Институт прикладной математики и механики НАН Украины, г. Донецк Аппаратно-программный комплекс «Видеоанализ движений» для кинематического и динамического анализа ходьбы человека УкрНИИ Протезирования Министерства труда и социальной политики Украины, г. Харьков

Обоснование проекта Реабилитационное лечение инвалидов должно основываться на количественных особенностях двигательного стереотипа и ясных критериях эффективности терапии. Доказательная медицина предполагает применение биомеханических систем анализа движений в лечебной практике. В рамках проекта создана бесконтактная (оптическая) программно-аппаратная система фиксации параметров локомоций и определения показателей качества ходьбы инвалидов.

Проект связан с решением следующих задач: 1. Обработка и фиксация результатов циклографических исследований (данные видеорегистрации движений) 2. Фотограмметрические алгоритмы 3. Калибровка камер, параметры дисторсии 4. Восстановление пространственных координат маркеров 5. Формализация биомеханической модели, определение кинематических параметров 6. Критерии ходьбы: комфортабельность и энергетическая эффективность

Источник данных – циклографические исследования ходьбы

Стандартная схема расположения маркеров при исследованиях

Процесс видеорегистрации

Учет соматотипа пациента

Угловые характеристики движения

Определение параметров камер: стандартная система координат камеры z y x O – оптический центр Oz – оптическая ось

Определение координат на изображении

Глобальная система координат z y x x y z t

Общая формула преобразования

Дисторсия оптической системы Дисторсия в картинной плоскости k > 0 – параметр дисторсии

Компенсация дисторсии Проводится на основании регистрируемой на изображении деформации прямых линий Уравнение для идентификации параметров дисторсии

Калибровка камер (тестовый объект)

Алгоритм калибровки (метод наименьших квадратов) M1M1 M2M2 M5M5 M3M3 M4M4 M6M6 v1v1 v2v2 v3v3 v4v4 v5v5 v6v6 при условии

Восстановление пространственных координат

Восстановление пространственных координат маркера M v3v3 v2v2 v1v1

Интерфейс программы калибровки

Распознавание маркеров

Биомеханическая модель человека Радиус-векторы точек модели: r 1 – тазобедренный сустав (индексы: r – правый, l – левый); r 2 – коленный сустав; r 3 – пятка; r 4 – пальцевая часть стопы; r 5 – нижнегрудинная точка; r p – пупковая часть туловища; r 6 – 7-й шейный позвонок; r 7 – верхушечная точка головы; r 8 – плечевой сустав; r 9 – локтевой сустав; r 10 – лучезапястный сустав; r 11 – пальцевая часть кисти.

Разбиение на сегменты Основные сегменты тела человека: бедро; голень; стопа; нижний отдел туловища; средний отдел туловища; верхний отдел туловища; голова; плечо; предплечье; кисть.

Определение центра масс модели Радиус-вектор общего центра масс : где m – масса тела, m j – массы сегментов, c j(r,l) – радиус-векторы центров масс сегментов. Массы сегментов связаны с ростом H и массой m соотношением: где B 0j, B 1j, B 2j – коэффициенты регрессионного уравнения.

Критерий качества: комфортабельность ходьбы Оценка комфортабельности по В.В. Белецкому: где T – время двойного шага, r c – радиус-вектор общего центра масс. Алгоритм вычисления оценки комфортабельности: 1. По исходным данным вычислить r cj =r c (j t), j=0,1,…, N. 2. Найти оценку времени двойного шага из условия k>0 – наибольший локальный максимум автокорреляционной функции последовательности. 3. Построить сплайн:, 4. Вычислить оценку комфортабельности ходьбы:,

Энергетическая эффективность Кинетическая энергия: Потенциальная энергия: E p =m(g,r c ) Полная энергия в поле силы тяжести: E=E k +E p Работа мышц за время t [t 0,t 1 ]:

Программно-аппаратный комплекс «Видеоанализ движений» По данным видеорегистрации ходьбы инвалидов с двух и более камер позволяет находить: Линейные и угловые перемещения; Скорости компонент тела в различных сечениях; Кинематические и энергетические показатели ходьбы; Значения показателей качества, связанные комфортностью и энергетической эффективностью ходьбы в патологии и в норме. Подсистема определения внутренних и внешних параметров камер (процесс калибровки); Подсистема синхронизации изображений с различных камер; Подсистема сбора и обработки цифровых изображений; Подсистема восстановления 3-D координат изображений; Подсистема частотного представления полученных результатов для фильтрации помех и определения скоростей маркеров (дискретное преобразование Фурье); Подсистема компьютерной диагностики (кинематические параметры, энергетические критерии, визуализация). Структура:Возможности: