Fotogrammetrické měření dechové dynamiky: úvodní experiment Radim Šára, Vladimír Smutný, Michaela Veverková, Jiří Čumpelík Centrum strojového vnímání Katedra kybernetiky Fakulta elektrotechnická ČVUT, Praha katedra rehabilitačního lékařství Institut postgraduálního vzdělávání ve zdravotnictví, Praha 19. října 2001 Klíčová slova: breathing, abdominal type breathing, costal type breathing, subclavial type breathing, inspiration, expiration, dynamics. 1 Úvod Cílem úvodního experimentu provedeného v laboratoři počítačového vidění Centra strojového vnímání (CMP) bylo ověřit, zda je možno stereoskopickou metodou kvantifikovat dynamiku dýchacích pohybů pro účely kvantitativní klinické studie, která má vyhodnotit úspěšnost rehabilitační léčby. Při hodnocení výsledků měření vycházíme z následujícího popisu nádechu rozděleného podle aktivace bránice do dvou fází. V první fázi nádechu klesá centrum tendineum bránice dolů, zmenšuje se tlak v hrudníku a vzduch vniká do plic. Břišní dutina se vyklenuje, kontrolovaná aktivitou m. transverzus abdominis, který se během vyklenování břišní stěny protahuje. Při vyklenutí břišní dutiny nádechem má bederní páteře tendenci pohybovat se v sagitální rovině do exteze. Po dosažení určitého stupně protažení m. transverzus abdominis se zvětší tlak v břišní dutině a tím se zastaví pohyb centra tendinea směrem dolů. Nastává druhá fáze aktivace bránice. Ve druhé fázi je fixováno centrum tendineum a bránice se pohybuje na periferii. Tato forma aktivity bránice umožňuje vějířovité rozevírání žeber s hlavní pohybovou složkou ve frontální rovině. Na konci první fáze pohybu bránice zastaví m. transverzus abdominis vyklenutí břišní dutiny. Zde je nutné aby se sval aktivoval rovnoměrně od os pubis k procesu xiphoideus. Nerovnoměrné zapojení m. transverzus abdominis vychýlí centrum tendineum ze středu břišní dutiny, tím mají svalové snopce bránice různou délku a příliš protažené snopce již neumožní vějířovité rozevírání žeber ve druhé fázi. Popsané zapojení bránice do nádechu má i vliv na funkci páteře a s ní spolupracujících hlubokých stabilizačních svalů, na interkostální svaly a na svaly dna pánevního. Vyvážená spolupráce jmenovaných svalů zajišťuje fyziologickou pružnou stabilitu páteře. Hluboké zádové svaly nastavují a umožňují dechové pohyby. Jejich pružná aktivita vyrovnává zmíněné tendence pohybů v sagitální rovině do extenze a flexe při dýchání a umožňuje segmentům zachovávat neutrální polohu. Intercostální svaly se podílejí na vějířovitém pohybu žeber podle osy otáčení jež tvoří costovertebrální klouby vzadu a vpředu spojení sternocostální. Pohyby dolních žeber jsou ve frontální rovině a horní žebra se pohybují v rovině????? což je způsobeno jiným nakloněním osy otáčení costo-vertebrálních kloubů. Tyto pohyby žeber jsou spojeny s tendencí pohybu hrudní páteře do extenze a při nádechu a do flexe při výdechu. 1
5 1 2 3 4 6 7 8 1 5 2 3 6 7 4 8 9 13 17 10 11 14 15 18 19 12 16 20 10 11 9 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Obrázek 1: Rozmístění měřicích bodů. Jiná osa otáčení je i u sterno-costálních spojení, kde se horní žebra pohybují nahoru v sagitální rovině a dolní rozevírají do šířky v rovině frontální. 2 Související práce Doplnit komentář k těmto pracem: [1, 2, 3]. 3 Materiál a metoda Při objektivizaci nádechu jsme sledovali rozdíl vzdáleností bodů nalepených na trupu mezi výdechem a čtyřmi typy nádechu, u jedné osoby. Celkem bylo sledováno 40 bodů, 20 na dorzální a 20 na abdominální straně trupu. Nedýchací pohyby nebyly registrovány ani kompenzovány. Předozadní pohyb byl částečně potlačen tak, že subjekt byl zlehka opřen o stěnu. Měřicí byly umístěné na průsečíku čtyř vertikálních linií s žebry podle následující tabulky (viz též obr. 1): Abdominální strana trupu mamilární linie processus coracoideus bod 1dx, 4sin 2 žebro bod 5dx, 8sin 4 žebro bod 9dx, 12sin 6 žebro bod 13dx, 16sin 10 žebro bod 17dx, 20sin linie sternoclaviculárního kloubu 1 žebro bod 2dx, 3sin 3 žebro bod 6dx, 7sin 5 žebro bod 10dx, 11sin 7 žebro bod 14dx, 15sin 1/2 vzdálenosti pupek a procesus xiphoideus bod 18 dx, 19 sin Dorzální strana trupu střední linie spiny scapulae 2 žebro bod 1dx, 4sin 4 žebro bod 5dx, 8sin 6 žebro bod 9dx, 12sin 8 žebro bod 13dx, 16sin 10 žebro bod 17dx, 20sin linie costovertebrálního kloubu 1 žebro bod 2dx, 3sin 3 žebro bod 6dx, 7sin 5 žebro bod 10dx, 11sin 7 žebro bod 14dx, 15sin 12 žebro bod 18dx, 19sin Pro popis dechového programu jsme použili rozdíl vzdáleností dvojice zrcadlově shodných bodů při výdechu a čtyřech různých typech nádechu, odděleně pro abdominální a dorzální část trupu. Tyto rozdíly eliminují vliv nedýchacích pohybů. Rozdíly byly vypočteny pro každou rovinu zvlášť a zaokrouhleny na desetinu milimetru. Pro nádech byly vybrány v terapii běžně používané typy lokalizovaného dýchání. Při konečném hodnocení jsme porovnávali normální nádech a dále nádech břišní, hrudní a podkličkový. 2
y x z kamery (a) (b) Obrázek 2: Souřadný systém při snímání zepředu i zezadu (a). Kamerový systém použitý v experimentu (b). 3.1 Snímací zařízení Data byla snímána kalibrovaným čtyřkamerovým fotogrammetrickým systémem zkonstrovaným v CMP, viz obr. 2. Použity byly digitální kamery Pulnix TM9701 s vysokorozlišujícími objektivy Tamron 25mm 23FM25L, dále framegrabber DataTranslation DT3157 a digitální multiplexer vyvinutý v CMP. Rozměr obrazu byl 760(H) 484(V) pixelů. Kamery byly umístěny na pozicích podle tabulky (v milimetrech): kamera x y z 1 141.7 306.7 1599.1 2 163.0 308.9 1609.5 3 138.4 14.1 1616.6 4 161.8 15.2 1614.6 Vnitřní i vnější parametry všech kamer v systému byly plně zkalibrovány pomocí speciálního kalibračního objektu vyrobeného s přesností asi 0.1mm. Kamery exponovaly současně, doba expozice byla nastavena na 20ms. Exponované snímky pak byly přeneseny z digitální paměti kamer do počítače. Tímto způsobem byl eliminován vliv pohybů během snímání na přesnost výsledku. V obrazech byla detekována poloha středů terčíků s rozlišením 1/50 obrazového bodu. Poté byly z těchto poloh triangulační metodou zrekonstruovány souřadnice středů terčíků ve společné souřadné soustavě. 4 Výsledky Interpretace pohybu x jako pohybu ve frontalni rovine neni spravny. Podobne u ostatnich. Pohyby jsou správně interpretovány takto: x pohyb do stran, ve směru kolmém na sagitální rovinu y pohyb nahoru/dolů, ve směru kolmém na transverzální rovinu 3
Tabulka 1: Tabulka pohybu bodů na abdominální straně. nádech osa 1 4 5 8 9 12 13 16 17 20 2 3 6 7 10 11 14 15 18 19 x 6.0 8.3 9.3 16.9 15.5 11.2 0.4 1.0 2.8 3.5 0.4 1.5 norm. y 0.4 1.5 0.4 1.3 0.8 0.7 0.5 0.2 0.2 0.8 0.4 0.2 z 6.7 4.3 3.9 2.4 5.9 4.6 0.9 0.7 0.7 3.4 1.2 1.4 x 5.0 5.7 7.0 15.9 17.0 10.1 0.1 0.5 2.5 4.6 1.3 1.8 břišní y 3.1 3.2 1.9 2.9 1.8 2.6 0.5 0.4 0.4 1.2 0.4 0.6 z 5.3 8.1 5.7 5.5 3.8 5.7 1.8 1.2 1.3 2.1 1.4 1.5 x 5.5 7.1 10.6 22.4 21.4 13.4 0.2 0.8 3.5 5.7 0.6 1.9 hrudní y 2.9 3.5 0.4 0.2 0.8 1.2 0.1 0.3 0.3 0.0 0.4 0.1 z 0.8 3.2 0.1 0.7 3.1 0.2 0.2 0.5 0.9 3.0 0.7 1.0 x 5.4 7.3 8.7 18.7 18.7 11.8 0.4 0.8 3.0 3.7 1.2 1.3 podklič. y 0.9 0.7 1.4 0.8 1.4 1.0 0.7 0.2 0.5 0.1 0.7 0.4 z 0.7 1.3 1.8 2.1 3.2 1.3 0.3 0.1 1.3 3.9 1.0 0.8 z pohyb dopředu/dozadu, ve směru kolmém na frontální rovinu x 2 + y 2 pohyb ve frontální rovině x 2 + z 2 pohyb ve transverzální rovině y 2 + z 2 pohyb v sagitální rovině Pohyby v jednotlivých rovinách by se ale musely dodefinovat tak, aby měly znaménko. V Tabulkách 1 a 2 jsou uvedeny rozdílové vektory pro vybrané terčíky. Tyto diference byly vybrány proto, aby byl potlačen vliv nedýchacích pohybů na měření. Základní roviny jsou dány takto: frontální je rovina x y, sagitální je rovina y z a transverzální je rovina x z. Pohyb je udán v milimetrech. Podle Tab. 1 na mamilární linii dochází k největšímu pohybu bodů ve frontální rovině, průměrně o 11mm, největší rozdíly jsou na 6 (17mm) a 10 (16mm) žebru. Tyto hodnoty jsou při všech čtyřech typech nádechu stejné. Pohyby v sagitální rovině jsou u všech žeber velmi malé, průměrně 2mm. Pohyby v transverzální rovině se mění podle typu nádechu a to zejména u normálního a abdominálního typu. Na linii sternoclavikulárního kloubu dochází k malému pohybu ve frontální rovině u 5 a 7 žebra. Pohyby ostatních žeber ve všech rovinách jsou zanedbatelné, průměrně o 1mm. Podle uvedených hodnot můžeme popsat dechový program sledované osoby. Žebra se pohybují po stranách hrudního koše, střední část je téměř bez pohybu. Nádech je proveden vějířovitým pohybem žeber ve frontální rovině, zejména v dolní polovině hrudního koše. K pohybu ve frontální rovině dochází i na sternocostálním spojení u 3 a 5 žebra. Při nádechu nedochází k předo-zadnímu pohybu žeber, ale žebra rotují v závislosti na typu nádechu. Při normálním dýchání rotují dopředu o 5mm a při břišním nádechu o 6 mm dozadu. Podle Tab. 2 na střední linii spiny scapulae žebra provádí značný pohyb ve frontální rovině, průměrně o 20mm, pohyb se odehrává převážně na 2., 4., 6. a 8. žebru. Na 10. žebru je při všech typech nádechu kolem 3mm. Pohyby v sagitální a transverzální rovině jsou velmi malé, 1mm. Na linii kostovertebrálního kloubu dochází opět k pohybu žeber ve frontální rovině, průměrně o 8mm. V ostatních rovinách se nepohybují vůbec. Dechový program na dorzální straně je opět prováděn vějířovitým pohybem žeber ve frontální rovině a to jak na laterálně, tak i mediálně. Pohyb laterálních částí žeber je větší, a celkově jsou změny ve frontální rovině větší než na abdominální straně. 4
Tabulka 2: Tabulka pohybu bodů na dorzální straně. nádech osa 1 4 5 8 9 12 13 16 17 20 2 3 6 7 10 11 14 15 18 19 x 12.9 21.7 29.0 26.7 3.2 18.7 3.8 11.4 12.1 8.6 1.7 7.5 norm. y 1.9 1.9 2.4 2.6 0.3 1.7 0.8 1.3 1.1 0.2 1.0 0.0 z 3.1 4.6 4.4 3.1 2.0 3.5 0.4 2.7 1.7 0.2 0.2 1.0 x 10.5 18.8 26.6 26.1 3.6 17.1 2.9 9.2 10.8 8.4 1.8 6.6 břišní y 0.5 0.1 0.5 1.4 0.5 0.4 0.9 1.2 0.7 0.3 0.9 0.2 z 1.7 0.8 0.9 1.9 2.2 0.8 1.1 1.4 1.1 0.2 0.3 0.3 x 15.2 25.4 32.6 29.9 5.3 21.7 4.2 12.4 13.0 9.8 2.1 8.3 hrudní y 3.8 3.4 2.9 2.2 1.4 2.2 0.0 0.9 1.2 0.6 0.8 0.1 z 0.2 1.4 2.8 3.4 2.9 2.0 1.2 1.4 1.0 0.1 2.3 0.7 x 16.0 25.3 31.2 25.8 0.6 19.8 4.8 13.1 12.8 8.1 0.5 7.9 podklič. y 0.2 0.1 0.6 1.6 0.6 0.2 1.8 1.8 1.0 0.3 1.0 0.4 z 3.8 0.4 0.2 0.2 1.4 0.5 1.0 1.0 0.8 0.5 0.5 0.4 5 Diskuse Výsledky měření umožňují přesně popsat dechový program sledované osoby. Podle rozdílu vzdáleností vybraných dvojic bodů odvodíme ve které části trupu a ve které rovině se pohybují. Získané výsledky umožní objektivizaci dechových pohybů, které obvykle popisujeme slovně na základě naší klinické zkušenosti a teoretických poznatků. Při porovnáni získaných dat s teorií nádechu vidíme, že se žebra pohybují hlavně ve frontální rovině a rozdíly jsou větší na dorzální straně trupu. Z tohoto výsledku můžeme odvodit, že aktivace m. transverzus abdominis sledované osoby je rovnoměrná, protože bránice ve druhé fázi nádechu přenáší svoji aktivitu na periferii do vějířovitého pohybu žeber. Tohoto pohybu se účastní i svaly interkostální. V sagitální rovině nedochází k větším výchylkám do extenze nebo flexe na obou sledovaných polovinách trupu. Z toho lze odvodit, že během nádechu je páteř dobře stabilizována hlubokými zádovými svaly, které ruší extenční i flekční tendence pohybu páteře a zajišťují tím přenesení dechového pohybu na costovertebrální a strnocostální spojení. Zatímco pohybové tendence ve frontální a sagitální rovně jsou u všech typů nádechu shodné, u transverzální roviny dochází k odchylkám u jednotlivých typů nádechu na abdominální straně trupu laterálně. Při normálním nádechu žebra rotují dopředu, hlavně v oblasti processsus coracoideus a 10 žebra, při nádechu břišním rotují dozadu na všech žebrech. Vysvětlení??????? (Různé naklonění osy žeber, které při fixované páteři rotují odlišně podle typu nádechu.) 6 Závěry Zařízení umožňuje velmi přesný popis pohybu bodů (přesnost 0,1mm). Nevýhodou je oddělené hodnocení pohybu bodů na abdominální a dorzální části trupu. Velmi důležité údaje by mohlo poskytnou i porovnání pohybu bodů mezi oběma stranami trupu. Je zřejmé že, pohyb bodů, které jsou nalepené nad příslušnými žebry, dokumentuje pohyb kůže nad jednotlivými žebry a ne pohyb žeber samotných. Při popisu výsledků jsme však schopni tento pohyb odvodit. Popsaná metoda může pomoci při velmi obtížném hodnocení funkce bránice, hlubokých zádových svalů a m. transverzus abdominis, které jsou při běžném klinickém vyšetření obtížně hodnotitelné. Objektivní metody na sledování těchto svalů se u nás nepoužívají. K objektivní metodám patří ultrazvukové vyšetření, skiaskopie (zatěžuje pacienta RTG zářením), MR je nákladná. Uvedená metoda je nenákladná, časově nenáročná a má dostatečnou výpovědní hodnotu. 5
Reference [1] G. Ferrigno, P. Carnevali, A. Aliverti, F. Molteni, G. Beulcke, and A Pedotti. Threedimensional optical analysis of chest-wall motion. Journal of Applied Physiology, 77(3):1224 1231, September 1994. [2] C. M. Kenyon, S. J. Cala, S. Yan, A. Aliverti, G. Scano, R. Duranti, A. Pedotti, and P.T. Macklem. Rib cage mechanics during quiet breathing and exercise in humans. Journal of Applied Physiology, 83(4):1242 1255, October 1997. [3] M. E. Ward, J. W. Ward, and P. T. Macklem. Analysis of human chest-wall motion using a 2-compartment rib cage model. Journal of Applied Physiology, 72(4):1338 1347, April 1992. 6