10.4. Oprogramowanie do analizy biomechaniki ruchu

4. Zastosowanie technologii 3D w analizie funkcjonalnych wzorców ruchowych

Zastosowanie technologii 3D w analizie funkcjonalnych wzorców ruchowych opiera się na budowie trójwymiarowego modelu ciała ćwiczącego, który pozwala na precyzyjną ocenę trajektorii, kątów stawowych oraz interakcji segmentów podczas złożonych wzorców ruchowych. Poniżej przedstawiono szczegółową teorię oraz propozycje praktycznych ćwiczeń wykorzystujących tę technologię.

Teoria

Źródła danych i reprezentacja przestrzenna
- Kamery głębi (depth sensors): urządzenia takie jak Microsoft Kinect czy Intel RealSense generują mapę odległości (depth map), z której tworzy się chmurę punktów (point cloud).
- Skanery laserowe i fotogrametria: precyzyjne urządzenia skanujące sylwetkę z wielu kierunków, pozwalające na uzyskanie gęstego modelu siatkowego (mesh).
- Integracja IMU: akcelerometry i żyroskopy umieszczone na segmentach uzupełniają dane optyczne, poprawiając śledzenie w sytuacjach zakrycia markerów czy szybkich ruchów.
Przetwarzanie chmury punktów i siatki
- Filtracja i normalizacja: usuwanie szumów, standaryzacja odległości i orientacji modelu względem układu odniesienia.
- Segmentacja anatomiczna: algorytmy dzielące chmurę na części odpowiadające segmentom ciała (tułów, kończyny), zwykle z użyciem sieci neuronowych lub klasteryzacji.
- Rekonstrukcja szkieletu: wyznaczanie osi segmentów i punktów połączeń stawowych na podstawie centroidów poszczególnych klastrów.
Analiza ruchu w przestrzeni 3D
- Trajektorie markerów: śledzenie punktu na nadgarstku czy kostce w całej przestrzeni, umożliwiające obliczenie krzywizn, łuków i prędkości.
- Kątowe zestawienie stawów: obliczanie kątów między wektorami segmentów (np. kąt zgięcia kolana w trzech płaszczyznach), co daje pełny opis zakresu ruchu (ROM).
- Porównanie z wzorcem referencyjnym: znormalizowany, dostępny w bazie „idealny” model ruchu, używany jako punkt odniesienia do oceny odchyleń.
Wizualizacja i raportowanie
- Modele animowane: interaktywne odtwarzanie ruchu w formie kolorowego szkieletu na siatce ciała.
- Wykresy 3D: prezentacja trajektorii punktów w osiach XYZ, możliwość obrotu widoku i przybliżania obszarów krytycznych.
- Heatmapy deformacji: nakładanie na siatkę ciała mapy intensywności ruchu lub przeciążeń.

Przykłady praktycznych ćwiczeń

1. Przysiad w oświetleniu 3D

Cel: ocena symetrii i głębokości przysiadu.
Przebieg: ćwiczący wykonuje serię 8–10 przysiadów. Kamery 3D rejestrują każdy ruch.
Analiza:
- Pomiar różnicy kątów zgięcia kolan lewej i prawej w fazie najniższego położenia.
- Śledzenie trajektorii środka masy tułowia – czy pozostaje w płaszczyźnie strzałkowej.
Interwencja: wprowadzenie ćwiczeń mobilizujących staw skokowy (np. przysiady przy ścianie z odchylonymi stopami) oraz wzmacniających pośladek średni (chodzenie w szerokim rozkroku z gumą).

2. Wznosy ramion ponad głowę

Cel: kontrola ruchu barku w trzech osiach.
Przebieg: seria 12 powolnych wznosów z zatrzymaniem w najwyższym punkcie na 2 s.
Analiza:
- Kąt odwiedzenia i wyprostu ramienia – porównanie wartości w osiach XY i XZ.
- Smoothness movement index – ocena płynności ruchu na podstawie krzywizn trajektorii nadgarstka.
Interwencja: dodanie ćwiczeń z taśmą oporową (band pull‑apart) i mobilizacji klatki piersiowej na wałku (foam‑rolling).

3. Wykroki z obrotem tułowia

Cel: integracja ruchu w wielu płaszczyznach.
Przebieg: wykrok do przodu połączony z rotacją tułowia w stronę nogi wykrocznej. 10 powtórzeń każdą stroną.
Analiza:
- Pomiar kąta rotacji tułowia względem osi Z oraz trajektorii biodra i barku.
- Prędkość fazy ekscentrycznej versus koncentrycznej.
Interwencja: wprowadzenie ćwiczeń mobilizacyjnych kręgosłupa (cat‑cow, windmill) oraz wzmacniających core (plank z rotacją bioder).

Dzięki technologii 3D trener otrzymuje kompleksowy, ilościowy obraz ruchu, co pozwala na precyzyjne projektowanie programów korekcyjnych i optymalizacyjnych. Zawodnik zaś może obserwować własne postępy w wizualizacji, co wzmacnia motywację i świadomość ciała.