Обратная динамика

1. Обратная динамика
2. Использование обработанных входных сигналов
3. Диаграмма свободного тела
4. Внутренний против Внешнего Совместного Момента
5. Суставы
6. Вычисления обратной динамики в Visual3D
7. Центр Массы Модели

Кинетика относится к расчету Объединенного момента и Объединенной силы. Все остальные кинетические сигналы получены из момента, силы и кинематических данных.

Обратные динамические вычисления обычно представлены Model_Based_Items ,

Обратная динамика

Биомеханический анализ движений обеспечивает количественную запись движений и, таким образом, позволяет объективно сравнивать результаты в разных условиях и группах пациентов. Биомеханический анализ движения обычно включает в себя несколько отдельных этапов. Во-первых, движение отслеживаемых целей, прикрепленных к объекту, записывается с помощью камер. Во-вторых, биомеханическая модель определяется для представления выбранных характеристик субъекта, таких как количество и тип сегментов (свойства инерции), свойства соединения (количество степеней свободы (dof)) и виды движущихся приводов. сегменты. В-третьих, кинематика модели рассчитывается путем определения перехода от записанных маркеров отслеживания к позе каждого сегмента биомеханической модели. Определение биомеханической модели может быть решающим фактором надежности трансформации между маркерами отслеживания и позой модели и для интерпретации конкретных нарушений движения. В-четвертых, анализ обратной динамики применяется к кинематике биомеханической модели и к расположению, величине и направлению внешних приложенных сил (например, сил реакции земли, действующих на стопу).

Традиционные методы обратной динамики для анализа движений человека (включая те, которые включены в Visual3D) вычисляют суммарные моменты, генерируемые мышцами, пересекающими сустав, что приводит к предположению, что эти моменты являются основными регуляторами движения в этом суставе. Анализ обратной динамики не дает никаких указаний на вклад отдельных мышц. Например, небольшой суммарный момент может быть результатом (а) одной слабо активированной мышцы-агониста или (б) двух сильно активированных мышц, одного агониста и одного антагониста, которые компенсируют друг друга. Два случая, каждый из которых имеет один и тот же суммарный момент, имеют очень разные значения для эффективности усилия движения и его устойчивости перед лицом возмущений. Исследователи и врачи, которым необходимо понимать вклад отдельных мышц, обычно дополняют анализ обратной динамики электромиографическими (ЭМГ) записями нескольких мышц, но этот подход ограничен крайне нелинейной взаимосвязью между ЭМГ и мышечной силой. Альтернативные методы, такие как те, которые исследуются в этом проекте Фазы II, необходимы для анализа вклада отдельных мышц.

Интерпретация данных обратной динамики обычно основывается на некоторой форме распознавания образов, основанной на отклонениях сигналов от нормативного эквивалента. Эта стратегия определяет отличия от нормального движения, но редко объясняет их причины. Это потому, что чрезвычайно трудно вывести причинно-следственные связи между силой или моментом и получающейся траекторией движения. Например, используя анализ индуцированного ускорения и анализ сегментарной мощности, Siegel и др. (Siegel, Kepple and Stanhope, 2003) сообщили, что локальный эффект передачи энергии между сегментами может быть в несколько раз больше, чем величина чистой совместной мощности, и даже противоположно в знак Их данные продемонстрировали, что отрицательная совместная сила действительно может увеличить энергию сегмента, а положительная совместная сила может уменьшить энергию сегмента.

Использование обработанных входных сигналов

При разработке Visual3D мы попытались упростить процесс вычисления данных на основе модели. Эти устаревшие решения иногда приводили к функциональности, которая может быть не очевидна для пользователей. Одним из таких случаев является выбор папки сигналов, которая используется для обработки кинетических и кинематических данных.

Обратите внимание, что Visual3D вычисляет сигналы скорости и ускорения, используемые для кинематики, внутренне и сохраняет соответствующую информацию в папке KINETIC_KINEMATIC, поэтому, если вы явно не хотите получить доступ к производным, вам не нужно их вычислять.

В меню «Свойства» есть опция для выбора папки «ОБРАБОТАНО» для всей обработки кинетической и кинематической моделей.

Если выбрано PROCESSED, Visual3D не проверяет историю сигнала PROCESSED, он просто использует то, что находит. Если выбран PROCESSED , но сигнал PROCESSED не существует, используется ОРИГИНАЛЬНЫЙ сигнал.

Диаграмма свободного тела

Диаграмма свободного тела из двух сегментов, показывающая традиционные допущения для анализа обратной динамики.

• Предполагается, что объединенные силы равны и противоположны по отношению к суставу.
• Предполагается, что совместные моменты равны и противоположны относительно сустава.
• Не предполагается, что дистальный конец одного сегмента находится в той же точке, что и проксимальный конец следующего сегмента. Это позволяет движение в «суставе». Независимо от положения проксимального конца дистального сегмента, мы переводим силу в дистальный конец проксимального сегмента для расчетов обратной динамики.

Внутренний против Внешнего Совместного Момента

Visual3D рассчитывает внутренний момент.

Внешний момент уравновешивается чистым внутренним моментом, создаваемым мышцами и связками. Например, чистый внутренний момент, в котором преобладают мышцы четырехглавой мышцы, необходим для уравновешивания момента внешнего сгибания.

Математически, внешний момент равен и противоположен внутреннему моменту , но пользователь должен ссылаться на термин, если он используется в статье.

Примечание: внешний момент - это термин, который обычно не используется.

Суставы

Семестр стык периодически используется в Visual3D и имеет несколько различных значений.

В 6 степеней свободы отслеживания нет явной связи (или соединения), соединяющей сегменты. Visual3D исследует набор сегментов и рассматривает любые два соседних сегмента (дистальный конец одного сегмента и проксимальный конец другого сегмента в радиусе концов сегмента) как «связанные» и ссылается на соединение между ними. Соединение не ограничивает сегменты, а скорее представляет собой бухгалтерский инструмент, который отслеживает, какие сегменты, как предполагается, имеют равные и противоположные силы совместного реагирования, действующие между их конечными точками, и равные и противоположные моменты соединения, действующие на соседние сегменты.

Вычисления обратной динамики в Visual3D

Кинетика - это изучение сил и моментов, которые вызывают движение тела. Для человеческого движения биомеханика пытается определить силы, которые возникают в результате мышечных сокращений и создаваемых моментов, которые вместе вызывают движение сегментов и, таким образом, всего тела.

Вычисления обратной динамики в Visual3D реализованы с использованием следующей рекурсивной схемы. Одна из особенностей алгоритмов обратной динамики заключается в том, что добавить любые внешние силы и моменты к любому сегменту просто.

Проксимальная сила совместной реакции вычисляется в Глобальной системе координат. Сегменты, прикрепленные дистально к любому сегменту, идентифицируются (например, для обычного анализа походки нижней части тела сегмента таза в виде двух дистальных цепочек, содержащих сегмент бедра, голени и ступни. Итерационный алгоритм для силы проксимального сустава, который допускает любую приложенную внешнюю силу на сегментах есть:

Проксимальная пара (момент), вычисленная на проксимальном конце сегмента, вычисляется в сегментной (локальной) системе координат:

Преобразуйте момент инерции из системы координат сегмента в глобальную (лабораторную) систему координат, используя матрицу преобразования, которая рассчитывается на основе данных захвата движения.

Пара, действующая в сегменте по инерционным условиям:

Расширение членов Силы и уменьшение результирующего уравнения дает ближайший момент из-за сил инерции и приложенных моментов в соединении.

Преимущество этой рекурсивной формулировки состоит в том, что этот подход является обобщенным, поскольку для отслеживания внешних сил и моментов требуется значительно меньше бухгалтерии.

Центр Массы Модели

Visual3D вычисляет центр масс созданной модели. Если ваша модель представляет все тело, то центр масс модели совпадает с центром масс тела. Вы должны убедиться, что сегменты вашей модели имеют соответствующие массы.

Сигнал, представляющий местоположение центра масс модели в каждом кадре, можно найти в папке KINETIC_KINEMATIC в дереве данных.

Центр масс можно отобразить, выбрав «Просмотр центра масс модели» в пункте меню «Просмотр».