Apkrauto raumens mechaninių charakteristikų tyrimas

Abstract

Disertacijoje taikant eksperimentinius, statistinius, skaitmeninius tyrimo būdus nagrinėjamos apkrauto raumens mechaninės charakteristikos. Pagrindinis tyrimo objektas – skirtingai apkrauto raumens savybės ir elgsena. Šio objekto rezultatai yra svarbūs medicinos diagnostikai ir jų išsami analizė bei interpretacija leidžia išaiškinti raumens darbingumo savybes, prisitaikymo prie apkrovų galimybes bei nuovargio apraiškas darbo metu. Pagrindinis disertacijos tikslas – nustatyti ryšį tarp sveiko raumens biosignalo ir jo mechaninių charakteristikų įvertinant apkrovos dydį laike, ištirti prisitaikymo prie parinktos apkrovos galimybes bei sudaryti metodikas raumens darbingumo charakteristikoms ir mechaninių charakteristikų pokyčiams tirti. Darbe sprendžiami keli uždaviniai: raumens biosignalo energijos ir atliekamo darbo ryšio nustatymas priklausomai nuo žmogaus lyties ir amžiaus, raumens netiesinio dinaminio modelio sudarymas, jo standžio ir dažninių charakteristikų kitimo nuo apkrovos dydžio ir trukmės tyrimas, biosignalo spektrinio tankio sudėties kitimo raumens apkrovimo metu analizė, raumens dinaminio modelio mechaninių charakteristikų pokyčio priklausomybių nuo apkrovimo sąlygų formulavimas, raumens darbingumo kriterijų formavimas ir metodikos raumens prisitaikymui prie apkrovos bei darbingumo atsargai skaičiuoti sudarymas. Disertaciją sudaro šeši skyriai, iš kurių paskutinis – rezultatų apibendrinimas. Pirmajame (įvadiniame) skyriuje nagrinėjamas problemos aktualumas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aptariamas mokslinis darbo naujumas, pristatomi autoriaus pranešimai ir publikacijos, disertacijos struktūra. Antrasis skyrius skirtas literatūros apžvalgai. Jame apžvelgti raumenų biosignalų matavimo būdai. Išaiškintos raumens charakteristikų tyrimo metodikos. Išryškintos tyrimų metu kylančios problemos. Pateikti atliktų tyrimų rezultatai. Išanalizuoti raumens dinaminiai modeliai ir jų charakteristikos. Trečiame skyriuje pateikta raumens biosignalų eksperimentinių tyrimų metodika, priemonės ir būdai. Atlikta užregistruotų raumens biosignalų statistinė analizė. Išanalizuota raumens apkrovos dydžio bei apkrovimo laiko įtaka raumens biosignalo charakteristikoms, biosignalus matuojant dviem būdais: paviršiniu ir invaziniu. Išaiškinti raumens biosignalo charakteristikų pokyčiai nukrovus raumenį. Apibendrinti tyrimo rezultatai ir pateiktos išvados. Ketvirtame skyriuje sudarytas energetinis raumens modelis, atlikta išsami jo analizė. Pateiktos analitinės raumens standžio bei pailgėjimo charakteristikos, taip pat išanalizuotas jų pokytis esant skirtingoms raumens darbo sąlygoms. Ištirtos raumens standžio dvejopos savybės, esant skirtingoms apkrovimo sąlygoms. Nustatytos raumens darbingumo charakteristikos, apibrėžti darbingumo kriterijai. Išanalizuotas raumens jėgų atliekamas darbas, pateiktos analitinės išraiškos. Apibendrinti tyrimų rezultatai ir suformuluotos išvados. Penktame skyriuje sudarytas netiesinis raumens dinaminis modelis. Pateiktos modelio charakteristikos bei skirtingi jo tyrimo variantai. Tyrimui panaudotas Rungės-Kuto metodas. Ištirtos raumens dinaminės charakteristikos, pateiktos dažninės bei amplitudinės-dažninės raumens charakteristikos ir jų grafinės priklausomybės. Tyrimo rezultatai palyginti su pateiktais literatūros šaltiniuose. Rezultatai apibendrinti bei pateiktos išvados. Disertacijos tematika yra publikuota 17 mokslinių straipsnių: vienas – straipsnių rinkinyje, įtrauktame į ISI Web of Science sąrašą, du – ISI Master Journal List, vienas – konferencijų medžiagoje, referuotoje ISI duomenų bazėje; trys – recenzuojamose tarptautinių konferencijų medžiagose, trys – recenzuojamuose mokslo žurnaluose, cituojamuose duomenų bazėse, vienas – užsienio mokslo žurnale, vienas – recenzuojamoje tarptautinės konferencijos, vykusios Lietuvoje, medžiagoje, penki – respublikinių konferencijų medžiagoje.

The main idea of present PhD thesis is an analysis of muscle mechanical characteristics using experimental, statistical and numerical methods. The objects of investigation are properties and behavior of loaded muscle. These objects are essential results of medical diagnostic which require a detail analysis and interpretation for the successive explanation of muscle working features, adaptability to loads and also appearances of fatigue during activities. The aim of work is estimating the ratio between muscle’s, without pathologies, biosignal and its mechatronic characteristics evaluating loading duration, to analyze possibilities of adaptation to the set load size at time, and also to create methodology for calculation of muscle working characteristics and for the research of mechanical characteristics variations. There are few tasks under consideration. First one is an evaluation of relation of biosignal energy and accomplished work on people’s age and gender. Second one is the creation of muscle nonlinear dynamic model, and formation and analysis of its mechanical characteristics shifts with loading size and duration. Next one is an estimation of shifts of biosignal spectral composition as the muscle is loaded. Finally the last task is the formulation of muscle working criterions and creation of the methodology suitable for calculation of muscle adaptation and efficiency reserve. The thesis is divided into six chapters including the conclusion’s chapter. First chapter is dedicated for an introduction to the problem and its topicality. There are also formulated purposes and tasks of the work; the used methods and novelty of solutions are described; author’s publications and structure of the thesis are presented. Second chapter covers an analysis of existing publications related with problems of the thesis. Measurement methodologies of muscle biosignals are described. There are explained research methodologies of muscle characteristics. The attention is paid to problems rising during investigations. There are also presented results of accomplished research works. Finally there are analyzed muscles dynamic models presented in the literature sources and characteristics of them. In the third chapter the methodic, instrumentation and ways of experimental research are presented. The statistical analysis of measured muscle biosignals is made. The influence of loading size and duration to biosignal characteristic was analyzed by measuring biosignals by surface and invasive means. There were explained changes of biosignals characteristics after unloading the muscle. The results of this chapter were summarized and conclusions were presented. The fourth chapter presents analysis of energetic muscle model. There were formulated analytical expressions of muscle stiffness and elongation, and also analyzed their variation under different loading conditions. The dual meaning features of muscle stiffness were researched. Also muscle efficiency relations were formulated and working criterions defined. There was analyzed work done by muscular forces and finally were presented analytical expressions of them. Results of this chapter were summarized and conclusions were made. The fifth chapter covers a nonlinear dynamic model of the muscle and its characteristics, analysis versions. Research was made by using the Runge-Kutta numerical method. Dynamic characteristics of the muscle were analyzed and frequentative and amplitude – frequency characteristics were presented graphically. Research results were compared with ones presented in literature. Finally were summarized results of this chapter and conclusions were presented. The results of thesis were approved in 17 scientific publications: one of them published in journal referred in ISI Web of Science database, two published in journal referred in ISI Master Journal list, one – in ISI Proceedings, three are printed in international reviewed conference proceedings, three – are in journals referred in databases, one is in foreign scientific journal, one is printed in international reviewed conference proceedings took place in Lithuania and five papers are published in other republic conference proceedings.