České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra počítačové grafiky a interakce Bakalářská práce Vyhodnocování biometrických měření laboratoře chůze Petr Stolař Vedoucí práce: Ing. Jan Buriánek Studijní program: Softwarové technologie a management, Bakalářský Obor: Web a multimedia 27. května 2010
iv
v Poděkování Chtěl bych především poděkovat svému vedoucímu práce Ing. Janu Buriánkovi za nabídnutí možnosti zpracování tohoto tématu, za jeho konstruktivní kritiku, rady a připomínky. Dále bych chtěl poděkovat rodičům a přátelům za jejich podporu.
vi
vii Prohlášení Prohlašuji, že jsem práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze, dne 27. 5. 2010.............................................................
viii
Abstract This document deals with evaluation of biometric data from gait laboratory. It introduces to readers a laboratory environment and hardware and software equipment. It describes how the subject position is determined in capture volume of laboratory and how is the position stored. It analyzes used output formats of captured data and it mentions current possibilites of visualization. The result of this work is functional aplication prototyp, which allows visualization of captured data from gait laboratory. Abstrakt Tato práce se zabývá vyhodnocováním biometrických dat laboratoře chůze. Čtenáře seznamuje s prostředím laboratoře a s jeho hardwarovým a softwarovým vybavením. Popisuje jak je určena pozice subjektu v snímaném prostoru laboratoře a jak se tato pozice zaznamenává. Analyzuje používané výstupní formáty měřených dat a zmiňuje stávající možnosti jejich vizualizace. Výsledkem této práce je funkční prototyp aplikace umožňující vizualizovat data pořízená systémy v laboratoři chůze. ix
x
Obsah 1 Úvod 1 1.1 Motivace zadání.................................. 1 1.2 Struktura práce................................... 1 2 Analýza pohybu chůze 3 2.1 Souřadný systém dolní poloviny lidského těla.................. 4 2.1.1 Pánev.................................... 4 2.1.1.1 Definice pánevního technického souřadného systému..... 4 2.1.1.2 Výpočet středů kyčelních kloubů (HJC)............ 5 2.1.1.3 Definice pánevního anatomického souřadného systému.... 5 2.1.2 Střed kolenního kloubu (KJC)...................... 6 2.1.3 Stehno.................................... 6 2.1.4 Dolní část dolní končtiny......................... 7 2.1.4.1 Holeň............................... 9 2.1.4.2 Zadní oddíl chodidla....................... 10 2.1.4.3 Přední oddíl chodidla...................... 10 2.2 Výstupní parametry................................ 13 2.2.1 Pánev.................................... 15 2.2.2 Kyčel.................................... 15 2.2.3 Koleno.................................... 16 2.2.4 Chodidlo.................................. 16 3 Hardwarové vybavení laboratoře chůze 19 3.1 Motion Capture................................... 20 3.1.1 Využití................................... 20 3.1.2 Optické systémy.............................. 20 3.2 Tlaková plošina AMTI OR6-7........................... 21 3.2.1 Využití................................... 21 3.2.2 Popis zařízení................................ 21 3.3 Snímání EMG.................................... 22 3.3.1 Co je EMG?................................ 22 3.3.2 Využití v laboratoři chůze......................... 23 3.3.3 Vysílač TeleMyo 2400T G2........................ 23 3.3.4 Přijímač TeleMyo 2400R G2....................... 23 3.4 Digitální video kamery............................... 24 xi
xii OBSAH 4 Softwarové vybavení laboratoře chůze 25 4.1 Vicon Nexus.................................... 25 4.2 Vicon Polygon................................... 27 4.2.1 Muskuloskeletální systém......................... 27 4.2.2 Těžiště................................... 28 5 Postup snímaní pohybu v laboratoři chůze 29 5.1 Nasnímání dat................................... 30 5.1.1 Příprava subjektu............................. 30 5.1.2 Snímání a zpracování dynamického záznamu.............. 31 5.1.3 Přezkoumání a výplň mezer........................ 31 5.1.4 Export dat................................. 31 5.2 Zpracování vyexportovaných dat......................... 32 5.2.1 Popis uživatelského rozhraní....................... 32 5.2.1.1 Zobrazení a skrytí množiny kostí................ 33 5.2.1.2 Panel zobrazení (View pane).................. 34 5.2.1.3 Zobrazení grafu (Graph View)................. 34 5.3 Zhodnocení aplikací................................ 35 6 Zobrazovač naměřených dat laboratoře chůze 37 6.1 Rozbor výstupního formátu biometrických dat................. 37 6.1.1 Základní struktura C3D souboru..................... 38 6.1.2 Popis C3D souboru............................. 39 6.2 Knihovna C3DServer SDK............................. 40 6.3 Implementace.................................... 41 6.3.1 Základ aplikace............................... 42 6.3.2 Načtení C3D souboru........................... 42 6.3.3 Zobrazovací smyčka............................ 43 7 Testování aplikace na reálných datech 45 8 Závěr 47 Literatura 49 A Obrazová příloha 51 B Seznam použitých zkratek 55 C Obsah přiloženého CD 57
Seznam obrázků 2.1 Technický souřadný systém pánve. Zdroj: [1].................. 4 2.2 Anatomický souřadný systém pánve. Zdroj: [1]................. 6 2.3 Vlevo: Střed kolenního kloubu, vpravo: anatomický souřadný systém stehna. Zdroj: [1]...................................... 7 2.4 Struktura chodidla. Zdroj [1]............................ 8 2.5 Tři rigidní segmenty. Zdroj: [1]........................... 8 2.6 Umístění markerů na holeni. Zdroj: [1]....................... 9 2.7 Anatomický souřadný systém holeně. Zdroj: [1].................. 9 2.8 Zadní část chodidla. Zdroj: [1]........................... 11 2.9 Anatomický souřadný systém zadního oddílu chodidla. Zdroj: [1]........ 11 2.10 Rozmístění markerů na předním oddílu chodidla. Zdroj: [1]........... 12 2.11 Anatomický souřadný systém předního oddílu chodidla. Zdroj: [1]....... 12 2.12 Blokový diagram parametrů modelu........................ 13 2.13 Definice kinematických veličin........................... 14 3.1 Laboratoř chůze. Zdroj [3]............................. 19 3.2 Základní Vicon MX systém s osmi kamerami. Zdroj: [11]............ 21 3.3 Souřadný systém plošiny AMTI. Zdroj: [12].................... 22 3.4 Vlevo: vysílač TeleMyo 2400T G2, vpravo: přijímač TeleMyo 2400R G2. Zdroj:[13] 23 4.1 Okno aplikace Vicon Nexus............................. 26 4.2 Okno aplikace Vicon Polygon s popsaným uživatelským rozhraním. Zdroj: [10] 28 5.1 Zvýrazněné povinné hodnoty antropometrických parametrů........... 30 5.2 Zrekonstruovaný záznam.............................. 31 5.3 Okno aplikace Vicon Polygon s více otevřenými dialogy............. 33 5.4 Data Object View.................................. 33 5.5 Kontextová nabídka v 3D pracovní ploše. Zde zobrazena možnost pro skrytí množiny kostí.................................... 34 5.6 Dialog pro smazání komponenty.......................... 34 6.1 Obsah hlavičky vypsaný aplikací VBC3DEditor................. 39 6.2 Sekce parametru vypsaná aplikací VBC3DEditor................. 40 6.3 Sekce 3D dat vypsaná aplikací VBC3DEditor................... 40 6.4 Snímek obrazovky aplikace GDV pro vizualizace dat............... 42 xiii
xiv SEZNAM OBRÁZKŮ A.1 Snímek z výsledné aplikace............................. 51 A.2 Snímek z výsledné aplikace............................. 52 A.3 Snímek z výsledné aplikace............................. 52 A.4 Prostředí brněnské laboratoře chůze. Zdroj: [2]................. 53 A.5 Zdravotní sestra Aneta Fedrová z brněnské laboratoře chůze připevňuje na nohy pacientky retroreflexní markery. Zdroj: [4]................. 53 A.6 Provádění dynamického záznamu. Zdroj: [4]................... 54 A.7 Provádění dynamického záznamu. Zdroj: [4]................... 54 C.1 Seznam přiloženého CD.............................. 57
Seznam tabulek 2.1 Technický souřadný systém pánve......................... 5 2.2 Anatomický souřadný systém pánve....................... 6 2.3 Anatomický souřadný systém stehna....................... 7 2.4 Anatomický souřadný systém holeně....................... 10 2.5 Anatomický souřadný systém zadního oddílu chodidla............. 11 2.6 Anatomický souřadný systém předního oddílu chodidla............. 12 6.1 Základní struktura C3D souboru.......................... 39 xv
xvi SEZNAM TABULEK
Kapitola 1 Úvod 1.1 Motivace zadání Pro potřeby této práce bylo využito prostředí laboratoře chůze ve Fakultní dětské nemocnici J. G. Mendela v Brně (viz. pořad PORT [17]). Tato laboratoř je součástí Kliniky dětské chirurgie, ortopedie a traumatologie. Využívá se k upřesnění indikací chirurgické léčby pohybového aparátu dětí postižených dětskou mozkovou obrnou. Laboratoř vybavená nejnovějšími technologiemi, poskytuje lékařům flexibilní, rychlé a dostatečně přesné prostředky k určení diagnóz a postupu léčby. Kombinují se zde optické snímače pohybu, tlakové plošiny a EMG systémy. Takováto zařízení bývají často technicky velmi složitá a kladou na obsluhující personál značné nároky. Jelikož se jedná převážně o lidi vzdělané v medicínském oboru, je důležité, aby software řídící tyto systémy poskytoval snadné ovládání. Extrémně důležitá je výsledná vizualizace naměřených biometrických dat. Musí striktně odpovídat potřebám diagnostikujících lékařů, kteří na základě těchto dat určí následující postup léčby. Cílem této práce je analyzovat stávající používané systémy umožňující záznam pacientovi chůze a výslednou vizualizaci. Pro správné pochopení všech souvislostí je zapotřebí nastudovat celkovou problematiku lidské chůze a také formáty dat, které slouží k uchování nasnímané informace. K tomu posloužili dokumenty od R. B. Davise a spol. [5] a M. P. Kadaby a spol. [6]. Na základě této analýzy byl implementován vizualizační systém, jehož vstupem jsou nasnímaná data z optických snímačů. 1.2 Struktura práce Struktura bakalářské práce je takováto. V následující druhé kapitole je popsáno, jak je definováno rozmístění retroreflexních markerů na těle pacienta. Dále jak se určí výsledná poloha jednotlivých částí těla v 3D prostoru laboratoře. Kapitola 3 se zabývá hardwarovým vybavení laboratoře. Následuje kapitola 4. V ní je zmínka o softwarovém vybavení laboratoře. Zde jsou popsány programy Vicon Nexus a Vicon Polygon jako klíčové prvky pro záznam a analýzu pacientovi chůze. V kapitole 5 je popsán celý postup práce vedoucí k nasnímání 1
2 KAPITOLA 1. ÚVOD dynamického záznamu pomocí programu Vicon Nexus. Je zde také nastíněna práce s programem Vicon Polygon, který umožňuje výslednou vizualizaci všech dat. V kapitole 6 přichází na řadu rozbor zobrazovače naměřených dat společně s popisem výstupních formátů a výslednou implementací. V kapitole 7 je zmíněno testování aplikace na reálných datech. Poté následuje závěr, ve kterém je shrnut výsledek práce.
Kapitola 2 Analýza pohybu chůze Na začátku tohoto dokumentu je zapotřebí nastínit nutnou teorii, na které je celá problematika postavena. Analýza pohybu, jak ji dnes známe, se začala vyvíjet na počátku osmdesátých let dvacátého století. Vůbec první laboratoří, která se zabývala myšlenkou využití snímání pohybu v medicíně, byla laboratoř v Dětské nemocnici Newington (Hartford, Connecticut, USA). Několika členné týmy pracovali na společném cíli. Výsledkem toho všeho bylo vyvinutí biomechanického modelu, který popsali M. P. Kadaba a spol. v textu [6] a R. B. Davis a spol. v textu [5]. Na základě tohoto biomechanického modelu, nazývaného také jako konvenční model chůze, vznikl matematický model, který umožňuje sledovat chování systému ovlivněného určitými vstupy a parametry. Model funguje tak, že z trajektorie fyzických markerů dopočítá trajektorii virtuálních markerů, které slouží k určení kinematické a kinetické veličiny (úhly, momenty, atd.) a reprezentaci segmentů těla. Před samotným měřením je třeba poměřit antropometrické parametry pacienta (hmotnost a výška osoby, délka nohy, šířka kolena a kotníku). Dále se definují rigidní segmenty. Každý segment je popsán svým ortogonálním souřadným systém využívajícím pravidla pravé ruky. Model chůze je založen na následujících předpokladech: hypotéza rigidního těla části lidského těla jsou považovány za rigidní a nedeformovatelné. snímání rigidních segmentů fyzické markery jsou připevněny na povrchu těla osoby; virtuální markery jsou generovány z fyzických markerů a z fyzických parametrů osoby. Z výše uvedeného je patrné, že kvalita, přesnost a konzistence pozice fyzických a virtuálních markerů má velký vliv na výsledný výstup. 3
4 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE 2.1 Souřadný systém dolní poloviny lidského těla Jak bylo výše zmíněno, každá část dolní poloviny lidského těla má svůj vlastní ortogonální souřadný systém. K určení těchto systémů nám slouží získané pozice retroreflexních markerů. Tyto fyzické markery nám umožňují vytvořit tzv. technický souřadný systém, který s pomocí virtuálních markerů umožní vytvoření anatomického souřadného systému segmentu. Důležitý je směr chůze subjektu v globálním souřadném systému. Vypočítá se z předchozí a následné pozice LASI markeru. Přitom se porovnává posunutí po ose X a Y. Podle toho které posunutí má větší hodnotu, subjekt se pohybuje po té či oné ose. 2.1.1 Pánev Vytvoření pánevního anatomického souřadného systému ovlivňují následující kroky: 2.1.1.1 Definice pánevního technického souřadného systému Pánevní technický souřadný systém 2.1 je určen markery připevněnými na pánev subjektu. Markery mají označení LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo alternativně LASI, RASI, SACR. Záleží na umístění markerů na pánvi. Když se použijí PSI markery, vytvoří se mezi nimi virtuální marker používaný pro kalkulaci. Jinak když je použit SACR marker, bude použit pro kalkulaci on. Obrázek 2.1: Technický souřadný systém pánve. Zdroj: [1]
2.1. SOUŘADNÝ SYSTÉM DOLNÍ POLOVINY LIDSKÉHO TĚLA 5 Co Jak Popis Počátek (LASI + RASI)/2 1. definovaná osa Y RASI LASI Horizontální, zprava doleva 2. definovaná osa Z Kolmá k rovině definované markery Vertikální, ukazující vzhůru LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo LASI, RASI, SACR 3. definovaná osa X Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Y a Z Ukazující dopředu Tabulka 2.1: Technický souřadný systém pánve 2.1.1.2 Výpočet středů kyčelních kloubů (HJC) Problematice nalezení středu kyčelních kloubů v pánevním technickém souřadném systému, se věnovali Davis a spol. v dokumentu [5]. Využívá se regresivního přístupu k nalezení vektoru spojujícího původní pánevní technický souřadný systém s HJC. Regrese je přitom založena na vzdálenosti mezi anterior superior iliaca spina (ASIS - trn kyčelní přední, horní) a délkou nohy. Lokální souřadnice středu levého kyčelního kloubu v pánevním technické souřadné systému jsou (pro pravý HJC je potřeba invertovat Y souřadnici): LHJC x = C * cos(θ) * sin(β) - (ASIS-TrochanterDistance + mm) * cos(β) LHJC y = -(C * sin(θ) - aa) LHJC z = -C * cos(θ) * cos(β) - (ASIS-TrochanterDistance + mm) * sin(β) Kde: θ = 0.5 rad β = 0.314 rad ASIS-TrochanterDistance = 0.1288 * delkanohy - 48.56 C = 0.115 * delkanohy - 15.3 aa = (vzdalenost(lasi,rasi))/2 mm = poloměr markeru 2.1.1.3 Definice pánevního anatomického souřadného systému Jakmile je lokalizován HJC a určen pánevní technický souřadný systém, může být definován anatomický pánevní souřadný systém. Směr pánevního anatomického souřadného systému je stejný jako technický souřadný systém, ale počátek je posunut do středu LHJC a RHJC definovaných v 2.1.1.2.
6 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE Obrázek 2.2: Anatomický souřadný systém pánve. Zdroj: [1] Co Jak Popis Počátek (LHJC + RHJC)/2 1. definovaná osa Y RASI LASI Horizontální, zprava doleva 2. definovaná osa Z Kolmá k rovině definované markery Vertikální, ukazující vzhůru LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo LASI, RASI, SACR 3. definovaná osa X Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Y a Z Ukazující dopředu Tabulka 2.2: Anatomický souřadný systém pánve 2.1.2 Střed kolenního kloubu (KJC) Vypočítat střed kolenního kloubu lze pomocí dvou metod. První pro určení KJC využívá speciální kolenní marker - Knee Aligment Device (KAD). V brněnské laboratoři chůze se nepoužívá, proto nebude dále zmiňován. Druhá metoda určuje pozici KJC díky znalosti globální pozice HJC, pozice stehenního markeru THI, kolenního markeru KNE a offsetu kolena KO (KO = (šířka kolena + průměr markeru)/2). KJC je ve vzdálenosti KO od KNE, kolmo na rovinu tvořenou markery KNE,THI a HJC. Více obr. 2.3 vlevo. 2.1.3 Stehno Anatomický souřadný systém stehna využívá pouze jeden fyzický marker THI. K popisu rigidní části těla v prostoru potřebujeme alespoň tři body. Využijeme proto poznatku o umístění KJC definovaného v 2.1.2 a HJC definovaného v 2.1.1.2. Více obr. 2.3 vpravo.
2.1. SOUŘADNÝ SYSTÉM DOLNÍ POLOVINY LIDSKÉHO TĚLA 7 Obrázek 2.3: Vlevo: Střed kolenního kloubu, vpravo: anatomický souřadný systém stehna. Zdroj: [1] Co Jak Popis Počátek RKJC 1. definovaná osa Z RKJC RHJC Vertikální, ukazující vzhůru 2. definovaná osa X Kolmá k rovině definované RHJC, Ukazující dopředu RKJC, THI 3. definovaná osa Y Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Z a X Horizontální, zprava doleva Tabulka 2.3: Anatomický souřadný systém stehna 2.1.4 Dolní část dolní končtiny Jako klíčová se při analýze chůze jeví potřeba velmi detailního nasnímání pohybů pacientovi dolní končetiny a hlavně chodidla. To vyžaduje umístění většího množství markerů na povrch dolní končetiny. Samotní pacienti - děti, představují určité výzvy. A to především jejich malý povrch chodidla a vetší proměnlivost pohybu chodidla. Pro detailní analýzu byl vytvořen Oxford Foot Model (OFM) vyvinutý Nuffieldským ortopedickým centrem v Oxfordu, předním světovým centrem pro klinickou a výzkumnou analýzu chůze, ve spolupráci s Oxfordskou universitou. Samotné chodidlo je velice složitá struktura 2.4. Chodidlo utváří: 26 kostí, 33 kloubů,
8 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE 107 vazů a 19 svalů. Obrázek 2.4: Struktura chodidla. Zdroj [1]. Z výše uvedeného je patrné, že k dostatečnému popisu chodidla nestačí pouze jeden segment, ale je zapotřebí chodidlo rozdělit do více segmentů. I v tomto případě se využívá předpokladu rigidního těla. Dolní část dolní končetiny je rozdělena do tří segmentů - holeň, zadní oddíl chodidla a přední oddíl chodidla, obr. 2.5. Jako doplňková část může být do výpočtu zahrnut hallux (palec). Obrázek 2.5: Tři rigidní segmenty. Zdroj: [1].
2.1. SOUŘADNÝ SYSTÉM DOLNÍ POLOVINY LIDSKÉHO TĚLA 9 2.1.4.1 Holeň OFM definuje umístění fyzických markerů na holeni, viz. obr. 2.6. Anatomický souřadný systém holeně je definovaný středem kotníku (AJC = (ANK + MMA)/2) a virtuálním markerem KJC, viz. obr. 2.7. Obrázek 2.6: Umístění markerů na holeni. Zdroj: [1]. Obrázek 2.7: Anatomický souřadný systém holeně. Zdroj: [1].
10 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE Co Jak Popis Počátek AJC = (ANK + MMA)/2 1. definovaná osa Y AJC KJC Vertikální, ukazující vzhůru 2. definovaná osa X Kolmá k rovině definované KJC, Ukazující dopředu ANK, MMA 3. definovaná osa Z Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Y a X Horizontální, zleva doprava Tabulka 2.4: Anatomický souřadný systém holeně 2.1.4.2 Zadní oddíl chodidla Anatomický souřadný systém zadního oddílu chodidla popisuje sagitální rovina kosti patní, tvořená markery HEE, PCA a (LCA + STL)/2, viz obr. 2.8 a obr. 2.9. 2.1.4.3 Přední oddíl chodidla Přední oddíl chodidla je opatřen markery P1M, P5M, D5M, TOE a D1M, viz. obr. 2.10. Transversální rovina je tvořená metatrsálními markery D1M, D5M a P5M. Výsledný anatomický souřadný systém znázorňuje obr. 2.11.
2.1. SOUŘADNÝ SYSTÉM DOLNÍ POLOVINY LIDSKÉHO TĚLA 11 Obrázek 2.8: Zadní část chodidla. Zdroj: [1]. Obrázek 2.9: Anatomický souřadný systém zadního oddílu chodidla. Zdroj: [1]. Co Jak Popis Počátek HEE 1. definovaná osa Y HEE KJC Vertikální, ukazující vzhůru 2. definovaná osa X Rovnoběžná s podlahou, HEE Ukazující dopředu (STL+LCA)/2 3. definovaná osa Z Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Z a X Horizontální, zleva doprava Tabulka 2.5: Anatomický souřadný systém zadního oddílu chodidla
12 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE Obrázek 2.10: Rozmístění markerů na předním oddílu chodidla. Zdroj: [1]. Obrázek 2.11: Anatomický souřadný systém předního oddílu chodidla. Zdroj: [1]. Co Jak Popis Počátek (P5M + P1M)/2 1. definovaná osa X Přímka z počátku do TOE promítnutá do transversální roviny metatarsálních článků 2. definovaná osa Y Kolmá k transversálních rovině metatarsálních článků 3. definovaná osa Z Vektorový součin mezi jednotkovým vektorem Y a X Ukazující dopředu Vertikální, ukazující vzhůru Horizontální, zleva doprava Tabulka 2.6: Anatomický souřadný systém předního oddílu chodidla
2.2. VÝSTUPNÍ PARAMETRY 13 2.2 Výstupní parametry Je - li známa pozice jednotlivých markerů a anatomické souřadné systémy jednotlivých segmentů, můžeme je společně s antropometrickými parametry aplikovat na matematický model chůze, který generuje na výstupu kloubní kinematiku a kinetiku. Viz. obr. 2.12. Obrázek 2.12: Blokový diagram parametrů modelu. Kinematika Úhly kloubů Kosti Kinetika Síly Relativní úhly mezi dvěma rigidními segmenty. Vždy tvořené flexí, abdukcí a rotací. Absolutní úhly mezi rigidním segmentem a fixním prostředím laboratoře. Vždy tvořené rotacemi kolem globálních os X, Y a Z. Množina čtyř virtuálních bodů asociovaných s každým modelovaným segmentem těla. jmenosegmentuo - počátek segmentu jmenosegmentu jmenosegmentul - virtuální bod ve směru příčné (laterální) osy segmentu jmenosegmentu jmenosegmentua - virtuální bod ve směru podélné osy segmentu jmenosegmentu jmenosegmentup - virtuální bod ve směru vertikální osy segmentu jmenosegmentu Působící síly vyjádřené v lokálním referenčním systému každé rigidní části těla. Jednotky [N/Kg]. Momenty Je - li připojena tlaková plošina, kalkuluje se s produkovanými momenty prodloužení.
14 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE Vždy seřazené jako flexe, abdukce, rotace. Jednotky [Nmm/Kg]. Výkony Vypočítají se jako skalární součin mezi momentem a úhlovou rychlostí. Mohou být vyjádřeny jako skalár nebo jako tři separované směrové komponenty. Jednotky [W/Kg]. Kinematické proměnné Jedná se o veličiny, které se získávají během cyklu měření. Viz. obr. 2.13 Obrázek 2.13: Definice kinematických veličin. V následujícím textu se zmiňuje několik termínů, které je nejprve třeba objasnit. Transverzální roviny jsou takové roviny, které procházejí tělem v horizontálním směru, frontální roviny vycházejí ze středu těla směrem k hlavě, sagitální roviny jsou takové roviny, které jsou kolmé na frontální i transversální roviny a rozdělují tělo na pravou a levou část.
2.2. VÝSTUPNÍ PARAMETRY 15 2.2.1 Pánev Sklon pánve (Pelvic Tilt) Sklon pánve se běžně počítá kolem transversální osy laboratoře. Blíží-li se však dopředný pohyb pacienta sagitální ose laboratoře, sklon pánve se měří podle ní. Sagitální osa pánve, která leží na transversální rovině pánve, se promítne do sagitální roviny laboratoře. Skon pánve je určen jako úhel sevřený mezi promítnutou sagitální rovinou a sagitální rovinou laboratoře. Kladný úhel odpovídá normální situaci, kdy PSIS je výše než ASIS. Rotace pánve (Pelvic Rotation) Rotace pánve je počítána kolem frontální osy pánevního souřadného systému. Jedná se o úhel sevřený mezi sagitální osou pánve a sagitální osou laboratoře promítnutý do transversální roviny pánve. Obliquita pánve (Pelvic Obliquity) Obliquita pánve je úhel, který se měří mezi transversální osou laboratoře a frontální osou pánve. Jiná než nulová hodnota obliquity pánve představuje situaci, ve které je jedna strana pánve níže než druhá. Výsledná pozice pánve Výsledná rotace pánve je určena sklonem pánve kolem transversální osy, hodnotu pánevní obliquity kolem její sagitální osy a rotací kolem své frontální osy. Pánev je pak v poloze určené těmito třemi úhly - sklon, rotace, obliquita pánve. 2.2.2 Kyčel Kyčelní flexe/extenze (Hip Flexion/Extension) Kyčelní flexe je počítána jako osa kolmá k transversální ose pánve, která prochází středem kyčelního kloubu. Sagitální osa stehna je promítnuta na rovinu kolmou k ose kyčelní flexe. Kyčelní flexe je pak úhel mezi promítnutou sagitální osu stehna a sagitální osou pánve. Kladný úhel (flexe) odpovídá situaci, kdy koleno je před tělem. Kyčelní rotace (Hip Rotation) Kyčelní rotace se měří kolem podélné osy stehna a je počítána mezi sagitální osou stehna a sagitální osou pánve, promítnuté do roviny kolmé na podélnou osu stehna. Kladná kyčelní rotace odpovídá vnitřní rotaci stehna. Kyčelní abdukce/addukce (Hip Ab/Adduction) Kyčelní addukce se zjistí v rovině osy kyčelní flexe a středu kolenního kloubu. Úhel je počítán mezi podélnou osou stehna a frontální osou pánve, promítnuté do této roviny. Kladná hodnota odpovídá otočení nohy směrem dovnitř (addukce).
16 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE Výsledná pozice kyčle Stehno jehož podélná osa byla rovnoběžná s frontální osou pánve, a ve které osa flexe kolena byla rovnoběžná s transversální osou pánve, by měla být v neutrální poloze (všechny 3 úhly jsou nulové). Změna z této neutrální pozice do aktuální pozice stehna je určená třemi úhly. Jedná se o úhel kyčelní flexe, úhle kyčelní addukce a úhel rotace stehna kolem podélné osy stehna. 2.2.3 Koleno Kolenní flexe/extenze (Knee Flexion/Extension) Sagitální osa holeně se promítne do roviny kolmé k ose flexe kolena. Flexe kolena je úhel mezi tímto promítnutím a sagitální osou stehna. Kladná hodnota úhlu odpovídá flexi kolena. Rotace kolena (Knee Rotation) Rotace kolena se měří kolem podélné osy holeně. Jedná se o úhel mezi sagitální osou holeně a sagitální osou stehna, promítnutou do roviny kolmé k podélné ose holeně. Kladný úhel odpovídá vnitřní rotaci. Valgus/varus kolena (Valgus/Varus) Jedná se o úhel mezi podélnou osou holeně a podélnou osou stehna promítnutou do roviny osy kolenní flexe a středu kotníku. Kladné hodnotě odpovídá varus (zevní otočení kolena). Výsledná pozice kolena Neutrální pozice holeně je taková, že holeň je ve stejné linii jako podélná osa stehna a osa flexe kotníku je rovnoběžná s osou flexe kolena. Z této pozice se pomocí úhlů kolenní flexe, otočením o hodnotu valgus / varus a úhlu rotace kolena, dostane do aktuální pozice popsané těmito třemi úhly. 2.2.4 Chodidlo Progrese chodidla (Foot Progression) Progrese chodidla je úhel mezi vektorem chodidla (promítnutý do transversální roviny laboratoře) a sagitální osou laboratoře. Kladná hodnota odpovídá vnitřní rotaci chodidla. Dorsi / plantární flexe kotníku (Ankle Dorsi/Plantar Flexion) Vektor chodidla je promítnutý do sagitální roviny chodidla. Úhel mezi vektorem chodidla a sagitální osou holeně se nazývá dorsi / plantární flexe chodidla. Kladná hodnota úhlu odpovídá dorsiflexi.
2.2. VÝSTUPNÍ PARAMETRY 17 Rotace chodidla (Foot Rotation) Měří se kolem osy kolmé k vektoru chodidla a ose flexe kotníku. Jedná se o úhel mezi vektorem chodidla a sagitální osou holeně, promítnutou do transversální roviny chodidla. Kladná hodnota odpovídá vnitřní rotaci.
18 KAPITOLA 2. ANALÝZA POHYBU CHŮZE
Kapitola 3 Hardwarové vybavení laboratoře chůze V této kapitole jsou uvedeny hardwarové technologie, které se obecně v laboratoři chůze vyskytují. Jak zhruba laboratoř vypadá? Velikost místnosti je zvolena tak, aby pacient mohl provést několik kroků v přímém směru. Za nutnost se považuje izolace místnosti od otřesů z okolního prostředí. I nepatrné chvění země má vliv na výstupní hodnoty tlakové plošiny. Kromě tlakové plošiny jsou zde ještě rozmístěné motion capturové kamery, přijímač EMG signálů a PC stanice sloužící k zaznamenání a následné analýze biometrických dat. Na následujícím obrázku 3.1 je vidět schéma typického rozvržení vybavení laboratoře chůze. Následuje charakteristika jednotlivých technologií. Obrázek 3.1: Laboratoř chůze. Zdroj [3]. 19
20 KAPITOLA 3. HARDWAROVÉ VYBAVENÍ LABORATOŘE CHŮZE 3.1 Motion Capture 3.1.1 Využití Motion capture, někdy také nazýván jako motion tracking nebo zkráceně MoCap, je technologie sloužící k snímání pohybů lidí, zvířat, popřípadě jiných objektů. Snímané pohyby se digitalizují a předávají k dalšímu zpracování. Tato technologie se v praxi využívá především ve filmovém a herním průmyslu. Dále své uplatnění najde ve sportu, ale také v armádě. V poslední době se rozrůstá její užití i v medicíně, kde lékaři mohou poměrně jednoduše, rychle a především detailně zaznamenat pohyby lidí a potom je analyzovat. Existují různé systémy snímání pohybů. Podle toho na jakém principu jsou založeny, je můžeme rozdělit do dvou základních skupin. Jedná se o optické systémy a neoptické systémy. Mezi neoptické patří mechanické, magnetické a setrvačné systémy. Jelikož se v laboratoři chůze využívá optických systému snímání pohybu, budu v následujícím textu popisovat pouze je. 3.1.2 Optické systémy Optické systémy vynikají svojí velkou přesností, výkonem a praktičností. Základem je soustava kamer rozmístěných v prostoru a retroreflexní kuličky, tzv. markery, připevněné ke sledovanému objektu - v našem případě k pacientovi. Kamery jsou opatřeny skupinou LED, které vyzařují světlo ve směru pohledu kamery. K tomuto účelu se využívají LED emitující červené světlo, světlo blízké infračervenému pásmu a světlo infračervené. Od retroreflexních markerů se generované záření odrazí zpět do kamery. Zde prochází optickým filtrem, který propouští jenom světlo se stejnou charakteristikou, jakou má světlo vyzařované. Možnost přizpůsobit citlivost kamery, nám umožňuje snímat pouze retroreflexní markery a ignorovat odlesky pokožky a ostatní nežádoucí odrazy. Systém používaný v laboratoři chůze dodala firma Vicon [14]. Jedná se konkrétně o variantu Vicon MX. Základní Vicon MX systém snímání pohybů (obr. 3.2) se sestává z osmi kamer rozmístěných v prostoru. Synchronizace a komunikace mezi jednotlivými kamerami je zajištěna prvkem zvaným MX Ultranet. Ten slouží také jako zdroj elektrické energie pro kamery. Díky velké snímkové rychlosti kamer vzniká velké množství objemných dat. PC stanici komunikující s kamerami je proto třeba propojit přes MX Ultranet vysokorychlostním gigabitovým ethernetem. V praxi existují i systémy s větším množstvím kamer. U takto rozsáhlých systémů je třeba řešit jejich správnou synchronizaci a komunikaci přidáním nových prvků do sít ové topologie. Před samotným měření je zapotřebí kamery zkalibrovat. Proces kalibrace zahrnuje identifikaci vnitřních (ohnisková vzdálenost a obrazové zkreslení) a vnějších (pozice a orientace) parametrů kamery. Ke kalibraci se využívá speciální hůlka ve tvaru písmene T s pěti markery. Ta se umístí do prostoru ve kterém se poté bude snímat pohyb a pomocí softwaru v počítači se provede kalibrace. Po kalibraci mají kamery zmapovánu oblast ve které se nacházejí a znají svojí vzájemnou polohu. Při samotném snímání je pak důležité, aby každý marker viděly alespoň dvě kamery. Díky tomu lze určit polohu markerů v prostoru. Známe - li polohu všech markerů ve scéně, už nám nic nebrání v zahájení měření a dalšímu zpracování dat ve specializovaných softwarech.
3.2. TLAKOVÁ PLOŠINA AMTI OR6-7 21 Obrázek 3.2: Základní Vicon MX systém s osmi kamerami. Zdroj: [11]. 3.2 Tlaková plošina AMTI OR6-7 3.2.1 Využití Tlaková plošina AMTI OR6-7 je nástroj umožňující detekovat síly působící na její povrch. Vzniku této plošiny předcházelo mnoho let výzkumu a vývoje. Výsledkem je zařízení s vysokou citlivostí a přesností. Proto se využívá také v brněnské laboratoři chůze, kde se zaznamenává působení pacientova došlapu na plošinu. Výsledné naměřené hodnoty mají nemalý vliv na výslednou analýzu pacientovi chůze. 3.2.2 Popis zařízení Plošina vyžaduje instalaci v místech odstíněných od okolních vibrací, které by mohly ovlivnit výsledky měření. Dostatečné upevnění je samozřejmostí. Jak radí výrobce, plošina byla přišroubována k páru kolejnic, které byly dodány společně s plošinou. Tyto kolejnice jsou zapuštěny do podlahy laboratoře a napevno přilepeny dvousložkovým epoxy lepidlem. Díky tomu deska plošiny nevystupuje nad úroveň země laboratoře. Plošina měří síly a momenty působící na její povrch. Zařízení umožňuje tyto síly a momenty rozložit do třídimenzionálního souřadného systému podle os X, Y a Z. Na výstupu je tak šest složek odpovídající třem momentům M x, M y a M z a složkám síly F x, F y a F z. Plošina AMTI OR6-7 využívá souřadného systému s pravidlem pravé ruky. Viz. obrázek 3.3. Podle pravidla pravé ruky směřuje kladná osa X ve směru palce, ukazovák ukazuje kladný směr osy Y a ohnutý prostředník kladný směr osy Z. V tomto případě je kladná osa Z plošiny směřována dolů, kladná osa Y je orientována v opačném směru než je umístěn konektor pro připojení a kladná osa X směřuje při pohledu kladné osy Y doleva. Uvnitř plošiny jsou umístěny tenzometry. Tenzometr je přístroj umožňující měření tenze, což je napětí nebo tlak vyvolaný vnějším působením. K měření se využívá čidlo, které zaznamenává mechanické prodloužení tenkých kovových drátků, ze kterých se tenzometr skládá.
22 KAPITOLA 3. HARDWAROVÉ VYBAVENÍ LABORATOŘE CHŮZE Obrázek 3.3: Souřadný systém plošiny AMTI. Zdroj: [12]. Změny mechanického prodloužení jsou tenzometrem převáděny na změny elektrického odporu. Dojde - li k takové změně, je vybuzen velmi malý elektrický signál, který je vyslán do sít ového mostu. Všechny tenzometry jsou tímto mostem propojeny. Výstupní analogový signál z tenzometrového mostu musí být zesílen, aby byl signál dostatečně silný pro další zpracování. Takovýto signál je digitalizován pomocí A/D převodníku. Je obecně výhodné mít takto získaná data ve vhodných fyzikálních jednotkách. Je proto potřeba aplikovat na získaná data správné měřítko. Po aplikování vhodného měřítka je možno data začít uchovávat a zobrazovat finální výsledky. 3.3 Snímání EMG 3.3.1 Co je EMG? Při činnosti svalů se vytváří malé mikrovoltové elektrické signály. Tyto elektrické signály je možno měřit procesem odborně nazývaným jako elektromyografie neboli EMG. Jedná se o vyšetřovací techniku, která napomáhá lékařům hodnotit funkční stav pohybového systému. Principem EMG je měření rychlosti vedení vzruchu ve stimulovaném nervu a velikost elektrické odpovědi na stimulace ve svalu. Vyšetření se provádí bud jehlovou nebo konduktivní technikou. Techniky se liší ve způsobu získání informace o svalu. Jehlová elektroda se zavádí vpichem přímo do svalu a získává informaci o jednotlivých svalových vláknech. Oproti tomu kunduktivní proces získává informaci o celkovém stavu svalu. Využívá přitom elektrod umístěných na povrchu lidské kůže. Pro pacienta je výhodou neinvazivnost a bezbolestnost této metody. Výsledkem elektromyografie je EMG křivka, která lékařům slouží jako nástroj pro detailní analýzu.
3.3. SNÍMÁNÍ EMG 23 3.3.2 Využití v laboratoři chůze Při zkoumání lidské chůze bylo zjištěno, že EMG poskytuje informace, které je třeba při finálním rozboru zohlednit. Tento vyšetřovací postup se proto využívá i v brněnské laboratoři chůze. Systémy, poskytující možnost tohoto měření, dodala firma Noraxon [13], která se zabývá EMG a senzorovými systémy. Pro svobodný pohyb pacienta byla zvolena bezdrátová technologie, kdy pacient má na sobě připevněn vysílač TeleMyo 2400T G2 (obr. 3.4) snímající EMG konduktivní metodou. Vysílaná data jsou zachycena přijímačem Tele- Myo 2400R G2 (obr. 3.4) k dalšímu zpracování. 3.3.3 Vysílač TeleMyo 2400T G2 TeleMyo 2400T G2 (obr. 3.4) je bezdrátový přenositelný vysílač nejnovější generace, umožňující snímání povrchového EMG a jiných analogových signálů v reálném čase. Vysílané signály mají dosah až sto metrů, čímž zařízení zaručuje příjem na dlouhé vzdálenosti a pacienta neomezuje v pohybu případnou kabeláží. Systém zahrnuje čtyř, osmi, dvanácti a šestnácti kanálovou vysílací jednotku, aktivní předzesílené elektrody, nabíječku baterií, pouzdro a opasek pro snadnější připevnění k pacientovi. Standardní systém je vybaven 4, 8, 12 nebo 16 aktivními EMG senzory. Systém je navržen tak, že přidáním dalšího vysílače rozšíří stávající systém až na 32 kanálů kombinujících EMG a jiné analogové signály. Prakticky lze připojit jakýkoliv analogový senzor, který je napájen +/- 5 V. Obrázek 3.4: Vlevo: vysílač TeleMyo 2400T G2, vpravo: přijímač TeleMyo 2400R G2. Zdroj:[13] 3.3.4 Přijímač TeleMyo 2400R G2 Přenositelný vysílač TeleMyo 2400T G2 je třeba doplnit odpovídajícím bezdrátovým přijímačem signálů. Pro potřeby laboratoře chůze byl z několika možností vybrán přijímač TeleMyo 2400R G2 (obr. 3.4). Stanice poskytuje konverzi digitálních telemetrických dat na analogový výstupní signál. Kromě analogového výstupu mohou být data získána v digitální formě připojením k PC přes USB rozhraní. Zařízení nabízí 32 kanálů pro různé měřící přístroje
24 KAPITOLA 3. HARDWAROVÉ VYBAVENÍ LABORATOŘE CHŮZE vysílající telemetrický signál. Tyto kanály slouží pro příjem EMG a jiných analogových dat, získaných např. z tlakové plošiny nebo přístrojů pro analýzu pohybu. Uvnitř stanice je synchronizační trigger poskytující časovou synchronizaci začátku měření dat vysílače TeleMyo 2400T G2 s ostatními zařízeními v laboratoři chůze. Výhodou tohoto přijímače je možnost práce s vysílačem TeleMyo 2400T G2 i bez nutnosti připojení k počítači. 3.4 Digitální video kamery V laboratoři chůze se také vyskytují dvě digitální video kamery. Jsou zde umístěny kvůli reálnému záznamu pacientovi chůze. Tento referenční záznam je při závěrečné analýze taktéž zohledněn. Každá kamera snímá průběh jití z jiné strany. Jedna zaznamenává chůzi z bočního pohledu, druhá z čelního.
Kapitola 4 Softwarové vybavení laboratoře chůze Celý proces zpracování a vyhodnocování biometrických dat obstarávají dvě hlavní aplikace. Jedná se o Vicon Nexus a Vicon Polygon. Tyto aplikace běží na operačním systému Microsoft Windows XP. Vicon Nexus by se dal přirovnat k rozhraní, umožňující obsluhujícímu personálu ovládat hardwarové vybavení laboratoře. Přitom poskytuje prostředky k záznamu informace získané z motion capturových kamer, tlakové plošiny, EMG a pomocných DV kamer. Oproti tomu Vicon Polygon slouží jako interaktivní vizualizační a reportovací nástroj, vhodný pro analýzu a vizualizaci zaznamenaných 3D dat. Polygon umí číst data vytvořená Vicon Nexusem, která obsahují modelová data vytvořená biomechanickým modelačním softwarem (Plug-in Gait 4.1). Výsledná vizualizace a závěrečná zpráva společně dovolují prezentovat výsledky nasnímaných dat, ze kterých se poté stanoví pacientova diagnóza a následující postup léčby. Polygon umožňuje sjednotit všechny získané informace (grafy, ilustrační videa, 3D renderovanou grafiku, poznámky, atd.) do jednoho reportu. 4.1 Vicon Nexus Vicon Nexus je specifický software používaný pro výzkumnou činnost v oblasti snímání pohybu. Vicon Nexus byl od začátku vyvíjen pro vědecké účely. Díky tomu umožňuje snadně a flexibilně provádět každodenní rutinní úkoly. Nexus je jednoduchý na naučení a používání. Byl vyvíjen podle moderních principů uživatelského rozhraní. Používané nástroje a nastavení jsou jasně a logicky rozmístěny a díky tomu mohou být nalezeny na místech, kde se jejich výskyt očekává. Nic není skryto v nejasných menu nebo dialozích. Jedná se o real time aplikaci, která dokáže zobrazovat v reálném čase informaci o markerech, analogová data, referenční videozáznam, stejně jako současný stav zařízení. Velice zajímavou schopností Vicon Nexusu je možnost překrytí videozáznamu z DV kamery 3D informací. Do videozáznamu tak může být promítnut silový vektor došlapu snímané osoby nebo pozice snímaných markerů. 25
26 KAPITOLA 4. SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ LABORATOŘE CHŮZE Obrázek 4.1: Okno aplikace Vicon Nexus. Při prvním spuštění Vicon Nexusu je zapotřebí provést konfiguraci všech systémů. Jelikož tento dokument není primárně zaměřen na optické systémy a jejich nastavení, budou nastíněny pouze podstatné parametry: Kvalitní nasnímání pozic retroreflexních markerů ovlivňuje nastavení Grayscale Mode, které říká jaká data budou poslána z kamery do počítače. Maximum Blob Height udává jaký je maximální počet vertikálních pixelů markeru, který senzor kamery ještě přijme. Camera Strobe Intensity mění množství emitovaného světla kamery. Camera Threshold určuje jak jasný odraz od markeru je přijatelný kamerou. Dále je zapotřebí v Nexusu přidat a nakonfigurovat tlakovou plošinu a EMG zařízení. U tlakové plošiny je třeba nastavit vlastní identifikaci - unikátní jméno nebo jiný identifikátor, zdroj - specifikující fyzické připojení zařízení, pozici geometrického středu ve vztahu k počátku snímané oblasti a přiložit kalibrační soubor, dodávaný s plošinou. Po přidání nového EMG zařízení do Vicon Nexusu se nastaví jeho identifikace a zdroj stejně jako u tlakové plošiny, navíc se ještě určí počet jeho kanálů. Ještě zbývá přidání a nastavení DV kamer, sloužících k reálnému náhledu na chůzi pacienta. Pokud to kamera umožňuje, lze nastavit snímkovou frekvenci, ohniskovou vzdálenost optiky DV kamer a jiná nastavení. Po provedení všech potřebných nastavení, je nutností kalibrace systému. Výrobce doporučuje kalibraci na začátku každého dne, kdy se provádí měření a to jak motion capturových kamer, tak i DV kamer. Kalibrace motion capturových kamer byla nastíněna v sekci
4.2. VICON POLYGON 27 3.1.2. Kalibrace DV kamer se provádí podobným způsobem. Taktéž se používá hůlka ve tvaru písmene T s pěti markery. Je-li systém nakonfigurován, nic nebrání v záznamu dat. Plug-in Gait Součástí Vicon Nexusu je Plug-in Gait. Plug-in Gait je biomechanický model implementující konvenční model chůze (viz. text z kapitoly 2). Ten umožňuje výpočet kloubní kinematiky a kinetiky na základě pozice markerů a antropometrických měření pacienta tak, jak je popsáno v kapitole 2. 4.2 Vicon Polygon Vicon Polygon je vizualizační a reportovací nástroj sloužící k analýze nasnímaných 3D dat. Poskytuje jednotné prostředí, ve kterém uživatelé mohou zobrazovat pohyb, používat grafy, psát strukturované texty, přehrávat videa a využívat další poskytované funkce k úplné analýze hybnosti pacienta. Přitom Polygon dokáže výsledky reprodukovat v elektronické nebo tištěné podobě. 4.2.1 Muskuloskeletální systém Klíčovým prvkem Vicon Polygonu je Musculoskeletal Modeling Module. Tento modul poskytuje funkce pro analýzu muskuloskeletálního systému, někdy nazývaného jako lokomoční systém. V zásadě tento systém můžeme rozdělit na systém svalů, který je vlastním vykonavatelem pohybu a systém kostí, kam kromě kostí můžeme zařadit klouby, vazy a šlachy. Tento komplexní systém je velice důležitý pro správné držení těla a samotný pohyb člověka. Polygon je proto velmi cenným nástrojem pro diagnostikování poruch muskuloskeletálního systému pacientů. Skeletální model Velmi důležitou součástí každého muskuloskeletálního modulu je vlastní geometrie a hierarchie kostry. Muskuloskeletální modely Polygonu (a soubory které je definují) obsahují popis kostry jako sekvenci kostí spojenou klouby. Svaly Svaly jsou nejdůležitější částí muskuloskeletálního modelu. Jejich pozice, délky a ostatní charakteristiky jsou určené 3D daty nasnímanými Vicon Nexusem, jež dávají nahlédnout do jejich biomechanického chování. Modelované svaly jsou popsány jejich napojením ke kostím kostry v normalizovaném souřadném systému segmentu. Jedná se o standardní postup kdy pozice napojení jsou děleny délkou kosti tak, aby tyto pozice mohly být mapovány na kosti odlišných délek a tudíž i na různé pacienty.
28 KAPITOLA 4. SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ LABORATOŘE CHŮZE Obrázek 4.2: Okno aplikace Vicon Polygon s popsaným uživatelským rozhraním. Zdroj: [10] Sval je popsán svým počátkem (muscle origin) a koncem (muscle insertion). Muscle origin je napojení na kost, které se při kontrakci svalu nehýbe, zatímco muscle insertion odpovídá konci svalu připojeného k pohybující se kosti, při jehož kontrakci se mění jeho poloha. Svaly mohou být popsány svalovým modelem, který stanovuje jak se mohou měnit síly které sval produkuje, v závislosti na jeho délce a rychlosti zkrácení. K těmto kalkulacím se nejčastěji využívá Hillův model svalu. Kromě vlastního modelu, má každý sval také unikátní parametry, které přizpůsobují měřítko modelu podle velikosti, délky a typu svalu. Více informací o této problematice se můžete dočíst v textu od F. E. Zajaka [16]. 4.2.2 Těžiště Vicon Polygon disponuje možností zobrazení těžiště (center of mass) a vykreslení souřadnic jednotlivých kostí segmentu nebo celého těla. To dovoluje analyzovat rovnováhu, posturiku a energii lidského pohybu.
Kapitola 5 Postup snímaní pohybu v laboratoři chůze Nejprve je třeba objasnit a čtenáře seznámit s typy souborů, které se požívají k vytváření modelů a zaznamenání informací o pacientovi. Jedná se především o soubory s koncovkami.vst,.vsk,.mkr a.mp. Následuje jejich popis: Vicon Skeleton Template (.vst) - šablona která specifikuje obecné vztahy mezi segmenty těla a klouby. Zahrnuje: jména jednotlivých markerů (např. ANK, KNE), kosterní strukturu snímaného subjektu (např. spojení pánve a stehna, stehna a holeně), vztah mezi markery a strukturou kostry (např. LASI marker patří do segmentu pánve), typ kloubů spojující jednotlivé segmenty (např. kulovité, válcovité,...), další vlastnosti segmentů, markerů a kloubů (např. barva kterou jsou v 3D pracovní ploše segmenty zvýrazněny, atd.) Vicon Skeleton (.vsk) - vzniká aplikováním měřítka konkrétního pacienta na Vicon Skeleton Template. Tento soubor se vytváří individuálně pro každého pacienta. Vicon Marker File (.mkr) - soubor, který specifikuje označení používané pro markery. Nexus tento soubor vytváří automaticky, když se vytváří Vicon Skeleton Template. Vicon Model Parameters File (.mp) - soubor, který uchovává statické informace o pacientovi (výška, hmotnost,...). 29
30 KAPITOLA 5. POSTUP SNÍMANÍ POHYBU V LABORATOŘI CHŮZE 5.1 Nasnímání dat Jak bylo zmíněno v předchozí kapitole, k snímání pacientovi chůze se využívá aplikace zvaná Vicon Nexus. Pokud byla provedena úspěšná kalibrace systému, může být provedeno měření. Pracovní postup snímání chůze pomocí Vicon Nexus s Plug-in Gait se skládá z následujících částí: 5.1.1 Příprava subjektu V prvé řadě je zapotřebí vybrat správný Vicon Skeleton Template. Vicon Nexus v sobě implementuje několik šablon pro snímání lidské chůze. Pro potřeby laboratoře chůze z Fakultní dětské nemocnice J.G. Mendela v Brně byla za vyhovující shledána šablona OxfordFootModel BILATERAL.vst. Ta obsahuje popis dolní části lidského těla založeného na OFM popsaného v dříve zmíněném textu 2.1.4. V systému je každý pacient reprezentován stromem, jehož kořen obsahuje jméno pacienta. Strom je dále tvořen podstromy obsahujícími informaci o markerech, segmentech těla, kloubech a výstupních hodnotách, které generuje Plug-in Gait 4.1. Po vytvoření nového stromu, potřebuje Nexus znát pacientovi antropometrické parametry. Ty se jednoduše vyplní do vstupních polí v záložce pacienta. V této fázi může obsluhující personál připevnit retroreflexní markery na pacienta způsobem popsaným v kapitole 2. Jsou-li připevněny markery k pacientovi, vytvoří se statický záznam a zrekonstruují se markery v systému. Tento krok je nutný k vytvoření 3D reprezentace Obrázek 5.1: Zvýrazněné pacienta ve Vicon Nexusu. Při vytváření statického záznamu povinné hodnoty antropometrických by měl pacient stát v snímané oblasti v neutrální statické parametrů. póze, jako je póza ve tvaru písmene T. Po vytvoření static- kého záznamu se musí označit rekonstruované 3D markery, aby se asociovaly s těmi definovanými v šabloně OxfordFootModel BILATERAL.vst. Na výběr je bud automatické nebo manuální označení. Poté se ještě spustí kalibrační proces, který přizpůsobí Vicon Skeleton Template pro právě snímaného pacienta. Když už je pacient zkalibrován, Nexus vytvoří pacientův specifický Vicon Skeleton (.vsk) popisující sadu jeho markerů. Po uložení pacientova Vicon Skeletonu můžeme uskutečnit tolik dynamických záznamů kolik potřebujeme.
5.1. NASNÍMÁNÍ DAT 31 5.1.2 Snímání a zpracování dynamického záznamu Při snímání a zpracování dynamického záznamu pacienta se provádí následující: Snímání dynamického záznamu - jedná se o snímání dat během kterého se pacient, na němž jsou rozmístěny markery podle specifikace ve Vicon Skeleton (.vsk), prochází ve snímaném prostoru. Rekonstrukce a automatické označení markerů - Vicon Nexus používá.vsk soubor k automatickému označení markerů dynamického záznamu. Pokud automatické označení markerů selže, musí se použít označení manuální. Díky rekonstrukci markerů mohou být spočítány lokální souřadné systémy jednotlivých segmentů (viz. obr. 5.2). Označené markery potom slouží ke kalkulaci kloubní kinematiky a kinetiky, kterou má na starosti Plug-in Gait. Dále je zapotřebí na časové ose označit snímek, kdy nastal pacientův došlap a opuštění špičky chodidla od země. Vhodné je také oříznutí časové osy záznamu zleva, popřípadě zprava tak, aby na záznamu nebyly okamžiky, které nejsou pro analýzu potřebné. Obrázek 5.2: Zrekonstruovaný záznam. 5.1.3 Přezkoumání a výplň mezer Během vytváření dynamického záznamu se může stát, že některé markery jsou na krátký okamžik zastíněny a žádná z kamer jejich pozici nezachytí. Tento okamžik je ve výsledné trajektorii označován jako trhlina nebo mezera, která má trvání několika snímků. Vicon Nexus poskytuje prostředky jak tyto mezery dopočítat. Opět máme na výběr mezi automatickým nebo manuálním postupem. Při automatickém dopočítání se stanoví maximální velikost mezer, které se mají dopočítat. Tato operace je založena na kubické interpolaci křivky. Je proto vhodné omezit maximální velikost mezer na poměrně nízký počet snímků. Typicky 10% snímkové frekvence. Při vyšším počtu snímků dochází k nepřesnosti výpočtu. Neodstraní-li automatický postup všechny mezery, musí se jednotlivé mezery vyplnit bud pomocí nějakého vzoru, tzn. stejnou částí podobné trajektorie bez mezer (často se využívá u markerů pánve, které mají shodnou trajektorii) nebo pro velké mezery použít spline křivku. 5.1.4 Export dat Po úpravě nasnímaných dat můžeme provést jejich export. Vyexportovaná biometrická data jsou následně k dispozici pro Vicon Polygon, kde se dále analyzují. Vicon Nexus poskytuje několik operací pro import a export dat z/do souboru. Pro naše účely jsou podstatné následující operace: Export 3D Overlay Video - tato operace exportuje referenční video z DV kamer ve formátu AVI, přičemž ještě může video obraz doplnit o náhled 3D pracovní plochy. Může tak být do video nahrávky promítnut např. vektor síly došlapu pacienta.
32 KAPITOLA 5. POSTUP SNÍMANÍ POHYBU V LABORATOŘI CHŮZE Export C3D - jedná se o export dat nasnímaných motion capturovými kamerami (tzn. markery a jejich trajektorie). Zde jsou také výstupní parametry (kinetika a kinematika) spočtené Plug-in Gaitem. Vše je uloženo do C3D formátu. Export MP - exportuje parametry vyšetřovaného pacienta (výška, váha, délka nohy,...) do.mp souboru. Export XCP - umožňuje export kalibračních informací provedeného záznamu do kalibračního souboru.xcp. 5.2 Zpracování vyexportovaných dat Soubory vyexportované z Vicon Nexusu, se využívají v aplikaci Vicon Polygon pro biomechanické vizualizace. Především C3D a VST/VSK soubory, dále MKR soubor s popisem využívaných markerů. Jak bylo zmíněno v předchozí kapitole, Vicon Polygon poskytuje funkce pro vypracování závěrečné zprávy. Ta může obsahovat texty, videozáznamy z DV kamer, grafy, 3D data, jež lze zobrazit v 3D pracovní ploše a další položky. Většina obsahu je tvořena právě daty z Vicon Nexusu. Velice výhodná se jeví možnost vytvoření vlastní šablony reportu. Šablona definuje hierarchickou strukturu a obsah reportu. Šablona obsahuje typy souborů a odkazy, které mají být zahrnuty do všech nově vznikajících reportů. 5.2.1 Popis uživatelského rozhraní Pohodlné a intuitivní vytváření závěrečné zprávy závisí na kvalitě uživatelského rozhraní. Na obrázku 4.2 si můžete prohlédnout uživatelské rozhraní aplikace Vicon Polygon. Jedná se o klasickou okenní Windows aplikaci. V horní části okna je menu lišta s nástrojovou lištou. V dolní části aplikace je časová osa a stavová lišta. V levé části okna je navigace, která poskytuje snadné listování strukturou celého reportu. Dá se říci, že toto rozmístění je standardní pro takovýto typ aplikací. Aplikace Vicon Polygon se stala podnětem pro tuto práci. Základní myšlenka tohoto programu je zcela správná. Poskytnout lékařům nástroj, který jim umožní prezentovat a analyzovat biometrická data a vytvářet a archivovat posudkové zprávy. Problém není ani tak ve funkčnosti, jako v samotném ovládání a možnostech vizualizace. Na trhu existuje velké množství komerčních i nekomerčních aplikací. Některé z nich disponují větší, některé menší mírou použitelnosti (usability). Vicon Polygon svojí použitelností patří do podprůměru dnešních programů. Ovládání je poměrně krkolomné a občas i frustrující. Aby si čtenář udělal představu, budou uvedeny na následujících obrázcích společně s popisem některé běžně používané operace. Nejprve obrázek 5.3 toho, jak nepřehledně může také Vicon Polygon vypadat:
5.2. ZPRACOVÁNÍ VYEXPORTOVANÝCH DAT 33 Obrázek 5.3: Okno aplikace Vicon Polygon s více otevřenými dialogy. 5.2.1.1 Zobrazení a skrytí množiny kostí Pro zobrazení kostí v 3D pracovní ploše je třeba v Data Object View (obr. 5.4) dvakrát kliknout levým tlačítkem myši na položku Bones, případně pravým tlačítkem vyvolat kontextovou nabídku a vybrat Show Objects. Co má ale uživatel dělat, potřebuje - li množinu v 3D ploše skrýt? Většina uživatelů by očekávala, že opětovným dvojklikem na položku Bones nebo možností v kontextovém menu, bude dosaženo kýženého efektu. Ovšem marně. V kontextovém menu je pouze možnost jejich zobrazení. Skrytí této množiny je možné pouze po kliknutí levým a pak pravým tlačítkem myši na jednu z kostí v 3D pracovní ploše a zvolení možnosti Display Set > Remove z kontextové nabídky (obr. 5.5). Zde Obrázek 5.4: Data Object View. je třeba zdůraznit, že nestačí namířit kurzor myši na jednu z kostí a pak kliknout pravým tlačítkem myši. Musí se nejprve kost vybrat levým tlačítkem, jinak možnost Display Set není zobrazena. Na stejném principu funguje i zobrazování/skrývání ostatních prvků, jako jsou markery, bounding boxy a další.
34 KAPITOLA 5. POSTUP SNÍMANÍ POHYBU V LABORATOŘI CHŮZE Obrázek 5.5: Kontextová nabídka v 3D pracovní ploše. Zde zobrazena možnost pro skrytí množiny kostí. 5.2.1.2 Panel zobrazení (View pane) Na obrázku 5.3 si můžete všimnout, jak může vypadat zobrazení více komponent v panelu zobrazení. Zde může být v jednom okamžiku zobrazena 3D pracovní plocha, náhled video nahrávky, grafy atd. Žádná z komponent v sobě neobsahuje ikonku pro případnou minimalizaci nebo úplné uzavření komponenty. Uzavírání těchto komponent se Obrázek 5.6: Dialog pro smazání provádí kliknutím na příslušnou ikonu v panelu nástrojů. komponenty. Tím se zobrazí dialogové okno s výzvou vybrání komponenty, která má být odstraněna (obr. 5.6). Až poté se zvolí komponenta k uzavření. Nejedná se o úplně nejšt astnější řešení. Pro uzavření takovéto komponenty by mělo stačit pouze jedno kliknutí. 5.2.1.3 Zobrazení grafu (Graph View) Práce s grafem je taktéž velice neintuitivní. Chce - li uživatel například zoomovat zobrazený graf, musí kliknout na jednu z os grafu pravým tlačítkem myši a zvolit jednu z možností z kontextové nabídky Zoom Out / Zoom In. Zde je třeba podotknout, že klikne - li se pravým tlačítkem myši do plochy grafu, zobrazí se úplně jiná kontextová nabídka než ta na osách grafu. Co ale uživateli může nejvíce vadit, je přecházení mezi v procentech normalizovaném grafu a grafem odpovídajícím celkovému trvání záznamu chůze. Při prvním zobrazení je vykreslen normalizovaný graf. Klikne-li se dvakrát na křivku grafu, vykreslí se graf určený celkovým časem záznamu. Jaké je překvapení, když opětovný dvojklik nevrátí zpět normalizovaný graf. Opět je to řešeno na jiném místě a to ve zmiňovaném kontextovém menu osy grafu.
5.3. ZHODNOCENÍ APLIKACÍ 35 5.3 Zhodnocení aplikací Vicon Nexus je špičkový komplexní program pro získání dat z různých typů zařízení. Jeho podpora pro export dat ve vhodných formátech je excelentní. Svými vlastnostmi se ideálně hodí pro potřeby laboratoře chůze. Vicon Polygon má sice skvělé vyhodnocovací prostředky, ale kvalitu shazuje jeho nepřívětivé uživatelské rozhraní. Přitom tento nástroj je pro vyhodnocení pacientovi chůze klíčový. Problém je ten, že už se dále nevyvíjí. V důsledku toho vzniká i tato práce, která by měla položit základ pro nový a lepší systém vizualizace biometrických dat.
36 KAPITOLA 5. POSTUP SNÍMANÍ POHYBU V LABORATOŘI CHŮZE
Kapitola 6 Zobrazovač naměřených dat laboratoře chůze Jak již bylo popsáno v předchozí kapitole 5, aplikace Vicon Polygon má značné nedostatky v oblasti uživatelského rozhraní. Zároveň zastavení vývoje tohoto softwaru nepřináší naději, že by mohlo dojít ke změnám a případným vylepšením nebo rozšíření aplikace. Po nabytí znalostí uvedených v předchozích kapitolách a získání přehledu o funkcích dostupných nástrojů, přišlo na řadu vytvoření funkčního prototypu aplikace, která se stane základem pro následný vývoj a konečné nahrazení aplikace Vicon Polygon. Aplikace dostala název Gait Data Viewer, dále v textu zmiňována jako GDV. 6.1 Rozbor výstupního formátu biometrických dat Existuje několik způsobů jak uchovávat nasnímaná data motion capturovými systémy. Tomáš Solár ve své diplomové práci [9] zmiňuje možné varianty. Mezi nejrozšířenější patří formáty BVA, BVH, ACM nebo C3D. Vicon Nexus však poskytuje uchování dat pouze v C3D formátu. C3D (Coordinate 3D) formát je podmnožinou více obecného ADTech souborového formátu. Byl navržen Andrewem Dainisem k uchování 3D koordinát a analogových dat společně s informacemi popisujícími takto uložená data. To vše v jednom souboru. Schopnost ukládat velké množství informací o datech, je výhoda, která odlišuje C3D formát od ostatních biomechanických formátů. V důsledku toho je v C3D souboru malé množství obecně společných parametrů, které popisují 3D data a pak libovolné množství uživatelem nebo laboratoří definovaných, vytvořených a uložených datových položek. Vzhledem k tomu, že C3D formát není vázán na konkrétního výrobce, můžeme libovolně přidávat nové parametry a přizpůsobit ukládání informace podle našich potřeb. V dnešní době nachází C3D formát uplatnění právě v takových laboratořích, jako je zmiňovaná laboratoř chůze v Brně. Formát má také široké využití i v jiných oblastech, především zábavním a filmovém průmyslu. Řada 3D modelářů podporuje jeho načtení. Jmenujme například komerční Autodesk Maya, Autodesk 3ds Max nebo open source modelář Blender. 37
38 KAPITOLA 6. ZOBRAZOVAČ NAMĚŘENÝCH DAT LABORATOŘE CHŮZE 6.1.1 Základní struktura C3D souboru V uživatelské příručce [7] se uvádí, že C3D formát má tři základní části: Data - na této úrovni je C3D soubor jednoduchý binární soubor, který obsahuje surové 3D a analogové informace. Standard Parameters - jedná se o implicitní informace o surových 3D a analogových datech, které jsou potřebné k přístupu k údajům. Custom Parameters - zde jsou informace specifikující konkrétní software, který C3D soubor vytvořil, případně subjekt, který byl snímán. Jedním z cílů při návrhu C3D formátu bylo udělat ho jednoduchý pro listování, prohledávání popřípadě modifikování parametrů v C3D souboru. Díky těmto možnostem vyniká C3D formát schopností uchovávat velké množství informace o datech. C3D formát tak kombinuje funkce pro ukládání dat a zároveň nese charakteristiku databáze. Dalším cílem pro C3D formát byla minimalizace požadavků na úložní prostor, minimalizace počtu souborů potřebných k uchování dat a poskytnutí dostatečné rychlosti a jednoduchého přístupu k obsahu souboru. C3D formát umožňuje opatřit každý parametr unikátním označením tak, aby jednotlivé funkce každého parametru mohli být dokumentovány v samotném C3D souboru. To poskytuje flexibilitu pro uživatele, který tak může uchovávat velké množství rozdílných dat a souvisejících parametrů v rámci jednoho C3D souboru, při zachování míry interní dokumentace, která chybí ve většině ostatních formátů. C3D formát nemá žádná limitující kritéria na ukládaná data, typy nebo počet parametrů. Formát je lehce rozšiřitelný pro přidání dalších parametrů a dat. Soubor C3D je v binárním formátu. Binární soubory, oproti ASCII souborům (textovým), jsou efektivnější z hlediska ukládání dat a přístupu k obsahu. Nicméně binární přístup k datům obecně vyžaduje specifickou aplikaci, která nese detailní znalosti o struktuře souboru a o tom jak jsou hodnoty dat v souboru uloženy. Navzdory této komplikaci, je účinnost a rychlost přístupu k binárnímu souboru jednoznačně převažující výhodou. C3D formát se díky tomu stal jasnou volbou pro uchování biomechanických dat a parametrů. Formát C3D zachází s informací, jako by patřila do jedné ze dvou tříd: Fyzikální měření a Parametry, které se týkají fyzikálního měření. Fyzikální měření C3D specifikace počítá za fyzikální měření bud poziční informaci (3D souřadnice) nebo numerická data (digitalizovaná analogová informace). Každý 3D koordinát je uložen jako surový (raw) X, Y a Z záznam s informací o vzorku (tj. přesnost a příspěvek jednotlivých kamer). Každý vzorek numerických dat může obsahovat digitalizovanou analogovou informaci ze zdroje jako je EMG a tlaková plošina. Tyto vzorky jsou synchronizovány se vzorky 3D souřadnic, takže je snadné určit číselné hodnoty dat, které se vztahují ke každé souřadnici v rámci souboru.
6.1. ROZBOR VÝSTUPNÍHO FORMÁTU BIOMETRICKÝCH DAT 39 V důsledku toho, mnoho C3D souborů obsahuje analogová a 3D data synchronizována snímek po snímku. To je velká výhoda oproti ostatním formátům, které obvykle uchovávají informace odděleně ve více souborech. Uchovávání všech informací v jednom souboru dává větší důvěru v data. Je snazší získat relevantní data a takovéto uchování dat dává jistotu, že data z více zdrojů, jako jsou motion capturové kamery, tlakové plošiny a EMG zařízení jsou synchronizována v čase a 3D prostoru. Parametry Kromě 3D a numerické informace obsahuje C3D soubor také informace o datech, jako měrné jednotky, popisy markerů atd. Nicméně, na rozdíl od jiných formátů, umožňuje C3D formát uložení takové informace jako jméno pacienta, diagnózy a další položky, které mohou být specifické pro následné vyhodnocení. 6.1.2 Popis C3D souboru Data v C3D souboru jsou uložena v 16-bitovém signed integer formátu nebo volitelně ve formátu s plovoucí desetinou čárkou. Formát dat může být určen v hlavičce souboru na binární úrovni bez vytváření jakýchkoliv dohadů o formátu dat. Pro kompatibilitu s různými operačními systémy by měli být všechny C3D soubory považovány za konzistentní bloky, které mají délku 512 bytů (nebo 256 bytů pro 16-bit slova). Každý C3D soubor musí obsahovat minimálně tři sekce informací: Sekce hlavičky (jeden 512 bytový blok). Sekce parametrů (jeden nebo více 512 bytových bloků). Sekce 3D dat (jeden nebo více 512 bytových bloků). Tabulka 6.1: Základní struktura C3D souboru. Hlavička souboru (Header section) První sekcí C3D souboru je hlavička, která vždy začíná blokem 1 (první blok souboru). První slovo C3D souboru určuje pozici sekce parametrů, která zase obsahuje ukazatel na začátek sekce 3D dat, stejně jako detailní informace nezbytné k čtení sekce s 3D daty a interpretaci obsahu. Navíc hlavička dále obsahuje duplicitní záznamy z řad parametrů uložených v sekci parametrů a omezené množství o událostech. Pozice sekce 3D dat, stejně jako ostatní důležité atributy, by měly být vždy načítány ze sekce parametrů v C3D souboru. Důvod proč pozice sekce s 3D daty a ostatních parametrů je duplicitně v hlavičce souboru je ten, že umožňuje jednoduchým utilitám přistupovat k 3D datům bez nutnosti načítání a dekódování celé sekce parametrů. Obrázek 6.1: Obsah hlavičky vypsaný aplikací VBC3DEditor.