CENTER FOR MACHINE PERCEPTION CZECH TECHNICAL UNIVERSITY Fotogrammetrické měření dechové dynamiky: úvodní experiment Radim Šára Vladimír Smutný Michaela Veverková Jiří Čumpelík sara@cmp.felk.cvut.cz Centrum strojového vnímání Katedra kybernetiky Fakulta elektrotechnická ČVUT, Praha katedra rehabilitačního lékařství Institut postgraduálního vzdělávání ve zdravotnictví, Praha katedra fyzioterapie Fakulta tělesné výchovy a sportu UK, Praha CTU CMP 2001 23 20. listopadu 2001 VÝZKUMNÁ ZPRÁVA ISSN 1213-2365 Lze získat na ftp://cmp.felk.cvut.cz/pub/cmp/articles/sara/sara-tr-2001-23.pdf Tento výzkum byl podpořen Ministerstvem zdravotnictví ČR grantem NN6333-3/2000 a Ministerstvem školství ČR grantem MSM 210000012. Research Reports of CMP, Czech Technical University in Prague, No. 23, 2001 Published by Centrum strojového vnímání, Katedra kybernetiky Fakulta elektrotechnická ČVUT Technická 2, 166 27 Praha 6 fax: (02) 2435 7385, tel: (02) 2435 7637, www: http://cmp.felk.cvut.cz
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, klinicky ověřeného, popisu nádechu. Na začátku nádechu klesá centrum tendineum bránice dolů, zmenšuje se tlak v hrudníku a vzduch vniká do plic. Břišní dutina se vyklenuje všemi směry. V okamžiku, kdy je zastaven pohyb centra tendinea dolů dojde k přesunutí aktivity bránice z centra tendinea na její periferii. Tato forma aktivity bránice umožňuje vějířovité rozevírání žeber převážně laterolaterálním směrem. Centrum tendineum je fixováno dole zvětšeným tlakem v břisní dutině, kontrolovaným převážně aktivitou musculus transverzus abdominis. Je nutné, aby se sval aktivoval rovnoměrně od os pubis k processus xiphoideus. Nerovnoměrné zapojení musculus transverzus abdominis vychýlí centrum tendineum ze středu břišní dutiny, což vede k nestejnoměrnému protažení svalových snopců bránice. Příliš protažené snopce již neumožní vějířovité rozevírání žeber. Popsané zapojení bránice do nádechu má i vliv na funkci páteře a s ní spolupracujících hlubokých stabilizačních svalů, na intercostální svaly a na svaly dna pánevního. Vyvážená spolupráce jmenovaných svalů zajišťuje fyziologickou pružnou stabilitu páteře. Hluboké zádové svaly nastavují a umožňují dechové pohyby. Při vyklenutí břišní stěny nádechem má bederní páteř tendenci pohybovat se do extenze, při výdechu do flexe. Pružná aktivita hlubokých svalů tyto pohybové tendence vyrovnává a účastní se tak na stabilizaci těla. Intercostální svaly se podílejí na vějířovitém pohybu žeber podle osy otáčení, jež tvoří costovertebrální klouby vzadu a vpředu spojení sternocostální. Dolní žebra (5 12) se pohybují v ose téměř rovnoběžné se sagitální rovinou, osa pohybu horních žeber je (1 4) je blíže rovině frontální. Pohyby v těchto spojeních se projevují převážně po stranách trupu a jsou spojeny s tendencí pohybu hrudní páteře do extenze při nádechu a do flexe při výdechu. 2 Materiál a metoda Při objektivizaci nádechu jsme sledovali rozdíl vzdáleností bodů nalepených na trupu mezi výdechem a čtyřmi typy nádechu, u jedné osoby. Osoba prošla speciálním dechovým tréninkem a při klinickém vyšetření se její dechový program shodoval s teoretickým popisem nádechu popsaném v úvodu. Celkem bylo sledováno 40 bodů, 20 na dorzální a 20 na ventrální straně trupu. Nedýchací pohyby nebyly registrovány ani kompenzovány. Předozadní pohyb byl částečně potlačen tak, že subjekt byl zlehka opřen o stěnu. Měřicí body byly umístěné na průsečíku čtyř vertikálních linií s žebry podle následující tabulky (viz též obr. 1): 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. Ventrální 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 ventrální a dorzální část trupu. Tyto rozdíly eliminují vliv nedýchacích pohybů, ale současně postihují převážně laterolaterální změny tvaru trupu. Rozdíly byly vypočteny pro každou rovinu zvlášť a zaokrouhleny na desetinu milimetru. Pro nádech byly vybrány v čtyři typy lokalizovaného dýchání prováděné podle námi vypracované metodiky. Při konečném hodnocení jsme porovnávali normální nádech a dále nádech břišní, hrudní a podkličkový. 2.1 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): 2
y x z kamery (a) (b) Obrázek 2: Souřadný systém při snímání zepředu i zezadu (a). Kamerový systém použitý v experimentu (b). 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. 3 Výsledky Interpretace pohybu bodů v souřadné soustavě x, y, z vzhledem ke standardním rovinám je následující: ve směru x jde o pohyb laterolaterální, tj. směr kolmý na sagitální rovinu yz; ve směru y jde o pohyb craniokaudální, tj. směr kolmý na transverzální rovinu xz; ve směru z jde o pohyb dorzoventrální, tj. směr kolmý na frontální rovinu xy. 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. Pohyb je udán v milimetrech. Podle Tab. 1 na mamilární linii dochází k největšímu pohybu bodů laterolaterálně, průměrně o 11mm, největší rozdíly jsou na 6. (17mm) a 10. (16mm) žebru. Tyto hodnoty jsou při všech čtyřech typech nádechu stejné. Craniokaudální pohyby bodů jsou zanedbatelné, průměrně o 1mm. Pohyby dorzoventrální se mění podle typu nádechu, a to zejména u normálního 3
Tabulka 1: Tabulka pohybu bodů na ventrální straně. body body 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 Tabulka 2: Tabulka pohybu bodů na dorzální straně. body body 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 a abdominálního typu. Při normálním dýchání se body pohybují dorzoventrálně o 5mm a při břišním naopak ventrodorzálně o 6mm. Na linii sternoklaviculárního kloubu dochází k malému laterolaterálnímu pohybu 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 laterolaterálním pohybem žeber, zejména v dolní polovině hrudního koše. K laterolaterálnímu pohybu dochází i na sternocostálním spojení u 3 a 5 žebra. Při nádechu se žebra nepohybují craniokaudálně. Dorzoventrální pohyb se mění podle typu nádechu. Podle Tab. 2 na střední linii spiny scapulae žebra provádí značný laterolaterální pohyb, průměrně o 19mm, pohyb se odehrává převážně na 2., 4., 6. a 8. žebru. Na 10. žebru je při všech typech nádechu rozdíl kolem 3mm. Dorzoventrální a craniokaudální pohyby jsou velmi malé, asi 1mm. Na linii costovertebrálního kloubu dochází opět k laterolaterálnímu pohybu žeber, průměrně o 8mm. V ostatních rovinách se body nepohybují vůbec. Dechový program na dorzální straně je opět prováděn laterolaterálním vějířovitým pohybem žeber, a to jak na scapulární tak na costovertebrální linii. Pohyb na scapulární lini žeber je větší, a celkově jsou laterolaterální změny větší než na ventrální straně. Oblast volných žeber je při nádechu téměř bez pohybu ve všech směrech. 4
4 Diskuse Výsledky měření umožňují přesně popsat dechový program sledované osoby. Podle rozdílu vzdáleností vybraných dvojic bodů lze odvodit ve které části trupu a kterým směrem se body 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 laterolaterálně a rozdíly jsou větší na dorzální straně trupu. Z tohoto výsledku můžeme odvodit, že aktivace musculus transverzus abdominis sledované osoby je rovnoměrná, protože bránice udržuje centrum tendineum uprostřed a pohyb bránice se přenáší na její periferii. Tak dojde k vějířovitému pohybu žeber, kterého se účastní i svaly intercostální. Craniokaudálním směrem nedochází k větším výchylkám na obou sledovaných polovinách trupu. 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 sternocostální spojení. Zatímco laterolaterální nádechové pohyby u všech typů nádechu shodné, dorzoventrálně dochází k odchylkám u jednotlivých typů nádechu. To se projevuje na ventrální straně trupu na mamilární linii. Při normálním nádechu se žebra pohybují dorzoventrálně, hlavně v oblasti processsus coracoideus a 10. žebra, při nádechu břišním ventrodorzálně na všech žebrech. Důvodem je anatomické zaúhlení žeber, které je největší po stranách trupu, více dorzálně. Pokud při nádechu dojde k zapojení lumbální části bránice, jako u břišního typu nádechu, žebra rotují vzad a dechový pohyb se přenáší na dorzální část trupu. 5 Závěry Zařízení umožňuje velmi přesný popis pohybu bodů (přesnost 0,1mm). Z popisu měření je zřejmé, že snímané značky, které jsou nalepené nad jednotlivými žebry dokumentují pohyb kůže nad jednotlivými žebry a ne pohyb žeber samotných. Při popisu výsledků máme dostatek podkladů a můžeme pak pohyb žeber odvodit. Nevýhodou uvedeného postupu je oddělené hodnocení pohybu bodů na ventrální a dorzální části trupu. Případná úprava zařízení, která by dovolila přidat i záznam pohybů mezi ventrální a dorzální stranou by výrazně zjednodušila diagnostiku pohybů bránice se všemi funkčními důsledky nebo umožnila sledovat vzájemný pohyb páteře a sterna. Při hodnocení výsledků získaných zvolenou metodou rozdílu pohybu bodů v jednotlivých směrech hraje roli i přesnost umístění značek na trupu nebo jeho stranové asymetrie. Nedají se tak přesně odlišit oscilace trupu při dýchání. Popsaná metoda může pomoci při velmi obtížném hodnocení funkce bránice, hlubokých zádových svalů a musculus 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). Námi provedené měření je nenákladné, časově nenáročné a má dostatečnou výpovědní hodnotu. Metoda otevírá nové možnosti v diagnostice dechového programu, které nám umožní vypracovat jednoduchou diagnostickou i terapeutickou metodiku pro praxi. 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] I. A. Kapandji. The physiology of joints, volume I,II,III. Churchill Livigstone, London, 1975. [3] 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. [4] 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