10.4. Oprogramowanie do analizy biomechaniki ruchu

3. Analiza trójwymiarowa wzorców ruchowych

Analiza trójwymiarowa wzorców ruchowych opiera się na rejestracji i przetwarzaniu danych kinetyczno‑kinematycznych w trzech osiach przestrzeni (X, Y, Z). Dzięki temu możliwa jest pełna ocena jakości ruchu funkcjonalnego, wychwycenie subtelnych nieprawidłowości oraz optymalizacja wzorców pod kątem efektywności i bezpieczeństwa.

---

1. Założenia teoretyczne

1. Układ współrzędnych

   • Oś X (podłużna): kierunek przód–tył

   • Oś Y (poprzeczna): kierunek lewo–prawo

   • Oś Z (pionowa): kierunek góra–dół
     Ruch każdego segmentu ciała opisywany jest jako wektor przemieszczenia $\mathbf{r}(t) = [x(t),\,y(t),\,z(t)]$, co pozwala na wyznaczenie prędkości i przyspieszenia w dowolnej płaszczyźnie.

2. Śledzenie trajektorii markerów lub punktów referencyjnych
   – Kamera optoelektroniczna rejestruje pozycję markerów przytwierdzonych do kluczowych punktów anatomicznych (staw ramienny, biodro, kolano, kostka).
   – Systemy bez markerów (marker‑less) wykorzystują algorytmy sztucznej inteligencji do detekcji sylwetki i śledzenia punktów orientacyjnych.

3. Przekształcenia przestrzenne
   – Translacje: przesunięcie środka masy segmentu
   – Rotacje: obrót segmentu wokół osi składowych, opisany macierzami obrotu lub kątami Eulera/kwaternionami
   – Skalowanie i korekcje kalibracyjne: dostosowanie wielkości modelu do antropometrii użytkownika

4. Kinematyka odwrócona (inverse kinematics)
   – Przy pomocy trajektorii markerów oblicza się kąty stawowe w czasie rzeczywistym, zapewniając precyzyjny podgląd zakresu ruchu i dynamiki segmentów.

---

2. Kluczowe możliwości i funkcje oprogramowania

Funkcja	Opis
Rekonstrukcja 3D	Automatyczne tworzenie modelu szkieletowego w przestrzeni trójwymiarowej
Analiza zakresu ruchu (ROM)	Pomiar kątów stawowych w trzech płaszczyznach z podglądem wykresów kątowych vs. czas
Analiza prędkości i przyspieszeń	Obliczanie składowych prędkości $\dot x,\dot y,\dot z$ i przyspieszeń $\ddot x,\ddot y,\ddot z$
Heatmapy trajektorii	Graficzne przedstawienie przestrzeni przemieszczania się wybranych punktów (np. ręka, stopa)
Wykrywanie asymetrii	Automatyczne porównanie trajektorii lewej i prawej kończyny oraz identyfikacja odchyleń
Synchronizacja z innymi danymi	Scalanie analizy 3D z pomiarem sił reakcji podłoża, EMG czy monitorami tętna
Eksport do formatu VR/AR	Możliwość przeprowadzenia analizy w środowisku wirtualnym dla bardziej immersyjnej korekty

---

3. Przykłady praktycznych ćwiczeń z analizą 3D

A. Przysiad z wyskokiem (jump squat)

1. Przygotowanie
   – Markery na biodrach, kolanach, kostkach; synchronizacja kamer.

2. Wykonanie
   – Seria 5 wyskoków z głębokiego przysiadu, skupiając się na równoczesnym wyproście bioder i kolan.

3. Analiza
   – Porównanie trajektorii środka masy ciała (marker na kręgosłupie) w osi Z – ocena wysokości wyskoku.
   – Heatmapa trajektorii kolan w osi Y – wykrycie odchylenia kolan na zewnątrz (valgus).

4. Interwencja
   – Ćwiczenia wzmacniające przywodziciele i rotatory biodra (clamshell, monster walks) jeśli stwierdzono nadmierny valgus.

B. Wykrok boczny (side lunge)

1. Przygotowanie
   – Markery na biodrach, kolanach, stopach; stała prędkość wykonywania ruchu.

2. Wykonanie
   – Wykrok w bok do linii równoległej z drugą stopą, powrót do pozycji wyjściowej.

3. Analiza
   – Obliczenie kąta odwiedzenia biodra w płaszczyźnie czołowej (oś Y) – czy mieści się w normie 30–45°.
   – Prędkość przesunięcia środka masy (vektor $\dot x(t)$) – ocena płynności ruchu.

4. Interwencja
   – Jeśli zakres odwiedzenia jest ograniczony, dodać rozciąganie i mobilizację przywodzicieli (stretch „motyla”) oraz aktywację pośladka średniego (side‑lying abduction).

C. Pompki w podporze przodem (push‑up)

1. Przygotowanie
   – Markery na barkach, łokciach, nadgarstkach; stabilne podłoże.

2. Wykonanie
   – Trzy serie po 8 powolnych pompek, zatrzymanie w dolnej pozycji na 2 s.

3. Analiza
   – Profil trajektorii barku w osi Z – ocena symetrii opuszczania i unoszenia.
   – Kąt zgięcia łokcia w płaszczyźnie strzałkowej – czy obie strony osiągają podobny ROM.

4. Interwencja
   – Ćwiczenia wzmacniające rotatory zewnętrzne barku (theraband external rotation) i mobilizację klatki piersiowej (foam‑rolling), jeśli asymetria >10°.

---

4. Wnioski dla trenera i zawodnika

• Dokładność: Analiza 3D dostarcza konkretne wartości kątów, prędkości i trajektorii, eliminując subiektywność.

• Bezpieczeństwo: Wczesne wykrywanie odchyleń ruchu pozwala zapobiegać przeciążeniom oraz kontuzjom.

• Efektywność: Indywidualne programy korekcyjne prowadzone na podstawie realnych danych skracają czas adaptacji.

• Motywacja: Wizualne prezentacje trajektorii i wykresów ROM stanowią silny czynnik motywujący do dalszej pracy.

Analiza trójwymiarowa wzorców ruchowych stanowi dziś jedno z najważniejszych narzędzi wspomagających trening funkcjonalny – łączy precyzyjną naukę o mechanice ciała z praktycznymi zastosowaniami na sali czy w terenie. Dzięki niej trenerzy i zawodnicy mogą pracować na miarę najwyższych standardów profesjonalizmu.