·s-1. Právě myelin je základem barvy bílé hmoty.
Iniciace k pohybu vzniká v limbickém systému v okolí thalamu a v povrchové mozkové ků e, což je nejvyšší etáž nervové soustavy, zde je motorická korová oblast v gyrus precentralis, gyrus = závit mozku, která dává podnět k pohybu, ten je poté odeslán do bazální ganglie – striata, které plánuje a realizuje jednoduché pohybové vzorce. Na pohybu se podílí mozeček (cerebellum), který porovnává plánovaný pohyb s proprioreceptivními informacemi o poloze těla a synchronizuje svalové skupiny. Naplánovaný pohyb vychází z mozku po p ek ížení pyramidovou drahou do míchy.
Mícha je p edevším soubor nervových vláken se segmentovými jádry uvnit , které p eposílají signály z mozku do těla. Jádra navíc realizují nejrychlejší míšní reflexy. Šedá hmota míchy je oproti té v mozku umístěna uprost ed a svým tvarem tvo í p ední a zadní míšní rohy. P ední rohy se starají o p evádění odst edivých motorických signálů na svaly, zatímco zadní rohy p evádí dost edivé senzitivní impulsy ze smyslových orgánů, nap íklad svalových nebo šlachových v etének, kožních receptorů nebo volných nervových zakončení snímajících bolest, do mozku. Impuls z mozku p ijde do jádra segmentu odpovídajícímu dané svalové skupině a odtud je p epojen na dráhu vedoucí na nervosvalovou ploténku konkrétního svalu. Motorická jednotka je skupina nervových vláken inervované jedním motoneuronem, je to nejmenší funkční část, kterou lze samostatně aktivovat. Na nervosvalové ploténce je akční potenciál opět chemickou cestou p eveden na akční potenciál samotného rhabdomyocytu, který jej
24
pomocí invaginací sarkolemy, T-tubulů, rozvede po celé buňce na sakroplasmatické retikulum, které uvolněním kalciových iontů spustí stah v celém objemu svalu zároveň.
[2] [7] [9] [21] [22]
3.2.4 Některé patologie ovlivňující reologické vlastnosti svalu
Patologie, které ovlivňují reologické vlastnosti svalu jsou bu svalového (myopatie) nebo nervového (neuropatie) původu. Tyto lze dob e odhalit palpačním vyšet ením, které myotonometr nahrazuje.
Patologie pohybového aparátu s etiologií v centrální nervové soustavě se dělí na plegie a parézy kdy paréza je částečná a plegie úplná ztráta hybnosti. Podle oblasti se dělí na hemiplegie, což je ochrnutí levé nebo pravé poloviny těla, ke kterému dochází p i poruše mozku, nap íklad u centrální mozkové p íhody a která je kontralaterální kvůli k ížení pyramidových drah. Paraplegie je ochrnutí spodní části těla p i míšní lézi, kde ochrnutá část těla odpovídá výšce léze a tím postiženým míšním segmentům. Poté jsou kombinace, kdy dojde k částečnému postižení nebo neúplnému p etětí míchy nebo velkého nervu.
Nejvýraznější dvě patologie svalu s neuropatickou etiologií jsou atonie a spasticita. Atonie je absence svalového napětí a je typická pro poruchy periferního nervstva, kdy dochází k p erušení vedení i bazálních míšních vzruchů od centrální nervové soustavy ke svalu. V takovém p ípadě dochází velmi brzy k atrofii svalu.
Hypotonie, tedy snížení svalového napětí, může být u poruch striata nebo mozečku.
Hypertonie a spasticita se objevuje u poruch pyramidových drah a mozkové kůry. I další fenomény, jako nap íklad rigidita, důsledek poruchy produkce dopaminu v substantia negra u parkinsonovy nemoci ale nap íklad i t es a jiné hyperkinetické poruchy lze dostatečně citlivým myonometrem dob e hodnotit.
Myopatie vzniklé ve svalu se často klinicky projevují jako svalová slabost pop ípadě bolestí nebo k ečemi. Myopatie mohou mít různé p íčiny; geneticky
25
podmíněné svalové dystrofie, nebo metabolické, endokrinní nebo zánětlivé p íčíny. [8]
[9] [22]
3.3 Myotonometr
Myotonometr (z ec. myos – sval a lat. tonus – napětí, metr – mě idlo) je p ístroj pro objektivní hodnocení svalového tonu a p edevším jeho změn. Použitím p ístroje totiž odpadá subjektivnost a neopakovatelnost tradičního palpačního vyšet ení prováděného fyzioterapeutem nebo léka em. Princip myotonometru je zano ení indentoru svisle kolmo do zkoumané tkáně. Myotonometr definovanou rychlostí zano uje indentor s definovanou plochou do definované hloubky. Díky tomu dokáže určit sílu nutnou pro zano ení do zvolené hloubky a tím empiricky ukázat tuhost tkáně a tedy svalového tonu. Míra svalového tonu se hodí pro určení kondice a stavu inervace svalu. V p ípadě pacienta během rehabilitace lze objektivně určit kvalitu rehabilitace.
Palpační vyšet ení je jedno z pěti základních fyzikálních vyšet ení, prováděné většinou léka em, mezi něž pat í pohled (aspekce), poslech (auskultace), poklep (perkuse), vyšet ení per rectum a právě palpace. U palpačního vyšet ení se hodnotí nap íklad teplota, vlhkost a struktura kůže, tvar struktur v podkoží nebo patologická citlivost a bolestivost. U svalů se poté hodnotí právě svalový tonus a jeho změna p i stahu.
Spektrum užití myotonometru je poměrně široké. Jako náhradu palpačního vyšet ení jej lze využít k hodnocení neurologických postižení a to jak periferního, tak centrálního nervového systému, k hodnocení průběhu rehabilitace po operačních výkonech a úrazech nebo některých genetických a metabolických chorob. Rehabilitace je činnost, jejímž účelem je obnova p edevším fyzických schopností jedince, které byly sníženy v důsledku úrazu nebo nemoci. [9] [15] [25]
26
Obrázek 2 – Schematický popis částí myotonometru (zdroj: vlastní)
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.
27
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
29
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
30
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.
(Rovnice 10) Pop ípadě:
(Rovnice 11)
31
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 [Pmax;hmax]. Taková závislost se poté dá pro účely zpracování nap íklad proložit polynomem n-tého ádu.
(Rovnice 12)
32
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
34
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.
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
[22] Wikiskripta [online] Praha: MEFANET, ©200Ř. Posl. změna 5. 10. 2016.[cit. 20. 12.
2016]. Dostupné z: http://www.wikiskripta.eu
[23] Stránky katedry fyziky povrchů a plazmatu [online] Praha: MFF UK, ©2013 [cit. 17. 2.
2017]. Dostupné z: http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/skripta/kurz_fyziky_pro_DS/
[24] SODOMKA, Lubomír, FIALA, Jaroslav. Fyzika a chemie kondenzovaných látek 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.
