EN
Ihmisen mallintaminen alkaa akillesjänteestä

Ihmisen mallintaminen alkaa akillesjänteestä

21.6.2018

Tietokonemallinnus ja simulointi ovat tuttuja työkaluja mekaanisten rakenteiden analysoinnissa. Ehkä yllättävämpää on, että samoja välineitä voidaan käyttää myös ihmisen liikuntaelimistön mallintamiseen. 

Akatemiatutkija Marko Matikainen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta pyrkii tutkimuksessaan selvittämään laskennallisesti, kuinka dynaaminen kuormitus vaikuttaa pehmeisiin kudoksiin ja päinvastoin. 

Jänne on enemmän kuin vain jousi

Jänteillä ja etenkin akillesjänteellä ihmisen suurimpana jänteenä on merkittävä vaikutus ihmisen liikkeisiin. Kehitettävän laskennallisen tietokonemallin avulla voitaisiin tarkastella, miten dynaaminen liike ja muutokset jänteen parametreissa vaikuttavat ihmisen dynamiikkaan.

Toistaiseksi tutkimus on Matikaisen mukaan kuitenkin vielä lähinnä yhtälöiden pyörittelyä elementtitasolla. Haasteita riittää muun muassa jänteen mallintamisessa.

”Kyseessä on varsin monimutkainen materiaali. Kun ihminen liikkuu, suoritus aiheuttaa muodonmuutoksia jänteeseen, kuitujen asennot muuttuvat ja jänteeseen varastoituu energiaa. Yksinkertaisimmillaan jännettä voidaan laskennallisesti kuvata jousi-vaimennin-yhdistelmällä, mutta tällöin ei päästä tarkastelemaan kuitutason muutoksia vettä sisältävässä huokoisessa materiaalissa."

Konetekniikka vaihtui biomekaniikkaan

Lääketieteen tai biotieteiden alan koulutusta Matikaisella ei ole. Hänen taustansa on konetekniikassa, eikä hän vielä laskennallisesta mekaniikasta väitöskirjaa tehdessäänkään kuvitellut päätyvänsä tutkimaan mitään ihmiskehoon liittyvää.

Yhdistelmä ei kuitenkaan hänen mukaansa ole mitenkään tavaton, vaan biotekniikan alalla työskentelee paljon juuri laskennallisen mekaniikan osaajia.

 ”Itse kiinnostuin aiheesta, kun ensimmäisen kerran olin tutkijavaihdossa Lundin yliopistossa. Olin jo kauan tehnyt mekaniikkaan liittyviä asioita, ja totesin, että on hyvä hetki laajentaa osaamista.”

Kansainvälinen yhteistyö on tutkimuksen edellytys

Matikaisen nykyinen Suomen Akatemian rahoituskausi kestää vuoden 2021 loppuun, ja siihen sisältyvä lisärahoitus mahdollistaa myös yhden kokopäiväisen jatko-opiskelijan palkkaamisen. Intiasta kotoisin oleva Shiva Adika on ensimmäisen jatko-opintovuotensa aikana keskittynyt jänteen elementtimallin kehittämiseen.

Myös toisen ohjattavan jatko-opiskelijan työ sivuaa tutkimusta. Kiinalainen Xinxin Yu keskittyy opinnoissaan kontaktin laskennalliseen mallintamiseen.

”Lisäksi tutkimukseen on osallistunut hiihtämisen laskennallisesta mallintamisesta viime talvena väitellyt John Bruzzo. Kaveri tulee Venezuelasta Suomeen ja päätyy mallintamaan hiihtoa!” Matikainen nauraa.

Ryhmäkuvassa Saimaan upeissa maisemissa vasemmalta oikealle tohtori John Bruzzo, jatko-opiskelija Shiva Adika, Marko Matikainen ja jatko-opiskelija Xinxin Yu.

Tutkimuksen kansainvälisyys näkyy myös aktiivisessa tutkijavaihdossa. Lundissa Matikainen on vieraillut vuosien mittaan kahdesti, ja viime vuonna hän vietti kaksi kuukautta vierailevana tutkijana Hannoverissa Saksassa.

Suomessa ei Matikaisen mukaan tehdä kovinkaan paljon biomekaniikkaa, ja vielä vähemmän pehmeiden kudosten laskentamallin sisällyttämistä ihmisen biomekaaniseen malliin.

”Esimerkiksi Hannoverissa ollaan paljon pidemmällä tällaisten tekniikoiden kehittämisessä. Yhteistyöllä saadaan laskentaa huomattavasti tehokkaammaksi.”

Lundissa puolestaan tehdään jänteiden toiminnasta käytännön laboratoriomittauksia. Niiden tuloksia Matikaisen kaltaiset laskennalliseen mekaniikkaan keskittyneet tutkijat voivat hyödyntää omassa työssään. 

Ammattikoulusta akatemiatutkijaksi opettajien tuella

Marko Matikaisen tie akateemiseen maailmaan ei ole ollut suorin mahdollinen. Yliopistoon Kiihtelysvaaran maaseudulla kasvanut poika ponnisti lukion sijasta ammattikoulun ja teknillisen opiston kautta.

”Aina on ollut joku, joka on kehottanut jatkamaan eteenpäin. Jo ammattikoulussa yksi opettajistani sanoi minulle, että mitä sinä täällä teet, jatka ihmeessä tekuun. Tekussa taas lähin opettaja suositteli jatkamaan teknilliseen yliopistoon. Lopulta yliopistossa professori houkutteli jatko-opintojen pariin, vaikka en alun perin ollut osannut siitä haaveillakaan.”

Matikainen toivookin, että jokaisen kohdalle sattuisi oikeassa vaiheessa ihmisiä, jotka kannustaisivat eteenpäin. Omasta kokemuksestaan hän tietää, miten suuri vaikutus sillä voi olla itsetuntoon ja elämänkulkuun.

“Olen kuitenkin ollut jo yläasteikäisestä alkaen erittäin kiinnostunut fysikaalisten ilmiöiden matemaattisesta kuvaamisesta. Näyttää siltä, että lopulta sain, mitä en uskaltanut edes toivoa.”

Sattuma suosii valmistautunutta mieltä

Koko ihmiskehon toiminnan matemaattinen mallintaminen on toistaiseksi vielä kaukainen haave. Jo yksittäisen lihaksenkin toiminta voimantuottoineen ja aivoista tulevine käskyineen on niin monimutkainen kokonaisuus, ettei sitä nykyisillä menetelmillä pystytä simuloimaan.

Työssä onkin edettävä pienin askelin. Matikaisen mukaan tavoitteena on saada seuraavien neljän vuoden aikana mallinnettua ihmisen akillesjänteen toiminta jonkin yksinkertaisen kuntosaliliikkeen aikana, esimerkiksi kyykistymisen ja ylös nousemisen. Se toimisi pohjana tuleville vaativammille simulaatioille.

Mallinnusmenetelmätkin saattavat työn edetessä vielä vaihtua sitä mukaa kuin jokin niistä todetaan käytännössä toimimattomaksi: ”Toisaalta käytettävällä menetelmällä ei ole niin väliä, kunhan vain saisi toimivan mallin aikaiseksi. Onneksi tietokonelaskennassa voi kokeilla älyttömiäkin asioita, kunhan laskentatehoa riittää. Tietysti on hyvä olla hajulla, mitä kannattaa kokeilla, mutta onnenkantamoisiakin tarvitaan”, Matikainen tiivistää. 

Teksti ja kuvat: Anna Dannenberg

 

Viimeksi muokattu 21.6.2018
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
TIETOSUOJASELOSTEET »
YHTEYSTIEDOT JA LASKUTUS »
KYSYMYKSET JA PALAUTE »