Fakulta elektrotechnická. Petr Stolař. Studijní program: Softwarové technologie a management, Bakalářský. Obor: Web a multimedia

ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Cesk´ Fakulta elektrotechnická Katedra poˇc´ıtaˇcové grafiky a interakce

Bakaláˇrská práce

Vyhodnocov´ an´ı biometrick´ ych mˇ eˇ ren´ı laboratoˇ re ch˚ uze Petr Stolaˇr

Vedouc´ı práce: Ing. Jan Buriánek

Studijn´ı program: Softwarové technologie a management, Bakaláˇrsk´ y Obor: Web a multimedia 27. kvˇetna 2010

iv

v

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych pˇredevˇs´ım podˇekovat svému vedouc´ımu práce Ing. Janu Buriánkovi za nab´ıdnut´ı moˇznosti zpracov´ an´ı tohoto tématu, za jeho konstruktivn´ı kritiku, rady a pˇripom´ınky. D´ ale bych chtˇel podˇekovat rodiˇc˚ um a pˇrátel˚ um za jejich podporu.

vi

vii

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem pr´ aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady uvedené v pˇriloˇzeném seznamu. Nemám z´ avaˇzn´ y d˚ uvod proti uˇzit´ı tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu §60 Zákona ˇc. 121/2000 Sb., o pr´ avu autorském, o pr´ avech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych zákon˚ u (autorsk´ y z´ akon).

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 ˇ Tato pr´ ace se zab´ yv´ a vyhodnocován´ım biometrick´ ych dat laboratoˇre ch˚ uze. Cten´ aˇre seznamuje s prostˇred´ım laboratoˇre a s jeho hardwarov´ ym a softwarov´ ym vybaven´ım. Popisuje jak je urˇcena pozice subjektu v sn´ımaném prostoru laboratoˇre a jak se tato pozice zaznamenáv´ a. Analyzuje pouˇz´ıvané v´ ystupn´ı formáty mˇeˇren´ ych dat a zmiˇ nuje stávaj´ıc´ı moˇznosti jejich vizualizace. V´ ysledkem této pr´ ace je funkˇcn´ı prototyp aplikace umoˇzn ˇuj´ıc´ı vizualizovat data poˇr´ızen´ a systémy v laboratoˇri ch˚ uze.

ix

x

Obsah ´ 1 Uvod 1.1 Motivace zad´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Struktura pr´ ace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 1

2 Anal´ yza pohybu ch˚ uze 2.1 Souˇradn´ y systém doln´ı poloviny lidského tˇela . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 P´ anev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.1 Definice pánevn´ıho technického souˇradného systému . 2.1.1.2 V´ ypoˇcet stˇred˚ u kyˇceln´ıch kloub˚ u (HJC) . . . . . . . . 2.1.1.3 Definice pánevn´ıho anatomického souˇradného systému 2.1.2 Stˇred kolenn´ıho kloubu (KJC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Stehno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Doln´ı ˇc´ ast doln´ı konˇctiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.1 Holeˇ n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.2 Zadn´ı odd´ıl chodidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.3 Pˇredn´ı odd´ıl chodidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 V´ ystupn´ı parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 P´ anev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Kyˇcel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Koleno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Chodidlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

3 4 4 4 5 5 6 6 7 9 10 10 13 15 15 16 16

3 Hardwarov´ e vybaven´ı laboratoˇ re ch˚ uze 3.1 Motion Capture . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Vyuˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Optické systémy . . . . . . . . . 3.2 Tlakov´ a ploˇsina AMTI OR6-7 . . . . . . 3.2.1 Vyuˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Popis zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . 3.3 Sn´ım´ an´ı EMG . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Co je EMG? . . . . . . . . . . . 3.3.2 Vyuˇzit´ı v laboratoˇri ch˚ uze . . . . 3.3.3 Vys´ılaˇc TeleMyo 2400T G2 . . . 3.3.4 Pˇrij´ımaˇc TeleMyo 2400R G2 . . 3.4 Digit´ aln´ı video kamery . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

19 20 20 20 21 21 21 22 22 23 23 23 24

xi

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

xii

4 Softwarov´ e vybaven´ı laboratoˇ re ch˚ uze 4.1 Vicon Nexus . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Vicon Polygon . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Muskuloskelet´ aln´ı systém . . . 4.2.2 Tˇeˇziˇstˇe . . . . . . . . . . . . .

OBSAH

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

25 25 27 27 28

5 Postup sn´ıman´ı pohybu v laboratoˇ ri ch˚ uze 5.1 Nasn´ım´ an´ı dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Pˇr´ıprava subjektu . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Sn´ım´ an´ı a zpracov´ an´ı dynamického záznamu 5.1.3 Pˇrezkoum´ an´ı a v´ yplˇ n mezer . . . . . . . . . . 5.1.4 Export dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Zpracov´ an´ı vyexportovan´ ych dat . . . . . . . . . . . 5.2.1 Popis uˇzivatelského rozhran´ı . . . . . . . . . 5.2.1.1 Zobrazen´ı a skryt´ı mnoˇziny kost´ı . . 5.2.1.2 Panel zobrazen´ı (View pane) . . . . 5.2.1.3 Zobrazen´ı grafu (Graph View) . . . 5.3 Zhodnocen´ı aplikac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

29 30 30 31 31 31 32 32 33 34 34 35

6 Zobrazovaˇ c namˇ eˇ ren´ ych dat laboratoˇ re ch˚ uze 6.1 Rozbor v´ ystupn´ıho form´ atu biometrick´ ych dat 6.1.1 Z´ akladn´ı struktura C3D souboru . . . . 6.1.2 Popis C3D souboru . . . . . . . . . . . . 6.2 Knihovna C3DServer SDK . . . . . . . . . . . . 6.3 Implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Z´ aklad aplikace . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Naˇcten´ı C3D souboru . . . . . . . . . . 6.3.3 Zobrazovac´ı smyˇcka . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

37 37 38 39 40 41 42 42 43

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

7 Testov´ an´ı aplikace na re´ aln´ ych datech

45

8 Z´ avˇ er

47

Literatura

49

A Obrazov´ a pˇ r´ıloha

51

B Seznam pouˇ zit´ ych zkratek

55

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

57

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13

Technick´ y souˇradn´ y systém pánve. Zdroj: [1] . . . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém pánve. Zdroj: [1] . . . . . . . . . . . . Vlevo: Stˇred kolenn´ıho kloubu, vpravo: anatomick´ y souˇradn´ y systém Zdroj: [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura chodidla. Zdroj [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tˇri rigidn´ı segmenty. Zdroj: [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Um´ıstˇen´ı marker˚ u na holeni. Zdroj: [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém holenˇe. Zdroj: [1]. . . . . . . . . . . . . Zadn´ı ˇc´ ast chodidla. Zdroj: [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém zadn´ıho odd´ılu chodidla. Zdroj: [1]. . . Rozm´ıstˇen´ı marker˚ u na pˇredn´ım odd´ılu chodidla. Zdroj: [1]. . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém pˇredn´ıho odd´ılu chodidla. Zdroj: [1]. . Blokov´ y diagram parametr˚ u modelu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definice kinematick´ ych veliˇcin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4

Laboratoˇr ch˚ uze. Zdroj [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Z´ akladn´ı Vicon MX systém s osmi kamerami. Zdroj: [11]. . . . . . . . . . . . 21 Souˇradn´ y systém ploˇsiny AMTI. Zdroj: [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Vlevo: vys´ılaˇc TeleMyo 2400T G2, vpravo: pˇrij´ımaˇc TeleMyo 2400R G2. Zdroj:[13] 23

4.1 4.2

Okno aplikace Vicon Nexus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Okno aplikace Vicon Polygon s popsan´ ym uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım. Zdroj: [10] 28

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

30 31 33 33

5.6

Zv´ yraznˇené povinné hodnoty antropometrick´ ych parametr˚ u. . . . . . . . . . . Zrekonstruovan´ y z´ aznam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Okno aplikace Vicon Polygon s v´ıce otevˇren´ ymi dialogy. . . . . . . . . . . . . Data Object View. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontextov´ a nab´ıdka v 3D pracovn´ı ploˇse. Zde zobrazena moˇznost pro skryt´ı mnoˇziny kost´ı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dialog pro smaz´ an´ı komponenty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1 6.2 6.3 6.4

Obsah hlaviˇcky vypsan´ y aplikac´ı VBC3DEditor. . . . Sekce parametru vypsaná aplikac´ı VBC3DEditor. . . . Sekce 3D dat vypsan´ a aplikac´ı VBC3DEditor. . . . . . Sn´ımek obrazovky aplikace GDV pro vizualizace dat. .

39 40 40 42

xiii

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . . . . . stehna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

4 6 7 8 8 9 9 11 11 12 12 13 14

34 34

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK

xiv

A.1 A.2 A.3 A.4 A.5

Sn´ımek z v´ ysledné aplikace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sn´ımek z v´ ysledné aplikace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sn´ımek z v´ ysledné aplikace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prostˇred´ı brnˇenské laboratoˇre ch˚ uze. Zdroj: [2] . . . . . . . . Zdravotn´ı sestra Aneta Fedrov´ a z brnˇenské laboratoˇre ch˚ uze nohy pacientky retroreflexn´ı markery. Zdroj: [4] . . . . . . . . A.6 Provádˇen´ı dynamického z´ aznamu. Zdroj: [4] . . . . . . . . . . A.7 Provádˇen´ı dynamického z´ aznamu. Zdroj: [4] . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pˇripevˇ nuje na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51 52 52 53

C.1 Seznam pˇriloˇzeného CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

53 54 54

Seznam tabulek 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Technick´ y souˇradn´ y systém pánve . . . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém pánve . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém stehna . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém holenˇe . . . . . . . . . . . Anatomick´ y souˇradn´ y systém zadn´ıho odd´ılu chodidla . Anatomick´ y souˇradn´ y systém pˇredn´ıho odd´ılu chodidla .

. . . . . .

5 6 7 10 11 12

6.1

Z´ akladn´ı struktura C3D souboru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

xv

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

xvi

SEZNAM TABULEK

Kapitola 1

´ Uvod 1.1

Motivace zad´ an´ı

Pro potˇreby této pr´ ace bylo vyuˇzito prostˇred´ı laboratoˇre ch˚ uze ve Fakultn´ı dˇetské nemocnici J. G. Mendela v Brnˇe (viz. poˇrad PORT [17]). Tato laboratoˇr je souˇcást´ı Kliniky dˇetské chirurgie, ortopedie a traumatologie. Vyuˇz´ıvá se k upˇresnˇen´ı indikac´ı chirurgické léˇcby pohybového apar´ atu dˇet´ı postiˇzen´ ych dˇetskou mozkovou obrnou. Laboratoˇr vybaven´ a nejnovˇejˇs´ımi technologiemi, poskytuje lékaˇr˚ um flexibiln´ı, rychlé a dostateˇcnˇe pˇresné prostˇredky k urˇcen´ı diagnóz a postupu léˇcby. Kombinuj´ı se zde optické sn´ımaˇce pohybu, tlakové ploˇsiny a EMG systémy. Takováto zaˇr´ızen´ı b´ yvaj´ı ˇcasto technicky velmi sloˇzit´ a a kladou na obsluhuj´ıc´ı personál znaˇcné nároky. Jelikoˇz se jedná pˇreváˇznˇe o lidi vzdˇelané v medic´ınském oboru, je d˚ uleˇzité, aby software ˇr´ıd´ıc´ı tyto systémy poskytoval snadné ovl´ ad´ an´ı. Extrémnˇe d˚ uleˇzitá je v´ ysledná vizualizace namˇeˇren´ ych biometrick´ ych dat. Mus´ı striktnˇe odpov´ıdat potˇreb´ am diagnostikuj´ıc´ıch lékaˇr˚ u, kteˇr´ı na základˇe tˇechto dat urˇc´ı následuj´ıc´ı postup léˇcby. C´ılem této pr´ ace je analyzovat stávaj´ıc´ı pouˇz´ıvané systémy umoˇzn ˇuj´ıc´ı záznam pacientovi ch˚ uze a v´ yslednou vizualizaci. Pro správné pochopen´ı vˇsech souvislost´ı je zapotˇreb´ı nastudovat celkovou problematiku lidské ch˚ uze a také formáty dat, které slouˇz´ı k uchov´ an´ı nasn´ımané informace. K tomu poslouˇzili dokumenty od R. B. Davise a spol. [5] a M. P. Kadaby a spol. [6]. Na z´ akladˇe této anal´ yzy byl implementován vizualizaˇcn´ı systém, jehoˇz vstupem jsou nasn´ıman´ a data z optick´ ych sn´ımaˇc˚ u.

1.2

Struktura pr´ ace

Struktura bakal´ aˇrské pr´ ace je takováto. V následuj´ıc´ı druhé kapitole je popsáno, jak je definováno rozm´ıstˇen´ı retroreflexn´ıch marker˚ u na tˇele pacienta. Dále jak se urˇc´ı v´ ysledná poloha jednotliv´ ych ˇc´ ast´ı tˇela v 3D prostoru laboratoˇre. Kapitola 3 se zab´ yvá hardwarov´ ym vybaven´ı laboratoˇre. N´ asleduje kapitola 4. V n´ı je zm´ınka o softwarovém vybaven´ı laboratoˇre. Zde jsou pops´ any programy Vicon Nexus a Vicon Polygon jako kl´ıˇcové prvky pro záznam a anal´ yzu pacientovi ch˚ uze. V kapitole 5 je popsán cel´ y postup práce vedouc´ı k nasn´ımán´ı

1

2

´ KAPITOLA 1. UVOD

dynamického z´ aznamu pomoc´ı programu Vicon Nexus. Je zde také nast´ınˇena práce s programem Vicon Polygon, kter´ y umoˇzn ˇuje v´ yslednou vizualizaci vˇsech dat. V kapitole 6 pˇricház´ı na ˇradu rozbor zobrazovaˇce namˇeˇren´ ych dat spoleˇcnˇe s popisem v´ ystupn´ıch formát˚ u a v´ yslednou implementac´ı. V kapitole 7 je zm´ınˇeno testován´ı aplikace na reáln´ ych datech. Poté následuje z´ avˇer, ve kterém je shrnut v´ ysledek práce.

Kapitola 2

Anal´ yza pohybu ch˚ uze Na zaˇc´ atku tohoto dokumentu je zapotˇreb´ı nast´ınit nutnou teorii, na které je celá problematika postavena. Anal´ yza pohybu, jak ji dnes známe, se zaˇcala vyv´ıjet na poˇcátku osmdesát´ ych let dvac´ atého stolet´ı. V˚ ubec prvn´ı laboratoˇr´ı, která se zab´ yvala myˇslenkou vyuˇzit´ı sn´ımán´ı pohybu v medic´ınˇe, byla laboratoˇr v Dˇetské nemocnici Newington (Hartford, Connecticut, USA). Nˇekolika ˇclenné t´ ymy pracovali na spoleˇcném c´ıli. V´ ysledkem toho vˇseho bylo vyvinut´ı biomechanického modelu, kter´ y popsali M. P. Kadaba a spol. v textu [6] a R. B. Davis a spol. v textu [5].

Na z´ akladˇe tohoto biomechanického modelu, naz´ yvaného také jako konvenˇcn´ı model ch˚ uze, vznikl matematick´ y model, kter´ y umoˇzn ˇuje sledovat chován´ı systému ovlivnˇeného urˇcit´ ymi vstupy a parametry. Model funguje tak, ˇze z trajektorie fyzick´ ych marker˚ u dopoˇc´ıtá trajektorii virtu´ aln´ıch marker˚ u, které slouˇz´ı k urˇcen´ı kinematické a kinetické veliˇciny (´ uhly, momenty, atd.) a reprezentaci segment˚ u tˇela. Pˇred samotn´ ym mˇeˇren´ım je tˇreba pomˇeˇrit antropometrické parametry pacienta (hmotnost a v´ yˇska osoby, délka nohy, ˇs´ıˇrka kolena a kotn´ıku). Dále se definuj´ı rigidn´ı segmenty. Kaˇzd´ y segment je pops´ an sv´ ym ortogonáln´ım souˇradn´ ym systém vyuˇz´ıvaj´ıc´ım pravidla pravé ruky. Model ch˚ uze je zaloˇzen na následuj´ıc´ıch pˇredpokladech: • hypotéza rigidn´ıho tˇela – ˇc´ asti lidského tˇela jsou povaˇzovány za rigidn´ı a nedeformovatelné. • sn´ım´ an´ı rigidn´ıch segment˚ u – fyzické markery jsou pˇripevnˇeny na povrchu tˇela osoby; virtuáln´ı markery jsou generov´ any z fyzick´ ych marker˚ u a z fyzick´ ych parametr˚ u osoby. Z v´ yˇse uvedeného je patrné, ˇze kvalita, pˇresnost a konzistence pozice fyzick´ ych a virtu´ aln´ıch marker˚ u m´ a velk´ y vliv na v´ ysledn´ y v´ ystup.

3

´ ˚ KAPITOLA 2. ANALYZA POHYBU CHUZE

4

2.1

Souˇ radn´ y syst´ em doln´ı poloviny lidsk´ eho tˇ ela

Jak bylo v´ yˇse zm´ınˇeno, kaˇzd´ a ˇc´ ast doln´ı poloviny lidského tˇela má sv˚ uj vlastn´ı ortogonáln´ı souˇradn´ y systém. K urˇcen´ı tˇechto systém˚ u nám slouˇz´ı z´ıskané pozice retroreflexn´ıch marker˚ u. Tyto fyzické markery n´ am umoˇzn ˇuj´ı vytvoˇrit tzv. technick´ y souˇradn´ y systém, kter´ y s pomoc´ı virtuáln´ıch marker˚ u umoˇzn´ı vytvoˇren´ı anatomického souˇradného systému segmentu. D˚ uleˇzit´ y je smˇer ch˚ uze subjektu v glob´ aln´ım souˇradném systému. Vypoˇc´ıtá se z pˇredchoz´ı a následné pozice LASI markeru. Pˇritom se porovn´ avá posunut´ı po ose X a Y. Podle toho které posunut´ı má vˇetˇs´ı hodnotu, subjekt se pohybuje po té ˇci oné ose.

2.1.1

P´ anev

Vytvoˇren´ı pánevn´ıho anatomického souˇradného systému ovlivˇ nuj´ı následuj´ıc´ı kroky: 2.1.1.1

Definice p´ anevn´ıho technick´ eho souˇ radn´ eho syst´ emu

Pánevn´ı technick´ y souˇradn´ y systém 2.1 je urˇcen markery pˇripevnˇen´ ymi na pánev subjektu. Markery maj´ı oznaˇcen´ı LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo alternativnˇe LASI, RASI, SACR. Záleˇz´ı na um´ıstˇen´ı marker˚ u na p´ anvi. Kdyˇz se pouˇzij´ı PSI markery, vytvoˇr´ı se mezi nimi virtuáln´ı marker pouˇz´ıvan´ y pro kalkulaci. Jinak kdyˇz je pouˇzit SACR marker, bude pouˇzit pro kalkulaci on.

Obr´ azek 2.1: Technick´ y souˇradn´ y systém pánve. Zdroj: [1]

ˇ ´ SYSTEM ´ DOLNÍ POLOVINY LIDSKEHO ´ ˇ 2.1. SOURADN Y TELA

Co Poˇcátek 1. definovan´ a osa 2. definovan´ a osa

Y Z

3. definovan´ a osa

X

Jak (LASI + RASI)/2 RASI → LASI Kolm´ a k rovinˇe definované markery LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo LASI, RASI, SACR Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Y a Z

5

Popis Horizontáln´ı, zprava doleva Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru

Ukazuj´ıc´ı dopˇredu

Tabulka 2.1: Technick´ y souˇradn´ y systém pánve 2.1.1.2

V´ ypoˇ cet stˇ red˚ u kyˇ celn´ıch kloub˚ u (HJC)

Problematice nalezen´ı stˇredu kyˇceln´ıch kloub˚ u v pánevn´ım technickém souˇradném systému, se vˇenovali Davis a spol. v dokumentu [5]. Vyuˇz´ıvá se regresivn´ıho pˇr´ıstupu k nalezen´ı vektoru spojuj´ıc´ıho p˚ uvodn´ı p´ anevn´ı technick´ y souˇradn´ y systém s HJC. Regrese je pˇritom zaloˇzena na vzd´ alenosti mezi anterior superior iliaca spina (ASIS - trn kyˇceln´ı pˇredn´ı, horn´ı) a délkou nohy. Lok´ aln´ı souˇradnice stˇredu levého kyˇceln´ıho kloubu v pánevn´ım technické souˇradné systému jsou (pro prav´ y HJC je potˇreba invertovat Y souˇradnici): LHJCx = C * cos(θ) * sin(β) - (ASIS-TrochanterDistance + mm) * cos(β) LHJCy = -(C * sin(θ) - aa) LHJCz = -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 = polomˇer markeru 2.1.1.3

Definice p´ anevn´ıho anatomick´ eho souˇ radn´ eho syst´ emu

Jakmile je lokalizov´ an HJC a urˇcen pánevn´ı technick´ y souˇradn´ y systém, m˚ uˇze b´ yt definov´ an anatomick´ y p´ anevn´ı souˇradn´ y systém. Smˇer pánevn´ıho anatomického souˇradného systému je stejn´ y jako technick´ y souˇradn´ y systém, ale poˇcátek je posunut do stˇredu LHJC a RHJC definovan´ ych v 2.1.1.2.


6

Obr´ azek 2.2: Anatomick´ y souˇradn´ y systém pánve. Zdroj: [1] Co Poˇcátek 1. definovaná osa 2. definovaná osa

Y Z

3. definovaná osa

X

Jak (LHJC + RHJC)/2 RASI → LASI Kolm´ a k rovinˇe definované markery LASI, RASI, LPSI, RPSI nebo LASI, RASI, SACR Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Y a Z

Popis Horizontáln´ı, zprava doleva Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru

Ukazuj´ıc´ı dopˇredu

Tabulka 2.2: Anatomick´ y souˇradn´ y systém pánve

2.1.2

Stˇ red kolenn´ıho kloubu (KJC)

Vypoˇc´ıtat stˇred kolenn´ıho kloubu lze pomoc´ı dvou metod. Prvn´ı pro urˇcen´ı KJC vyuˇz´ıvá speciáln´ı kolenn´ı marker - Knee Aligment Device (KAD). V brnˇenské laboratoˇri ch˚ uze se nepouˇz´ıvá, proto nebude d´ ale zmiˇ nov´ an. Druhá metoda urˇcuje pozici KJC d´ıky znalosti globáln´ı pozice HJC, pozice stehenn´ıho markeru THI, kolenn´ıho markeru KNE a offsetu kolena KO (KO = (ˇs´ıˇrka kolena + pr˚ umˇer markeru)/2). KJC je ve vzd´ alenosti KO od KNE, kolmo na rovinu tvoˇrenou markery KNE,THI a HJC. V´ıce obr. 2.3 vlevo.

2.1.3

Stehno

Anatomick´ y souˇradn´ y systém stehna vyuˇz´ıvá pouze jeden fyzick´ y marker THI. K popisu rigidn´ı ˇcásti tˇela v prostoru potˇrebujeme alespoˇ n tˇri body. Vyuˇzijeme proto poznatku o um´ıstˇen´ı KJC definovaného v 2.1.2 a HJC definovaného v 2.1.1.2. V´ıce obr. 2.3 vpravo.


7

Obrázek 2.3: Vlevo: Stˇred kolenn´ıho kloubu, vpravo: anatomick´ y souˇradn´ y systém stehna. Zdroj: [1]


Z X


Y

Jak RKJC RKJC → RHJC Kolm´ a k rovinˇe definované RHJC, RKJC, THI Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Z a X

Popis Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru Ukazuj´ıc´ı dopˇredu Horizontáln´ı, zprava doleva

Tabulka 2.3: Anatomick´ y souˇradn´ y systém stehna

2.1.4

Doln´ı ˇ c´ ast doln´ı konˇ ctiny

Jako kl´ıˇcov´ a se pˇri anal´ yze ch˚ uze jev´ı potˇreba velmi detailn´ıho nasn´ımán´ı pohyb˚ u pacientovi doln´ı konˇcetiny a hlavnˇe chodidla. To vyˇzaduje um´ıstˇen´ı vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı marker˚ u na povrch doln´ı konˇcetiny. Samotn´ı pacienti - dˇeti, pˇredstavuj´ı urˇcité v´ yzvy. A to pˇredevˇs´ım jejich mal´ y povrch chodidla a vetˇs´ı promˇenlivost pohybu chodidla. Pro detailn´ı anal´ yzu byl vytvoˇren Oxford Foot Model (OFM) vyvinut´ y Nuffieldsk´ ym ortopedick´ ym centrem v Oxfordu, pˇredn´ım svˇetov´ ym centrem pro klinickou a v´ yzkumnou anal´ yzu ch˚ uze, ve spolupr´ aci s Oxfordskou universitou. Samotné chodidlo je velice sloˇzitá struktura 2.4. Chodidlo utváˇr´ı: • 26 kost´ı, • 33 kloub˚ u,


8

• 107 vaz˚ ua • 19 sval˚ u.

Obr´ azek 2.4: Struktura chodidla. Zdroj [1].

Z v´ yˇse uvedeného je patrné, ˇze k dostateˇcnému popisu chodidla nestaˇc´ı pouze jeden segment, ale je zapotˇreb´ı chodidlo rozdˇelit do v´ıce segment˚ u. I v tomto pˇr´ıpadˇe se vyuˇz´ıvá pˇredpokladu rigidn´ıho tˇela. Doln´ı ˇc´ ast doln´ı konˇcetiny je rozdˇelena do tˇr´ı segment˚ u - holeˇ n, zadn´ı odd´ıl chodidla a pˇredn´ı odd´ıl chodidla, obr. 2.5. Jako doplˇ nková ˇcást m˚ uˇze b´ yt do v´ ypoˇctu zahrnut hallux (palec).

Obr´ azek 2.5: Tˇri rigidn´ı segmenty. Zdroj: [1].


2.1.4.1

9

Holeˇ n

OFM definuje um´ıstˇen´ı fyzick´ ych marker˚ u na holeni, viz. obr. 2.6. Anatomick´ y souˇradn´ y systém holenˇe je definovan´ y stˇredem kotn´ıku (AJC = (ANK + MMA)/2) a virtuáln´ım markerem KJC, viz. obr. 2.7.

Obr´ azek 2.6: Um´ıstˇen´ı marker˚ u na holeni. Zdroj: [1].

Obr´ azek 2.7: Anatomick´ y souˇradn´ y systém holenˇe. Zdroj: [1].


10

Co Poˇcátek 1. definovaná osa 2. definovaná osa

Y X

3. definovaná osa

Z

Jak AJC = (ANK + MMA)/2 AJC → KJC Kolm´ a k rovinˇe definované KJC, ANK, MMA Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Y a X

Popis Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru Ukazuj´ıc´ı dopˇredu Horizontáln´ı, zleva doprava

Tabulka 2.4: Anatomick´ y souˇradn´ y systém holenˇe

2.1.4.2

Zadn´ı odd´ıl chodidla

Anatomick´ y souˇradn´ y systém zadn´ıho odd´ılu chodidla popisuje sagitáln´ı rovina kosti patn´ı, tvoˇrená markery HEE, PCA a (LCA + STL)/2, viz obr. 2.8 a obr. 2.9. 2.1.4.3

Pˇ redn´ı odd´ıl chodidla

Pˇredn´ı odd´ıl chodidla je opatˇren markery P1M, P5M, D5M, TOE a D1M, viz. obr. 2.10. Transversáln´ı rovina je tvoˇren´ a metatrs´ aln´ımi markery D1M, D5M a P5M. V´ ysledn´ y anatomick´ y souˇradn´ y systém zn´ azorˇ nuje obr. 2.11.


11

Obr´ azek 2.8: Zadn´ı ˇcást chodidla. Zdroj: [1].

Obr´ azek 2.9: Anatomick´ y souˇradn´ y systém zadn´ıho odd´ılu chodidla. Zdroj: [1].


Y X


Z

Jak HEE HEE → KJC Rovnobˇeˇzná s podlahou, HEE → (STL+LCA)/2 Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Z a X

Popis Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru Ukazuj´ıc´ı dopˇredu Horizontáln´ı, zleva doprava

Tabulka 2.5: Anatomick´ y souˇradn´ y systém zadn´ıho odd´ılu chodidla


12

Obrázek 2.10: Rozm´ıstˇen´ı marker˚ u na pˇredn´ım odd´ılu chodidla. Zdroj: [1].

Obrázek 2.11: Anatomick´ y souˇradn´ y systém pˇredn´ıho odd´ılu chodidla. Zdroj: [1]. Co Poˇcátek 1. definovaná osa

X

2. definovaná osa

Y

3. definovaná osa

Z

Jak (P5M + P1M)/2 Pˇr´ımka z poˇcátku do TOE prom´ıtnut´ a do transversáln´ı roviny metatars´ aln´ıch ˇclánk˚ u Kolm´ a k transversáln´ıch rovinˇe metatars´ aln´ıch ˇclánk˚ u Vektorov´ y souˇcin mezi jednotkov´ ym vektorem Y a X

Popis Ukazuj´ıc´ı dopˇredu

Vertikáln´ı, ukazuj´ıc´ı vzh˚ uru Horizontáln´ı, zleva doprava

Tabulka 2.6: Anatomick´ y souˇradn´ y systém pˇredn´ıho odd´ılu chodidla

´ Í PARAMETRY 2.2. VYSTUPN

2.2

13

V´ ystupn´ı parametry

Je - li zn´ ama pozice jednotliv´ ych marker˚ u a anatomické souˇradné systémy jednotliv´ ych segment˚ u, m˚ uˇzeme je spoleˇcnˇe s antropometrick´ ymi parametry aplikovat na matematick´ y model ch˚ uze, kter´ y generuje na v´ ystupu kloubn´ı kinematiku a kinetiku. Viz. obr. 2.12.

Obr´ azek 2.12: Blokov´ y diagram parametr˚ u modelu.

• Kinematika ´ – Uhly kloub˚ u ∗ Relativn´ı u ´hly mezi dvˇema rigidn´ımi segmenty. Vˇzdy tvoˇrené flex´ı, abdukc´ı a rotac´ı. ∗ Absolutn´ı u ´hly mezi rigidn´ım segmentem a fixn´ım prostˇred´ım laboratoˇre. Vˇzdy tvoˇrené rotacemi kolem globáln´ıch os X, Y a Z. – Kosti ∗ Mnoˇzina ˇctyˇr virtuáln´ıch bod˚ u asociovan´ ych s kaˇzd´ ym modelovan´ ym segmentem tˇela. · jmenoSegmentuO - poˇcátek segmentu jmenoSegmentu · jmenoSegmentuL - virtuáln´ı bod ve smˇeru pˇr´ıˇcné (lateráln´ı) osy segmentu jmenoSegmentu · jmenoSegmentuA - virtuáln´ı bod ve smˇeru podélné osy segmentu jmenoSegmentu · jmenoSegmentuP - virtuáln´ı bod ve smˇeru vertikáln´ı osy segmentu jmenoSegmentu • Kinetika – S´ıly ∗ P˚ usob´ıc´ı s´ıly vyj´ adˇrené v lokáln´ım referenˇcn´ım systému kaˇzdé rigidn´ı ˇc´ asti tˇela. ∗ Jednotky [N/Kg]. – Momenty ∗ Je - li pˇripojena tlaková ploˇsina, kalkuluje se s produkovan´ ymi momenty prodlouˇzen´ı.


14

∗ Vˇzdy seˇrazené jako flexe, abdukce, rotace. ∗ Jednotky [Nmm/Kg]. – V´ ykony ∗ Vypoˇc´ıtaj´ı se jako skal´ arn´ı souˇcin mezi momentem a u ´hlovou rychlost´ı. ∗ Mohou b´ yt vyj´ adˇreny jako skalár nebo jako tˇri separované smˇerové komponenty. ∗ Jednotky [W/Kg].

Kinematick´ e promˇ enn´ e Jedná se o veliˇciny, které se z´ısk´ avaj´ı bˇehem cyklu mˇeˇren´ı. Viz. obr. 2.13

Obr´ azek 2.13: Definice kinematick´ ych veliˇcin.

V následuj´ıc´ım textu se zmiˇ nuje nˇekolik term´ın˚ u, které je nejprve tˇreba objasnit. Transverzáln´ı roviny jsou takové roviny, které proch´ azej´ı tˇelem v horizontáln´ım smˇeru, frontáln´ı roviny vycházej´ı ze stˇredu tˇela smˇerem k hlavˇe, sagitáln´ı roviny jsou takové roviny, které jsou kolmé na frontáln´ı i transvers´ aln´ı roviny a rozdˇeluj´ı tˇelo na pravou a levou ˇcást.


2.2.1

15

P´ anev

Sklon p´ anve (Pelvic Tilt) Sklon p´ anve se bˇeˇznˇe poˇc´ıt´ a kolem transversáln´ı osy laboratoˇre. Bl´ıˇz´ı-li se vˇsak dopˇredn´ y pohyb pacienta sagit´ aln´ı ose laboratoˇre, sklon pánve se mˇeˇr´ı podle n´ı. Sagitáln´ı osa pánve, která leˇz´ı na transvers´ aln´ı rovinˇe pánve, se prom´ıtne do sagitáln´ı roviny laboratoˇre. Skon pánve je urˇcen jako u ´hel sevˇren´ y mezi prom´ıtnutou sagitáln´ı rovinou a sagitáln´ı rovinou laboratoˇre. Kladn´ yu ´hel odpov´ıd´ a normáln´ı situaci, kdy PSIS je v´ yˇse neˇz ASIS. Rotace p´ anve (Pelvic Rotation) Rotace p´ anve je poˇc´ıt´ ana kolem frontáln´ı osy pánevn´ıho souˇradného systému. Jedná se o u ´hel sevˇren´ y mezi sagit´ aln´ı osou p´ anve a sagitáln´ı osou laboratoˇre prom´ıtnut´ y do transvers´ aln´ı roviny p´ anve. Obliquita p´ anve (Pelvic Obliquity) Obliquita p´ anve je u ´hel, kter´ y se mˇeˇr´ı mezi transversáln´ı osou laboratoˇre a frontáln´ı osou pánve. Jin´ a neˇz nulov´ a hodnota obliquity pánve pˇredstavuje situaci, ve které je jedna strana pánve n´ıˇze neˇz druh´ a. V´ ysledn´ a pozice p´ anve V´ ysledn´ a rotace p´ anve je urˇcena sklonem pánve kolem transversáln´ı osy, hodnotu pánevn´ı obliquity kolem jej´ı sagit´ aln´ı osy a rotac´ı kolem své frontáln´ı osy. Pánev je pak v poloze urˇcené tˇemito tˇremi u ´hly - sklon, rotace, obliquita pánve.

2.2.2

Kyˇ cel

Kyˇ celn´ı flexe/extenze (Hip Flexion/Extension) Kyˇceln´ı flexe je poˇc´ıt´ ana jako osa kolmá k transversáln´ı ose pánve, která procház´ı stˇredem kyˇceln´ıho kloubu. Sagit´ aln´ı osa stehna je prom´ıtnuta na rovinu kolmou k ose kyˇceln´ı flexe. Kyˇceln´ı flexe je pak u ´hel mezi prom´ıtnutou sagitáln´ı osu stehna a sagitáln´ı osou pánve. Kladn´ yu ´hel (flexe) odpov´ıd´ a situaci, kdy koleno je pˇred tˇelem. Kyˇ celn´ı rotace (Hip Rotation) Kyˇceln´ı rotace se mˇeˇr´ı kolem podélné osy stehna a je poˇc´ıtána mezi sagitáln´ı osou stehna a sagitáln´ı osou p´ anve, prom´ıtnuté do roviny kolmé na podélnou osu stehna. Kladná kyˇceln´ı rotace odpov´ıd´ a vnitˇrn´ı rotaci stehna. Kyˇ celn´ı abdukce/addukce (Hip Ab/Adduction) ´ Kyˇceln´ı addukce se zjist´ı v rovinˇe osy kyˇceln´ı flexe a stˇredu kolenn´ıho kloubu. Uhel je poˇc´ıt´ an mezi podélnou osou stehna a frontáln´ı osou pánve, prom´ıtnuté do této roviny. Kladná hodnota odpov´ıd´ a otoˇcen´ı nohy smˇerem dovnitˇr (addukce).


16

V´ ysledn´ a pozice kyˇ cle Stehno jehoˇz podéln´ a osa byla rovnobˇeˇzná s frontáln´ı osou pánve, a ve které osa flexe kolena byla rovnobˇeˇzn´ a s transvers´ aln´ı osou p´ anve, by mˇela b´ yt v neutráln´ı poloze (vˇsechny 3 u ´hly jsou nulové). Zmˇena z této neutr´ aln´ı pozice do aktuáln´ı pozice stehna je urˇcená tˇremi u ´hly. Jedná se o u ´hel kyˇceln´ı flexe, u ´hle kyˇceln´ı addukce a u ´hel rotace stehna kolem podélné osy stehna.

2.2.3

Koleno

Kolenn´ı flexe/extenze (Knee Flexion/Extension) Sagitáln´ı osa holenˇe se prom´ıtne do roviny kolmé k ose flexe kolena. Flexe kolena je u ´hel mezi t´ımto prom´ıtnut´ım a sagit´ aln´ı osou stehna. Kladná hodnota u ´hlu odpov´ıdá flexi kolena. Rotace kolena (Knee Rotation) Rotace kolena se mˇeˇr´ı kolem podélné osy holenˇe. Jedná se o u ´hel mezi sagitáln´ı osou holenˇe a sagitáln´ı osou stehna, prom´ıtnutou do roviny kolmé k podélné ose holenˇe. Kladn´ y u ´hel odpov´ıdá vnitˇrn´ı rotaci. Valgus/varus kolena (Valgus/Varus) Jedná se o u ´hel mezi podélnou osou holenˇe a podélnou osou stehna prom´ıtnutou do roviny osy kolenn´ı flexe a stˇredu kotn´ıku. Kladné hodnotˇe odpov´ıdá varus (zevn´ı otoˇcen´ı kolena). V´ ysledn´ a pozice kolena Neutráln´ı pozice holenˇe je takov´ a, ˇze holeˇ n je ve stejné linii jako podélná osa stehna a osa flexe kotn´ıku je rovnobˇeˇzn´ a s osou flexe kolena. Z této pozice se pomoc´ı u ´hl˚ u kolenn´ı flexe, otoˇcen´ım o hodnotu valgus / varus a u ´hlu rotace kolena, dostane do aktuáln´ı pozice popsané tˇemito tˇremi u ´hly.

2.2.4

Chodidlo

Progrese chodidla (Foot Progression) Progrese chodidla je u ´hel mezi vektorem chodidla (prom´ıtnut´ y do transversáln´ı roviny laboratoˇre) a sagit´ aln´ı osou laboratoˇre. Kladná hodnota odpov´ıdá vnitˇrn´ı rotaci chodidla. Dorsi / plant´ arn´ı flexe kotn´ıku (Ankle Dorsi/Plantar Flexion) ´ Vektor chodidla je prom´ıtnut´ y do sagit´ aln´ı roviny chodidla. Uhel mezi vektorem chodidla a sagitáln´ı osou holenˇe se naz´ yv´ a dorsi / plantárn´ı flexe chodidla. Kladná hodnota u ´hlu odpov´ıdá dorsiflexi.


17

Rotace chodidla (Foot Rotation) Mˇeˇr´ı se kolem osy kolmé k vektoru chodidla a ose flexe kotn´ıku. Jedná se o u ´hel mezi vektorem chodidla a sagit´ aln´ı osou holenˇe, prom´ıtnutou do transversáln´ı roviny chodidla. Kladn´ a hodnota odpov´ıd´ a vnitˇrn´ı rotaci.

18


Kapitola 3

Hardwarov´ e vybaven´ı laboratoˇ re ch˚ uze V této kapitole jsou uvedeny hardwarové technologie, které se obecnˇe v laboratoˇri ch˚ uze vyskytuj´ı. Jak zhruba laboratoˇr vypadá? Velikost m´ıstnosti je zvolena tak, aby pacient mohl provést nˇekolik krok˚ u v pˇr´ımém smˇeru. Za nutnost se povaˇzuje izolace m´ıstnosti od otˇres˚ u z okoln´ıho prostˇred´ı. I nepatrné chvˇen´ı zemˇe má vliv na v´ ystupn´ı hodnoty tlakové ploˇsiny. Kromˇe tlakové ploˇsiny jsou zde jeˇstˇe rozm´ıstˇené motion capturové kamery, pˇrij´ımaˇc EMG sign´ al˚ u a PC stanice slouˇz´ıc´ı k zaznamenán´ı a následné anal´ yze biometrick´ ych dat. Na následuj´ıc´ım obr´ azku 3.1 je vidˇet schéma typického rozvrˇzen´ı vybaven´ı laboratoˇre ch˚ uze. Následuje charakteristika jednotliv´ ych technologi´ı.

Obr´ azek 3.1: Laboratoˇr ch˚ uze. Zdroj [3].

19

´ VYBAVENÍ LABORATORE ˇ CHUZE ˚ KAPITOLA 3. HARDWAROVE

20

3.1 3.1.1

Motion Capture Vyuˇ zit´ı

Motion capture, nˇekdy také naz´ yv´ an jako motion tracking nebo zkrácenˇe MoCap, je technologie slouˇz´ıc´ı k sn´ım´ an´ı pohyb˚ u lid´ı, zv´ıˇrat, popˇr´ıpadˇe jin´ ych objekt˚ u. Sn´ımané pohyby se digitalizuj´ı a pˇred´ avaj´ı k dalˇs´ımu zpracován´ı. Tato technologie se v praxi vyuˇz´ıvá pˇredevˇs´ım ve filmovém a hern´ım pr˚ umyslu. D´ ale své uplatnˇen´ı najde ve sportu, ale také v armádˇe. V posledn´ı dobˇe se rozr˚ ust´ a jej´ı uˇzit´ı i v medic´ınˇe, kde lékaˇri mohou pomˇernˇe jednoduˇse, rychle a pˇredevˇs´ım detailnˇe zaznamenat pohyby lid´ı a potom je analyzovat. Existuj´ı r˚ uzné systémy sn´ım´ an´ı pohyb˚ u. Podle toho na jakém principu jsou zaloˇzeny, je m˚ uˇzeme rozdˇelit do dvou z´ akladn´ıch skupin. Jedná se o optické systémy a neoptické systémy. Mezi neoptické patˇr´ı mechanické, magnetické a setrvaˇcné systémy. Jelikoˇz se v laboratoˇri ch˚ uze vyuˇz´ıvá optick´ ych systému sn´ım´ an´ı pohybu, budu v následuj´ıc´ım textu popisovat pouze je.

3.1.2

Optick´ e syst´ emy

Optické systémy vynikaj´ı svoj´ı velkou pˇresnost´ı, v´ ykonem a praktiˇcnost´ı. Základem je soustava kamer rozm´ıstˇen´ ych v prostoru a retroreflexn´ı kuliˇcky, tzv. markery, pˇripevnˇené ke sledovanému objektu - v naˇsem pˇr´ıpadˇe k pacientovi. Kamery jsou opatˇreny skupinou LED, které vyzaˇruj´ı svˇetlo ve smˇeru pohledu kamery. K tomuto u ´ˇcelu se vyuˇz´ıvaj´ı LED emituj´ıc´ı ˇcervené svˇetlo, svˇetlo bl´ızké infraˇcervenému pásmu a svˇetlo infraˇcervené. Od retroreflexn´ıch marker˚ u se generované z´ aˇren´ı odraz´ı zpˇet do kamery. Zde procház´ı optick´ ym filtrem, kter´ y propouˇst´ı jenom svˇetlo se stejnou charakteristikou, jakou má svˇetlo vyzaˇrované. Moˇznost pˇrizp˚ usobit citlivost kamery, n´ am umoˇzn ˇuje sn´ımat pouze retroreflexn´ı markery a ignorovat odlesky pokoˇzky a ostatn´ı neˇz´ adouc´ı odrazy. Systém pouˇz´ıvan´ y v laboratoˇri ch˚ uze dodala firma Vicon [14]. Jedná se konkrétnˇe o variantu Vicon MX. Z´ akladn´ı Vicon MX systém sn´ımán´ı pohyb˚ u (obr. 3.2) se sestává z osmi kamer rozm´ıstˇen´ ych v prostoru. Synchronizace a komunikace mezi jednotliv´ ymi kamerami je zajiˇstˇena prvkem zvan´ ym MX Ultranet. Ten slouˇz´ı také jako zdroj elektrické energie pro kamery. D´ıky velké sn´ımkové rychlosti kamer vzniká velké mnoˇzstv´ı objemn´ ych dat. PC stanici komunikuj´ıc´ı s kamerami je proto tˇreba propojit pˇres MX Ultranet vysokorychlostn´ım gigabitov´ ym ethernetem. V praxi existuj´ı i systémy s vˇetˇs´ım mnoˇzstv´ım kamer. U takto rozsáhl´ ych systém˚ u je tˇreba ˇreˇsit jejich správnou synchronizaci a komunikaci pˇridán´ım nov´ ych prvk˚ u do s´ıt’ové topologie. Pˇred samotn´ ym mˇeˇren´ı je zapotˇreb´ı kamery zkalibrovat. Proces kalibrace zahrnuje identifikaci vnitˇrn´ıch (ohniskov´ a vzd´ alenost a obrazové zkreslen´ı) a vnˇejˇs´ıch (pozice a orientace) parametr˚ u kamery. Ke kalibraci se vyuˇz´ıvá speciáln´ı h˚ ulka ve tvaru p´ısmene T s pˇeti markery. Ta se um´ıst´ı do prostoru ve kterém se poté bude sn´ımat pohyb a pomoc´ı softwaru v poˇc´ıtaˇci se provede kalibrace. Po kalibraci maj´ı kamery zmapovánu oblast ve které se nacházej´ı a znaj´ı svoj´ı vzájemnou polohu. Pˇri samotném sn´ımán´ı je pak d˚ uleˇzité, aby kaˇzd´ y marker vidˇely alespoˇ n dvˇe kamery. D´ıky tomu lze urˇcit polohu marker˚ u v prostoru. Známe - li polohu vˇsech marker˚ u ve scénˇe, uˇz n´ am nic nebrán´ı v zahájen´ı mˇeˇren´ı a dalˇs´ımu zpracován´ı dat ve specializovan´ ych softwarech.

´ PLOSINA ˇ 3.2. TLAKOVA AMTI OR6-7

21

Obr´ azek 3.2: Z´ akladn´ı Vicon MX systém s osmi kamerami. Zdroj: [11].

3.2 3.2.1

Tlakov´ a ploˇ sina AMTI OR6-7 Vyuˇ zit´ı

Tlakov´ a ploˇsina AMTI OR6-7 je nástroj umoˇzn ˇuj´ıc´ı detekovat s´ıly p˚ usob´ıc´ı na jej´ı povrch. Vzniku této ploˇsiny pˇredch´ azelo mnoho let v´ yzkumu a v´ yvoje. V´ ysledkem je zaˇr´ızen´ı s vysokou citlivost´ı a pˇresnost´ı. Proto se vyuˇz´ıvá také v brnˇenské laboratoˇri ch˚ uze, kde se zaznamen´ av´ a p˚ usoben´ı pacientova doˇslapu na ploˇsinu. V´ ysledné namˇeˇrené hodnoty maj´ı nemal´ y vliv na v´ yslednou anal´ yzu pacientovi ch˚ uze.

3.2.2

Popis zaˇ r´ızen´ı

Ploˇsina vyˇzaduje instalaci v m´ıstech odst´ınˇen´ ych od okoln´ıch vibrac´ı, které by mohly ovlivnit v´ ysledky mˇeˇren´ı. Dostateˇcné upevnˇen´ı je samozˇrejmost´ı. Jak rad´ı v´ yrobce, ploˇsina byla pˇriˇsroubov´ ana k p´ aru kolejnic, které byly dodány spoleˇcnˇe s ploˇsinou. Tyto kolejnice jsou zapuˇstˇeny do podlahy laboratoˇre a napevno pˇrilepeny dvousloˇzkov´ ym epoxy lepidlem. D´ıky tomu deska ploˇsiny nevystupuje nad u ´roveˇ n zemˇe laboratoˇre. Ploˇsina mˇeˇr´ı s´ıly a momenty p˚ usob´ıc´ı na jej´ı povrch. Zaˇr´ızen´ı umoˇzn ˇuje tyto s´ıly a momenty rozloˇzit do tˇr´ıdimenzion´ aln´ıho souˇradného systému podle os X, Y a Z. Na v´ ystupu je tak ˇsest sloˇzek odpov´ıdaj´ıc´ı tˇrem moment˚ um Mx , My a Mz a sloˇzkám s´ıly Fx , Fy a Fz . Ploˇsina AMTI OR6-7 vyuˇz´ıv´ a souˇradného systému s pravidlem pravé ruky. Viz. obrázek 3.3. Podle pravidla pravé ruky smˇeˇruje kladná osa X ve smˇeru palce, ukazovák ukazuje kladn´ y smˇer osy Y a ohnut´ y prostˇredn´ık kladn´ y smˇer osy Z. V tomto pˇr´ıpadˇe je kladná osa Z ploˇsiny smˇeˇrov´ ana dol˚ u, kladn´ a osa Y je orientována v opaˇcném smˇeru neˇz je um´ıstˇen konektor pro pˇripojen´ı a kladn´ a osa X smˇeˇruje pˇri pohledu kladné osy Y doleva. Uvnitˇr ploˇsiny jsou um´ıstˇeny tenzometry. Tenzometr je pˇr´ıstroj umoˇzn ˇuj´ıc´ı mˇeˇren´ı tenze, coˇz je napˇet´ı nebo tlak vyvolan´ y vnˇejˇs´ım p˚ usoben´ım. K mˇeˇren´ı se vyuˇz´ıvá ˇcidlo, které zaznamen´ av´ a mechanické prodlouˇzen´ı tenk´ ych kovov´ ych drátk˚ u, ze kter´ ych se tenzometr skl´ ad´ a.

22


Obr´ azek 3.3: Souˇradn´ y systém ploˇsiny AMTI. Zdroj: [12].

Zmˇeny mechanického prodlouˇzen´ı jsou tenzometrem pˇrevádˇeny na zmˇeny elektrického odporu. Dojde - li k takové zmˇenˇe, je vybuzen velmi mal´ y elektrick´ y signál, kter´ y je vyslán do s´ıt’ového mostu. Vˇsechny tenzometry jsou t´ımto mostem propojeny. V´ ystupn´ı analogov´ y signál z tenzometrového mostu mus´ı b´ yt zes´ılen, aby byl signál dostateˇcnˇe siln´ y pro dalˇs´ı zpracován´ı. Takov´ yto sign´ al je digitalizov´ an pomoc´ı A/D pˇrevodn´ıku. Je obecnˇe v´ yhodné m´ıt takto z´ıskaná data ve vhodn´ ych fyzik´ aln´ıch jednotkách. Je proto potˇreba aplikovat na z´ıskaná data správné mˇeˇr´ıtko. Po aplikov´ an´ı vhodného mˇeˇr´ıtka je moˇzno data zaˇc´ıt uchovávat a zobrazovat fin´ aln´ı v´ ysledky.

3.3 3.3.1

Sn´ım´ an´ı EMG Co je EMG?

Pˇri ˇcinnosti sval˚ u se vytv´ aˇr´ı malé mikrovoltové elektrické signály. Tyto elektrické signály je moˇzno mˇeˇrit procesem odbornˇe naz´ yvan´ ym jako elektromyografie neboli EMG. Jedná se o vyˇsetˇrovac´ı techniku, kter´ a napom´ ah´ a lékaˇr˚ um hodnotit funkˇcn´ı stav pohybového systému. Principem EMG je mˇeˇren´ı rychlosti veden´ı vzruchu ve stimulovaném nervu a velikost elektrické odpovˇedi na stimulace ve svalu. Vyˇsetˇren´ı se provád´ı bud’ jehlovou nebo konduktivn´ı technikou. Techniky se liˇs´ı ve zp˚ usobu z´ıskán´ı informace o svalu. Jehlová elektroda se zavád´ı vpichem pˇr´ımo do svalu a z´ısk´ av´ a informaci o jednotliv´ ych svalov´ ych vláknech. Oproti tomu kunduktivn´ı proces z´ısk´ av´ a informaci o celkovém stavu svalu. Vyuˇz´ıvá pˇritom elektrod um´ıstˇen´ ych na povrchu lidské k˚ uˇze. Pro pacienta je v´ yhodou neinvazivnost a bezbolestnost této metody. V´ ysledkem elektromyografie je EMG kˇrivka, která lékaˇr˚ um slouˇz´ı jako nástroj pro detailn´ı anal´ yzu.

´ Í EMG 3.3. SNÍMAN

3.3.2

23

Vyuˇ zit´ı v laboratoˇ ri ch˚ uze

Pˇri zkoum´ an´ı lidské ch˚ uze bylo zjiˇstˇeno, ˇze EMG poskytuje informace, které je tˇreba pˇri fináln´ım rozboru zohlednit. Tento vyˇsetˇrovac´ı postup se proto vyuˇz´ıvá i v brnˇenské laboratoˇri ch˚ uze. Systémy, poskytuj´ıc´ı moˇznost tohoto mˇeˇren´ı, dodala firma Noraxon [13], která se zab´ yv´ a EMG a senzorov´ ymi systémy. Pro svobodn´ y pohyb pacienta byla zvolena bezdrátov´ a technologie, kdy pacient má na sobˇe pˇripevnˇen vys´ılaˇc TeleMyo 2400T G2 (obr. 3.4) sn´ımaj´ıc´ı EMG konduktivn´ı metodou. Vys´ılaná data jsou zachycena pˇrij´ımaˇcem TeleMyo 2400R G2 (obr. 3.4) k dalˇs´ımu zpracován´ı.

3.3.3

Vys´ılaˇ c TeleMyo 2400T G2

TeleMyo 2400T G2 (obr. 3.4) je bezdrátov´ y pˇrenositeln´ y vys´ılaˇc nejnovˇejˇs´ı generace, umoˇzn ˇuj´ıc´ı sn´ımán´ı povrchového EMG a jin´ ych analogov´ ych signál˚ u v reálném ˇcase. Vys´ılané sign´ aly maj´ı dosah aˇz sto metr˚ u, ˇc´ımˇz zaˇr´ızen´ı zaruˇcuje pˇr´ıjem na dlouhé vzdálenosti a pacienta neomezuje v pohybu pˇr´ıpadnou kabeláˇz´ı. Systém zahrnuje ˇctyˇr, osmi, dvanácti a ˇsestn´ acti kanálovou vys´ılac´ı jednotku, aktivn´ı pˇredzes´ılené elektrody, nab´ıjeˇcku bateri´ı, pouzdro a opasek pro snadnˇejˇs´ı pˇripevnˇen´ı k pacientovi. Standardn´ı systém je vybaven 4, 8, 12 nebo 16 aktivn´ımi EMG senzory. Systém je navrˇzen tak, ˇze pˇridán´ım dalˇs´ıho vys´ılaˇce rozˇs´ıˇr´ı stávaj´ıc´ı systém aˇz na 32 kan´ al˚ u kombinuj´ıc´ıch EMG a jiné analogové signály. Prakticky lze pˇripojit jak´ ykoliv analogov´ y senzor, kter´ y je napájen +/- 5 V.

Obrázek 3.4: Vlevo: vys´ılaˇc TeleMyo 2400T G2, vpravo: pˇrij´ımaˇc TeleMyo 2400R G2. Zdroj:[13]

3.3.4

Pˇ rij´ımaˇ c TeleMyo 2400R G2

Pˇrenositeln´ y vys´ılaˇc TeleMyo 2400T G2 je tˇreba doplnit odpov´ıdaj´ıc´ım bezdrátov´ ym pˇrij´ımaˇcem signál˚ u. Pro potˇreby laboratoˇre ch˚ uze byl z nˇekolika moˇznost´ı vybrán pˇrij´ımaˇc TeleMyo 2400R G2 (obr. 3.4). Stanice poskytuje konverzi digitáln´ıch telemetrick´ ych dat na analogov´ y v´ ystupn´ı sign´ al. Kromˇe analogového v´ ystupu mohou b´ yt data z´ıskána v digitáln´ı formˇe pˇripojen´ım k PC pˇres USB rozhran´ı. Zaˇr´ızen´ı nab´ız´ı 32 kanál˚ u pro r˚ uzné mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje

24


vys´ılaj´ıc´ı telemetrick´ y sign´ al. Tyto kan´ aly slouˇz´ı pro pˇr´ıjem EMG a jin´ ych analogov´ ych dat, z´ıskan´ ych napˇr. z tlakové ploˇsiny nebo pˇr´ıstroj˚ u pro anal´ yzu pohybu. Uvnitˇr stanice je synchronizaˇcn´ı trigger poskytuj´ıc´ı ˇcasovou synchronizaci zaˇcátku mˇeˇren´ı dat vys´ılaˇce TeleMyo 2400T G2 s ostatn´ımi zaˇr´ızen´ımi v laboratoˇri ch˚ uze. V´ yhodou tohoto pˇrij´ımaˇce je moˇznost práce s vys´ılaˇcem TeleMyo 2400T G2 i bez nutnosti pˇripojen´ı k poˇc´ıtaˇci.

3.4

Digit´ aln´ı video kamery

V laboratoˇri ch˚ uze se také vyskytuj´ı dvˇe digitáln´ı video kamery. Jsou zde um´ıstˇeny kv˚ uli reálnému záznamu pacientovi ch˚ uze. Tento referenˇcn´ı záznam je pˇri závˇereˇcné anal´ yze taktéˇz zohlednˇen. Kaˇzd´ a kamera sn´ım´ a pr˚ ubˇeh jit´ı z jiné strany. Jedna zaznamenává ch˚ uzi z boˇcn´ıho pohledu, druh´ a z ˇceln´ıho.

Kapitola 4

Softwarov´ e vybaven´ı laboratoˇ re ch˚ uze Cel´ y proces zpracov´ an´ı a vyhodnocován´ı biometrick´ ych dat obstarávaj´ı dvˇe hlavn´ı aplikace. Jedná se o Vicon Nexus a Vicon Polygon. Tyto aplikace bˇeˇz´ı na operaˇcn´ım systému Microsoft Windows XP. Vicon Nexus by se dal pˇrirovnat k rozhran´ı, umoˇzn ˇuj´ıc´ı obsluhuj´ıc´ımu person´ alu ovl´ adat hardwarové vybaven´ı laboratoˇre. Pˇritom poskytuje prostˇredky k záznamu informace z´ıskané z motion capturov´ ych kamer, tlakové ploˇsiny, EMG a pomocn´ ych DV kamer. Oproti tomu Vicon Polygon slouˇz´ı jako interaktivn´ı vizualizaˇcn´ı a reportovac´ı nástroj, vhodn´ y pro anal´ yzu a vizualizaci zaznamenan´ ych 3D dat. Polygon um´ı ˇc´ıst data vytvoˇren´ a Vicon Nexusem, kter´ a obsahuj´ı modelová data vytvoˇrená biomechanick´ ym modelaˇcn´ım softwarem (Plug-in Gait 4.1). V´ ysledná vizualizace a závˇereˇcná zpráva spoleˇcnˇe dovoluj´ı prezentovat v´ ysledky nasn´ıman´ ych dat, ze kter´ ych se poté stanov´ı pacientova diagnóza a následuj´ıc´ı postup léˇcby. Polygon umoˇzn ˇuje sjednotit vˇsechny z´ıskané informace (grafy, ilustraˇcn´ı videa, 3D renderovanou grafiku, pozn´ amky, atd.) do jednoho reportu.

4.1

Vicon Nexus

Vicon Nexus je specifick´ y software pouˇz´ıvan´ y pro v´ yzkumnou ˇcinnost v oblasti sn´ım´ an´ı pohybu. Vicon Nexus byl od zaˇc´ atku vyv´ıjen pro vˇedecké u ´ˇcely. D´ıky tomu umoˇzn ˇuje snadnˇe a flexibilnˇe prov´ adˇet kaˇzdodenn´ı rutinn´ı u ´koly. Nexus je jednoduch´ y na nauˇcen´ı a pouˇz´ıván´ı. Byl vyv´ıjen podle modern´ıch princip˚ u uˇzivatelského rozhran´ı. Pouˇz´ıvané nástroje a nastaven´ı jsou jasnˇe a logicky rozm´ıstˇeny a d´ıky tomu mohou b´ yt nalezeny na m´ıstech, kde se jejich v´ yskyt oˇcekává. Nic nen´ı skryto v nejasn´ ych menu nebo dialoz´ıch. Jedn´ a se o real time aplikaci, která dokáˇze zobrazovat v reálném ˇcase informaci o markerech, analogov´ a data, referenˇcn´ı videozáznam, stejnˇe jako souˇcasn´ y stav zaˇr´ızen´ı. Velice zaj´ımavou schopnost´ı Vicon Nexusu je moˇznost pˇrekryt´ı videozáznamu z DV kamery 3D informac´ı. Do videozáznamu tak m˚ uˇze b´ yt prom´ıtnut silov´ y vektor doˇslapu sn´ımané osoby nebo pozice sn´ıman´ ych marker˚ u.

25

26

´ VYBAVENÍ LABORATORE ˇ CHUZE ˚ KAPITOLA 4. SOFTWAROVE

Obr´ azek 4.1: Okno aplikace Vicon Nexus.

Pˇri prvn´ım spuˇstˇen´ı Vicon Nexusu je zapotˇreb´ı provést konfiguraci vˇsech systém˚ u. Jelikoˇz tento dokument nen´ı prim´ arnˇe zamˇeˇren na optické systémy a jejich nastaven´ı, budou nast´ınˇeny pouze podstatné parametry: • Kvalitn´ı nasn´ım´ an´ı pozic retroreflexn´ıch marker˚ u ovlivˇ nuje nastaven´ı Grayscale Mode, které ˇr´ık´ a jak´ a data budou posl´ ana z kamery do poˇc´ıtaˇce. • Maximum Blob Height ud´ av´ a jak´ y je maximáln´ı poˇcet vertikáln´ıch pixel˚ u markeru, kter´ y senzor kamery jeˇstˇe pˇrijme. • Camera Strobe Intensity mˇen´ı mnoˇzstv´ı emitovaného svˇetla kamery. • Camera Threshold urˇcuje jak jasn´ y odraz od markeru je pˇrijateln´ y kamerou. Dále je zapotˇreb´ı v Nexusu pˇridat a nakonfigurovat tlakovou ploˇsinu a EMG zaˇr´ızen´ı. U tlakové ploˇsiny je tˇreba nastavit vlastn´ı identifikaci - unikátn´ı jméno nebo jin´ y identifikátor, zdroj - specifikuj´ıc´ı fyzické pˇripojen´ı zaˇr´ızen´ı, pozici geometrického stˇredu ve vztahu k poˇcátku sn´ımané oblasti a pˇriloˇzit kalibraˇcn´ı soubor, dodávan´ y s ploˇsinou. Po pˇridán´ı nového EMG zaˇr´ızen´ı do Vicon Nexusu se nastav´ı jeho identifikace a zdroj stejnˇe jako u tlakové ploˇsiny, nav´ıc se jeˇstˇe urˇc´ı poˇcet jeho kanál˚ u. Jeˇstˇe zb´ yv´ a pˇrid´ an´ı a nastaven´ı DV kamer, slouˇz´ıc´ıch k reálnému náhledu na ch˚ uzi pacienta. Pokud to kamera umoˇzn ˇuje, lze nastavit sn´ımkovou frekvenci, ohniskovou vzdálenost optiky DV kamer a jin´ a nastaven´ı. Po proveden´ı vˇsech potˇrebn´ ych nastaven´ı, je nutnost´ı kalibrace systému. V´ yrobce doporuˇcuje kalibraci na zaˇc´ atku kaˇzdého dne, kdy se provád´ı mˇeˇren´ı a to jak motion capturov´ ych kamer, tak i DV kamer. Kalibrace motion capturov´ ych kamer byla nast´ınˇena v sekci

4.2. VICON POLYGON

27

3.1.2. Kalibrace DV kamer se provád´ı podobn´ ym zp˚ usobem. Taktéˇz se pouˇz´ıvá h˚ ulka ve tvaru p´ısmene T s pˇeti markery. Je-li systém nakonfigurován, nic nebrán´ı v záznamu dat.

Plug-in Gait Souˇcást´ı Vicon Nexusu je Plug-in Gait. Plug-in Gait je biomechanick´ y model implementuj´ıc´ı konvenˇcn´ı model ch˚ uze (viz. text z kapitoly 2). Ten umoˇzn ˇuje v´ ypoˇcet kloubn´ı kinematiky a kinetiky na z´ akladˇe pozice marker˚ u a antropometrick´ ych mˇeˇren´ı pacienta tak, jak je pops´ ano v kapitole 2.

4.2

Vicon Polygon

Vicon Polygon je vizualizaˇcn´ı a reportovac´ı nástroj slouˇz´ıc´ı k anal´ yze nasn´ıman´ ych 3D dat. Poskytuje jednotné prostˇred´ı, ve kterém uˇzivatelé mohou zobrazovat pohyb, pouˇz´ıvat grafy, psát strukturované texty, pˇrehr´ avat videa a vyuˇz´ıvat dalˇs´ı poskytované funkce k u ´plné anal´ yze hybnosti pacienta. Pˇritom Polygon dokáˇze v´ ysledky reprodukovat v elektronické nebo tiˇstˇené podobˇe.

4.2.1

Muskuloskelet´ aln´ı syst´ em

Kl´ıˇcov´ ym prvkem Vicon Polygonu je Musculoskeletal Modeling Module. Tento modul poskytuje funkce pro anal´ yzu muskuloskeletáln´ıho systému, nˇekdy naz´ yvaného jako lokomoˇcn´ı systém. V z´ asadˇe tento systém m˚ uˇzeme rozdˇelit na systém sval˚ u, kter´ y je vlastn´ım vykonavatelem pohybu a systém kost´ı, kam kromˇe kost´ı m˚ uˇzeme zaˇradit klouby, vazy a ˇslachy. Tento komplexn´ı systém je velice d˚ uleˇzit´ y pro správné drˇzen´ı tˇela a samotn´ y pohyb ˇclovˇeka. Polygon je proto velmi cenn´ ym nástrojem pro diagnostikován´ı poruch muskuloskeletáln´ıho systému pacient˚ u. Skelet´ aln´ı model Velmi d˚ uleˇzitou souˇc´ ast´ı kaˇzdého muskuloskeletáln´ıho modulu je vlastn´ı geometrie a hierarchie kostry. Muskuloskelet´ aln´ı modely Polygonu (a soubory které je definuj´ı) obsahuj´ı popis kostry jako sekvenci kost´ı spojenou klouby. Svaly Svaly jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ˇc´ ast´ı muskuloskeletáln´ıho modelu. Jejich pozice, délky a ostatn´ı charakteristiky jsou urˇcené 3D daty nasn´ıman´ ymi Vicon Nexusem, jeˇz dávaj´ı nahlédnout do jejich biomechanického chov´ an´ı. Modelované svaly jsou pops´ any jejich napojen´ım ke kost´ım kostry v normalizovaném souˇradném systému segmentu. Jedná se o standardn´ı postup kdy pozice napojen´ı jsou dˇeleny délkou kosti tak, aby tyto pozice mohly b´ yt mapovány na kosti odliˇsn´ ych délek a tud´ıˇz i na r˚ uzné pacienty.

´ VYBAVENÍ LABORATORE ˇ CHUZE ˚ KAPITOLA 4. SOFTWAROVE

28

Obrázek 4.2: Okno aplikace Vicon Polygon s popsan´ ym uˇzivatelsk´ ym rozhran´ım. Zdroj: [10]

Sval je pops´ an sv´ ym poˇc´ atkem (muscle origin) a koncem (muscle insertion). Muscle origin je napojen´ı na kost, které se pˇri kontrakci svalu neh´ ybe, zat´ımco muscle insertion odpov´ıdá konci svalu pˇripojeného k pohybuj´ıc´ı se kosti, pˇri jehoˇz kontrakci se mˇen´ı jeho poloha. Svaly mohou b´ yt pops´ any svalov´ ym modelem, kter´ y stanovuje jak se mohou mˇenit s´ıly které sval produkuje, v z´ avislosti na jeho délce a rychlosti zkrácen´ı. K tˇemto kalkulac´ım se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıv´ a Hill˚ uv model svalu. Kromˇe vlastn´ıho modelu, má kaˇzd´ y sval také unikátn´ı parametry, které pˇrizp˚ usobuj´ı mˇeˇr´ıtko modelu podle velikosti, délky a typu svalu. V´ıce informac´ı o této problematice se m˚ uˇzete doˇc´ıst v textu od F. E. Zajaka [16].

4.2.2

Tˇ eˇ ziˇ stˇ e

Vicon Polygon disponuje moˇznost´ı zobrazen´ı tˇeˇziˇstˇe (center of mass) a vykreslen´ı souˇradnic jednotliv´ ych kost´ı segmentu nebo celého tˇela. To dovoluje analyzovat rovnováhu, posturiku a energii lidského pohybu.

Kapitola 5

Postup sn´ıman´ı pohybu v laboratoˇ ri ch˚ uze Nejprve je tˇreba objasnit a ˇcten´ aˇre seznámit s typy soubor˚ u, které se poˇz´ıvaj´ı k vytv´ aˇren´ı model˚ u a zaznamen´ an´ı informac´ı o pacientovi. Jedná se pˇredevˇs´ım o soubory s koncovkami .vst, .vsk, .mkr a .mp. N´ asleduje jejich popis: Vicon Skeleton Template (.vst) - ˇsablona která specifikuje obecné vztahy mezi segmenty tˇela a klouby. Zahrnuje: • jména jednotliv´ ych marker˚ u (napˇr. ANK, KNE), • kostern´ı strukturu sn´ımaného subjektu (napˇr. spojen´ı pánve a stehna, stehna a holenˇe), • vztah mezi markery a strukturou kostry (napˇr. LASI marker patˇr´ı do segmentu p´ anve), • typ kloub˚ u spojuj´ıc´ı jednotlivé segmenty (napˇr. kulovité, válcovité,...), • dalˇs´ı vlastnosti segment˚ u, marker˚ u a kloub˚ u (napˇr. barva kterou jsou v 3D pracovn´ı ploˇse segmenty zv´ yraznˇeny, atd.) Vicon Skeleton (.vsk) - vznik´ a aplikován´ım mˇeˇr´ıtka konkrétn´ıho pacienta na Vicon Skeleton Template. Tento soubor se vytváˇr´ı individuálnˇe pro kaˇzdého pacienta. Vicon Marker File (.mkr) - soubor, kter´ y specifikuje oznaˇcen´ı pouˇz´ıvané pro markery. Nexus tento soubor vytv´ aˇr´ı automaticky, kdyˇz se vytváˇr´ı Vicon Skeleton Template. Vicon Model Parameters File (.mp) - soubor, kter´ y uchovává statické informace o pacientovi (v´ yˇska, hmotnost,...).

29

30

5.1

ˇ CHUZE ˚ KAPITOLA 5. POSTUP SNÍMANÍ POHYBU V LABORATORI

Nasn´ım´ an´ı dat

Jak bylo zm´ınˇeno v pˇredchoz´ı kapitole, k sn´ımán´ı pacientovi ch˚ uze se vyuˇz´ıvá aplikace zvaná Vicon Nexus. Pokud byla provedena u ´spˇeˇsná kalibrace systému, m˚ uˇze b´ yt provedeno mˇeˇren´ı. Pracovn´ı postup sn´ım´ an´ı ch˚ uze pomoc´ı Vicon Nexus s Plug-in Gait se skládá z následuj´ıc´ıch ˇcást´ı:

5.1.1

Pˇ r´ıprava subjektu

V prvé ˇradˇe je zapotˇreb´ı vybrat správn´ y Vicon Skeleton Template. Vicon Nexus v sobˇe implementuje nˇekolik ˇsablon pro sn´ım´ an´ı lidské ch˚ uze. Pro potˇreby laboratoˇre ch˚ uze z Fakultn´ı dˇetské nemocnice J.G. Mendela v Brnˇe byla za vyhovuj´ıc´ı shled´ ana ˇsablona OxfordFootModel BILATERAL.vst. Ta obsahuje popis doln´ı ˇcásti lidského tˇela zaloˇzeného na OFM popsaného v dˇr´ıve zm´ınˇeném textu 2.1.4. V systému je kaˇzd´ y pacient reprezentován stromem, jehoˇz koˇren obsahuje jméno pacienta. Strom je dále tvoˇren podstromy obsahuj´ıc´ımi informaci o markerech, segmentech tˇela, kloubech a v´ ystupn´ıch hodnotách, které generuje Plug-in Gait 4.1. Po vytvoˇren´ı nového stromu, potˇrebuje Nexus znát pacientovi antropometrické parametry. Ty se jednoduˇse vypln´ı do vstupn´ıch pol´ı v záloˇzce pacienta. V této fázi m˚ uˇze obsluhuj´ıc´ı person´ al pˇripevnit retroreflexn´ı markery na pacienta zp˚ usobem popsan´ ym v kapitole 2. Jsou-li pˇripevnˇeny markery k pacientovi, vytvoˇr´ı se statick´ y záznam a zrekonstruuj´ı se markery v systému. Tento krok je nutn´ y k vytvoˇren´ı 3D reprezentace Obrázek 5.1: Zv´ yraznˇené pacienta ve Vicon Nexusu. Pˇri vytváˇren´ı statického záznamu povinné hodnoty antropo- by mˇel pacient stát v sn´ımané oblasti v neutráln´ı statické metrick´ ych parametr˚ u. p´ oze, jako je póza ve tvaru p´ısmene T. Po vytvoˇren´ı statického z´ aznamu se mus´ı oznaˇcit rekonstruované 3D markery, aby se asociovaly s tˇemi definovan´ ymi v ˇsablonˇe OxfordFootModel BILATERAL.vst. Na v´ ybˇer je bud’ automatické nebo manu´ aln´ı oznaˇcen´ı. Poté se jeˇstˇe spust´ı kalibraˇcn´ı proces, kter´ y pˇrizp˚ usob´ı Vicon Skeleton Template pro právˇe sn´ımaného pacienta. Kdyˇz uˇz je pacient zkalibrován, Nexus vytvoˇr´ı pacient˚ uv specifick´ y Vicon Skeleton (.vsk) popisuj´ıc´ı sadu jeho marker˚ u. Po uloˇzen´ı pacientova Vicon Skeletonu m˚ uˇzeme uskuteˇcnit tolik dynamick´ ych záznam˚ u kolik potˇrebujeme.

´ Í DAT 5.1. NASNÍMAN

5.1.2

31

Sn´ım´ an´ı a zpracov´ an´ı dynamick´ eho z´ aznamu

Pˇri sn´ım´ an´ı a zpracov´ an´ı dynamického záznamu pacienta se provád´ı n´ asleduj´ıc´ı: Sn´ım´ an´ı dynamick´ eho z´ aznamu - jedná se o sn´ımán´ı dat bˇehem kterého se pacient, na nˇemˇz jsou rozm´ıstˇeny markery podle specifikace ve Vicon Skeleton (.vsk), proch´ az´ı ve sn´ımaném prostoru. Rekonstrukce a automatick´ e oznaˇ cen´ı marker˚ u - Vicon Nexus pouˇz´ıv´ a .vsk soubor k automatickému oznaˇcen´ı marker˚ u dynamického z´ aznamu. Pokud automatické oznaˇcen´ı marker˚ u selˇze, mus´ı se pouˇz´ıt oznaˇcen´ı manuáln´ı. D´ıky rekonstrukci marker˚ u mohou b´ yt spoˇc´ıtány lokáln´ı souˇradné systémy jednotliv´ ych segment˚ u (viz. obr. 5.2). Oznaˇcené markery potom slouˇz´ı ke kalkulaci kloubn´ı kinematiky a kinetiky, kterou má na starosti Plug-in Gait. D´ ale je zapotˇreb´ı na ˇcasové ose oznaˇcit sn´ımek, kdy nastal pacient˚ uv doˇslap a opuˇstˇen´ı ˇspiˇcky chodidla od zemˇe. Vhodné je také oˇr´ıznut´ı ˇcasové osy záznamu zleva, popˇr´ıpadˇe zprava tak, aby na záznamu nebyly okamˇziky, Obrázek 5.2: Zrekonstruovan´ y které nejsou pro anal´ yzu potˇrebné. záznam.

5.1.3

Pˇ rezkoum´ an´ı a v´ yplˇ n mezer

Bˇehem vytv´ aˇren´ı dynamického záznamu se m˚ uˇze stát, ˇze nˇekteré markery jsou na kr´ atk´ y okamˇzik zast´ınˇeny a ˇz´ adn´ a z kamer jejich pozici nezachyt´ı. Tento okamˇzik je ve v´ ysledné trajektorii oznaˇcov´ an jako trhlina nebo mezera, která má trván´ı nˇekolika sn´ımk˚ u. Vicon Nexus poskytuje prostˇredky jak tyto mezery dopoˇc´ıtat. Opˇet máme na v´ ybˇer mezi automatick´ ym nebo manu´ aln´ım postupem. Pˇri automatickém dopoˇc´ıtán´ı se stanov´ı maxim´ aln´ı velikost mezer, které se maj´ı dopoˇc´ıtat. Tato operace je zaloˇzena na kubické interpolaci kˇrivky. Je proto vhodné omezit maximáln´ı velikost mezer na pomˇernˇe n´ızk´ y poˇcet sn´ımk˚ u. Typicky 10% sn´ımkové frekvence. Pˇri vyˇsˇs´ım poˇctu sn´ımk˚ u docház´ı k nepˇresnosti v´ ypoˇctu. Neodstran´ı-li automatick´ y postup vˇsechny mezery, mus´ı se jednotlivé mezery vyplnit bud’ pomoc´ı nˇejakého vzoru, tzn. stejnou ˇcást´ı podobné trajektorie bez mezer (ˇcasto se vyuˇz´ıv´ a u marker˚ u p´ anve, které maj´ı shodnou trajektorii) nebo pro velké mezery pouˇz´ıt spline kˇrivku.

5.1.4

Export dat

Po u ´pravˇe nasn´ıman´ ych dat m˚ uˇzeme provést jejich export. Vyexportovaná biometrická data jsou n´ aslednˇe k dispozici pro Vicon Polygon, kde se dále analyzuj´ı. Vicon Nexus poskytuje nˇekolik operac´ı pro import a export dat z/do souboru. Pro naˇse u ´ˇcely jsou podstatné následuj´ıc´ı operace: Export 3D Overlay Video - tato operace exportuje referenˇcn´ı video z DV kamer ve form´ atu AVI, pˇriˇcemˇz jeˇstˇe m˚ uˇze video obraz doplnit o náhled 3D pracovn´ı plochy. M˚ uˇze tak b´ yt do video nahr´ avky prom´ıtnut napˇr. vektor s´ıly doˇslapu pacienta.

32


Export C3D - jedn´ a se o export dat nasn´ıman´ ych motion capturov´ ymi kamerami (tzn. markery a jejich trajektorie). Zde jsou také v´ ystupn´ı parametry (kinetika a kinematika) spoˇctené Plug-in Gaitem. Vˇse je uloˇzeno do C3D formátu. Export MP - exportuje parametry vyˇsetˇrovaného pacienta (v´ yˇska, váha, délka nohy,...) do .MP souboru. Export XCP - umoˇzn ˇuje export kalibraˇcn´ıch informac´ı provedeného záznamu do kalibraˇcn´ıho souboru .XCP.

5.2

Zpracov´ an´ı vyexportovan´ ych dat

Soubory vyexportované z Vicon Nexusu, se vyuˇz´ıvaj´ı v aplikaci Vicon Polygon pro biomechanické vizualizace. Pˇredevˇs´ım C3D a VST/VSK soubory, dále MKR soubor s popisem vyuˇz´ıvan´ ych marker˚ u. Jak bylo zm´ınˇeno v pˇredchoz´ı kapitole, Vicon Polygon poskytuje funkce pro vypracován´ı závˇereˇcné zpr´ avy. Ta m˚ uˇze obsahovat texty, videozáznamy z DV kamer, grafy, 3D data, jeˇz lze zobrazit v 3D pracovn´ı ploˇse a dalˇs´ı poloˇzky. Vˇetˇsina obsahu je tvoˇrena právˇe daty z Vicon Nexusu. ˇ Velice v´ yhodn´ a se jev´ı moˇznost vytvoˇren´ı vlastn´ı ˇsablony reportu. Sablona definuje hieˇ rarchickou strukturu a obsah reportu. Sablona obsahuje typy soubor˚ u a odkazy, které maj´ı b´ yt zahrnuty do vˇsech novˇe vznikaj´ıc´ıch report˚ u.

5.2.1

Popis uˇ zivatelsk´ eho rozhran´ı

Pohodlné a intuitivn´ı vytv´ aˇren´ı z´ avˇereˇcné zprávy závis´ı na kvalitˇe uˇzivatelského rozhran´ı. Na obrázku 4.2 si m˚ uˇzete prohlédnout uˇzivatelské rozhran´ı aplikace Vicon Polygon. Jedná se o klasickou okenn´ı Windows aplikaci. V horn´ı ˇcásti okna je menu liˇsta s n´ astrojovou liˇstou. V doln´ı ˇc´ asti aplikace je ˇcasov´ a osa a stavov´ a liˇsta. V levé ˇcásti okna je navigace, která poskytuje snadné listov´ an´ı strukturou celého reportu. Dá se ˇr´ıci, ˇze toto rozm´ıstˇen´ı je standardn´ı pro takov´ yto typ aplikac´ı. Aplikace Vicon Polygon se stala podnˇetem pro tuto práci. Základn´ı myˇslenka tohoto programu je zcela spr´ avn´ a. Poskytnout lékaˇr˚ um nástroj, kter´ y jim umoˇzn´ı prezentovat a analyzovat biometrick´ a data a vytv´ aˇret a archivovat posudkové zprávy. Problém nen´ı ani tak ve funkˇcnosti, jako v samotném ovl´ adán´ı a moˇznostech vizualizace. Na trhu existuje velké mnoˇzstv´ı komerˇcn´ıch i nekomerˇcn´ıch aplikac´ı. Nˇekteré z nich disponuj´ı vˇetˇs´ı, nˇekteré menˇs´ı m´ırou pouˇzitelnosti (usability). Vicon Polygon svoj´ı pouˇzitelnost´ı patˇr´ı do podpr˚ umˇeru dneˇsn´ıch program˚ u. Ovládán´ı je pomˇernˇe krkolomné a obˇcas i frustruj´ıc´ı. Aby si ˇcten´ aˇr udˇelal pˇredstavu, budou uvedeny na následuj´ıc´ıch obrázc´ıch spoleˇcnˇe s popisem nˇekteré bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané operace. Nejprve obrázek 5.3 toho, jak nepˇrehlednˇe m˚ uˇze také Vicon Polygon vypadat:

´ Í VYEXPORTOVANYCH ´ 5.2. ZPRACOVAN DAT

33

Obr´ azek 5.3: Okno aplikace Vicon Polygon s v´ıce otevˇren´ ymi dialogy.

5.2.1.1

Zobrazen´ı a skryt´ı mnoˇ ziny kost´ı

Pro zobrazen´ı kost´ı v 3D pracovn´ı ploˇse je tˇreba v Data Object View (obr. 5.4) dvakr´ at kliknout lev´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi na poloˇzku Bones, pˇr´ıpadnˇe prav´ ym tlaˇc´ıtkem vyvolat kontextovou nab´ıdku a vybrat Show Objects. Co má ale uˇzivatel dˇelat, potˇrebuje - li mnoˇzinu v 3D ploˇse skr´ yt? Vˇetˇsina uˇzivatel˚ u by oˇcek´ avala, ˇze opˇetovn´ ym dvojklikem na poloˇzku Bones nebo moˇznost´ı v kontextovém menu, bude dosaˇzeno k´ yˇzeného efektu. Ovˇsem marnˇe. V kontextovém menu je pouze moˇznost jejich zobrazen´ı. Skryt´ı této mnoˇziny je moˇzné pouze po kliknut´ı lev´ ym a pak prav´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi na jednu z kost´ı v 3D pracovn´ı ploˇse a zvolen´ı moˇznosti Display Set > Remove z kontextové nab´ıdky (obr. 5.5). Zde Obrázek 5.4: Data Object View. je tˇreba zd˚ uraznit, ˇze nestaˇc´ı nam´ıˇrit kurzor myˇsi na jednu z kost´ı a pak kliknout prav´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi. Mus´ı se nejprve kost vybrat lev´ ym tlaˇc´ıtkem, jinak moˇznost Display Set nen´ı zobrazena. Na stejném principu funguje i zobrazov´ an´ı/skr´ yv´ an´ı ostatn´ıch prvk˚ u, jako jsou markery, bounding boxy a dalˇs´ı.

34


Obrázek 5.5: Kontextov´ a nab´ıdka v 3D pracovn´ı ploˇse. Zde zobrazena moˇznost pro skryt´ı mnoˇziny kost´ı.

5.2.1.2

Panel zobrazen´ı (View pane)

Na obr´ azku 5.3 si m˚ uˇzete vˇsimnout, jak m˚ uˇze vypadat zobrazen´ı v´ıce komponent v panelu zobrazen´ı. Zde m˚ uˇze b´ yt v jednom okamˇziku zobrazena 3D pracovn´ı plocha, ˇ adná z komponent n´ ahled video nahrávky, grafy atd. Z´ v sobˇe neobsahuje ikonku pro pˇr´ıpadnou minimalizaci nebo u ´plné uzavˇren´ı komponenty. Uzav´ırán´ı tˇechto komponent se ad´ı kliknut´ım na pˇr´ısluˇsnou ikonu v panelu nástroj˚ u. Obrázek 5.6: Dialog pro smaz´ an´ı prov´ T´ ım se zobraz´ ı dialogov´ e okno s v´ y zvou vybr´ a n´ ı komponenty, komponenty. kter´ a m´ a b´ yt odstranˇena (obr. 5.6). Aˇz poté se zvol´ı kompo’ nenta k uzavˇren´ı. Nejedn´ a se o u ´plnˇe nejˇst astnˇejˇs´ı ˇreˇsen´ı. Pro uzavˇren´ı takovéto komponenty by mˇelo staˇcit pouze jedno kliknut´ı.

5.2.1.3

Zobrazen´ı grafu (Graph View)

Práce s grafem je taktéˇz velice neintuitivn´ı. Chce - li uˇzivatel napˇr´ıklad zoomovat zobrazen´ y graf, mus´ı kliknout na jednu z os grafu prav´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi a zvolit jednu z moˇznost´ı z kontextové nab´ıdky Zoom Out / Zoom In. Zde je tˇreba podotknout, ˇze klikne - li se prav´ ym tlaˇc´ıtkem myˇsi do plochy grafu, zobraz´ı se u ´plnˇe jiná kontextová nab´ıdka neˇz ta na osách grafu. Co ale uˇzivateli m˚ uˇze nejv´ıce vadit, je pˇrecházen´ı mezi v procentech normalizovaném grafu a grafem odpov´ıdaj´ıc´ım celkovému trv´ an´ı záznamu ch˚ uze. Pˇri prvn´ım zobrazen´ı je vykreslen normalizovan´ y graf. Klikne-li se dvakr´ at na kˇrivku grafu, vykresl´ı se graf urˇcen´ y celkov´ ym ˇcasem záznamu. Jaké je pˇrekvapen´ı, kdyˇz opˇetovn´ y dvojklik nevrát´ı zpˇet normalizovan´ y graf. Opˇet je to ˇreˇseno na jiném m´ıstˇe a to ve zmiˇ novaném kontextovém menu osy grafu.

5.3. ZHODNOCENÍ APLIKACÍ

5.3

35

Zhodnocen´ı aplikac´ı

Vicon Nexus je ˇspiˇckov´ y komplexn´ı program pro z´ıskán´ı dat z r˚ uzn´ ych typ˚ u zaˇr´ızen´ı. Jeho podpora pro export dat ve vhodn´ ych formátech je excelentn´ı. Sv´ ymi vlastnostmi se ide´ alnˇe hod´ı pro potˇreby laboratoˇre ch˚ uze. Vicon Polygon m´ a sice skvˇelé vyhodnocovac´ı prostˇredky, ale kvalitu shazuje jeho nepˇr´ıvˇetivé uˇzivatelské rozhran´ı. Pˇritom tento nástroj je pro vyhodnocen´ı pacientovi ch˚ uze kl´ıˇcov´ y. Problém je ten, ˇze uˇz se d´ ale nevyv´ıj´ı. V d˚ usledku toho vzniká i tato práce, která by mˇela poloˇzit z´ aklad pro nov´ y a lepˇs´ı systém vizualizace biometrick´ ych dat.

36


Kapitola 6

Zobrazovaˇ c namˇ eˇ ren´ ych dat laboratoˇ re ch˚ uze Jak jiˇz bylo pops´ ano v pˇredchoz´ı kapitole 5, aplikace Vicon Polygon má znaˇcné nedostatky v oblasti uˇzivatelského rozhran´ı. Zároveˇ n zastaven´ı v´ yvoje tohoto softwaru nepˇrináˇs´ı nadˇeji, ˇze by mohlo doj´ıt ke zmˇen´ am a pˇr´ıpadn´ ym vylepˇsen´ım nebo rozˇs´ıˇren´ı aplikace. Po nabyt´ı znalost´ı uveden´ ych v pˇredchoz´ıch kapitolách a z´ıskán´ı pˇrehledu o funkc´ıch dostupn´ ych n´ astroj˚ u, pˇriˇslo na ˇradu vytvoˇren´ı funkˇcn´ıho prototypu aplikace, která se stane základem pro n´ asledn´ y v´ yvoj a koneˇcné nahrazen´ı aplikace Vicon Polygon. Aplikace dostala název Gait Data Viewer, d´ ale v textu zmiˇ nována jako GDV.

6.1

Rozbor v´ ystupn´ıho form´ atu biometrick´ ych dat

Existuje nˇekolik zp˚ usob˚ u jak uchovávat nasn´ımaná data motion capturov´ ymi systémy. Tom´ aˇs Solár ve své diplomové pr´ aci [9] zmiˇ nuje moˇzné varianty. Mezi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı patˇr´ı form´ aty BVA, BVH, ACM nebo C3D. Vicon Nexus vˇsak poskytuje uchován´ı dat pouze v C3D formátu. C3D (Coordinate 3D) formát je podmnoˇzinou v´ıce obecného ADTech souborového formátu. Byl navrˇzen Andrewem Dainisem k uchován´ı 3D koordinát a analogov´ ych dat spoleˇcnˇe s informacemi popisuj´ıc´ımi takto uloˇzená data. To vˇse v jednom souboru. Schopnost ukl´ adat velké mnoˇzstv´ı informac´ı o datech, je v´ yhoda, která odliˇsuje C3D formát od ostatn´ıch biomechanick´ ych form´ at˚ u. V d˚ usledku toho je v C3D souboru malé mnoˇzstv´ı obecnˇe spoleˇcn´ ych parametr˚ u, které popisuj´ı 3D data a pak libovolné mnoˇzstv´ı uˇzivatelem nebo laboratoˇr´ı definovan´ ych, vytvoˇren´ ych a uloˇzen´ ych datov´ ych poloˇzek. Vzhledem k tomu, ˇze C3D form´ at nen´ı v´ az´ an na konkrétn´ıho v´ yrobce, m˚ uˇzeme libovolnˇe pˇridávat nové parametry a pˇrizp˚ usobit ukl´ ad´ an´ı informace podle naˇsich potˇreb. V dneˇsn´ı dobˇe nach´ az´ı C3D formát uplatnˇen´ı právˇe v takov´ ych laboratoˇr´ıch, jako je zmiˇ novan´ a laboratoˇr ch˚ uze v Brnˇe. Formát má také ˇsiroké vyuˇzit´ı i v jin´ ych oblastech, ˇ pˇredevˇs´ım z´ abavn´ım a filmovém pr˚ umyslu. Rada 3D modeláˇr˚ u podporuje jeho naˇcten´ı. Jmenujme napˇr´ıklad komerˇcn´ı Autodesk Maya, Autodesk 3ds Max nebo open source model´ aˇr Blender.

37

38

6.1.1

ˇ NAME ˇ REN ˇ ´ ˇ CHUZE ˚ KAPITOLA 6. ZOBRAZOVAC YCH DAT LABORATORE

Z´ akladn´ı struktura C3D souboru

V uˇzivatelské pˇr´ıruˇcce [7] se uv´ ad´ı, ˇze C3D formát má tˇri základn´ı ˇcásti: Data - na této u ´rovni je C3D soubor jednoduch´ y binárn´ı soubor, kter´ y obsahuje surové 3D a analogové informace. Standard Parameters - jedn´ a se o implicitn´ı informace o surov´ ych 3D a analogov´ ych datech, které jsou potˇrebné k pˇr´ıstupu k u ´daj˚ um. Custom Parameters - zde jsou informace specifikuj´ıc´ı konkrétn´ı software, kter´ y C3D soubor vytvoˇril, pˇr´ıpadnˇe subjekt, kter´ y byl sn´ımán. Jedn´ım z c´ıl˚ u pˇri n´ avrhu C3D form´ atu bylo udˇelat ho jednoduch´ y pro listován´ı, prohledáván´ı popˇr´ıpadˇe modifikov´ an´ı parametr˚ u v C3D souboru. D´ıky tˇemto moˇznostem vyniká C3D formát schopnost´ı uchov´ avat velké mnoˇzstv´ı informace o datech. C3D formát tak kombinuje funkce pro ukl´ ad´ an´ı dat a z´ aroveˇ n nese charakteristiku databáze. Dalˇs´ım c´ılem pro C3D form´ at byla minimalizace poˇzadavk˚ u na u ´loˇzn´ı prostor, minimalizace poˇctu soubor˚ u potˇrebn´ ych k uchován´ı dat a poskytnut´ı dostateˇcné rychlosti a jednoduchého pˇr´ıstupu k obsahu souboru. C3D formát umoˇzn ˇuje opatˇrit kaˇzd´ y parametr unikátn´ım oznaˇcen´ım tak, aby jednotlivé funkce kaˇzdého parametru mohli b´ yt dokumentovány v samotném C3D souboru. To poskytuje flexibilitu pro uˇzivatele, kter´ y tak m˚ uˇze uchovávat velké mnoˇzstv´ı rozd´ıln´ ych dat a souvisej´ıc´ıch parametr˚ u v rámci jednoho C3D souboru, pˇri zachov´ an´ı m´ıry intern´ı dokumentace, která chyb´ı ve vˇetˇsinˇe ostatn´ıch formát˚ u. C3D formát nem´ a ˇz´ adn´ a limituj´ıc´ı kritéria na ukládaná data, typy nebo poˇcet parametr˚ u. Formát je lehce rozˇsiˇriteln´ y pro pˇrid´ an´ı dalˇs´ıch parametr˚ u a dat. Soubor C3D je v bin´ arn´ım form´ atu. Binárn´ı soubory, oproti ASCII soubor˚ um (textov´ ym), jsou efektivnˇejˇs´ı z hlediska ukl´ ad´ an´ı dat a pˇr´ıstupu k obsahu. Nicménˇe binárn´ı pˇr´ıstup k dat˚ um obecnˇe vyˇzaduje specifickou aplikaci, která nese detailn´ı znalosti o struktuˇre souboru a o tom jak jsou hodnoty dat v souboru uloˇzeny. Navzdory této komplikaci, je u ´ˇcinnost a rychlost pˇr´ıstupu k bin´ arn´ımu souboru jednoznaˇcnˇe pˇrevaˇzuj´ıc´ı v´ yhodou. C3D formát se d´ıky tomu stal jasnou volbou pro uchov´ an´ı biomechanick´ ych dat a parametr˚ u. Formát C3D zach´ az´ı s informac´ı, jako by patˇrila do jedné ze dvou tˇr´ıd: Fyzik´ aln´ı mˇeˇren´ı a Parametry, které se t´ ykaj´ı fyzik´ aln´ıho mˇeˇren´ı. Fyzik´ aln´ı mˇ eˇ ren´ı C3D specifikace poˇc´ıt´ a za fyzik´ aln´ı mˇeˇren´ı bud’ poziˇcn´ı informaci (3D souˇradnice) nebo numerická data (digitalizovan´ a analogov´ a informace). Kaˇzd´ y 3D koordin´ at je uloˇzen jako surov´ y (raw) X, Y a Z záznam s informac´ı o vzorku (tj. pˇresnost a pˇr´ıspˇevek jednotliv´ ych kamer). Kaˇzd´ y vzorek numerick´ ych dat m˚ uˇze obsahovat digitalizovanou analogovou informaci ze zdroje jako je EMG a tlakov´ a ploˇsina. Tyto vzorky jsou synchronizovány se vzorky 3D souˇradnic, takˇze je snadné urˇcit ˇc´ıselné hodnoty dat, které se vztahuj´ı ke kaˇzdé souˇradnici v rámci souboru.

´ ÍHO FORMATU ´ ´ 6.1. ROZBOR VYSTUPN BIOMETRICKYCH DAT

39

V d˚ usledku toho, mnoho C3D soubor˚ u obsahuje analogová a 3D data synchronizov´ ana sn´ımek po sn´ımku. To je velk´ a v´ yhoda oproti ostatn´ım formát˚ um, které obvykle uchov´ avaj´ı informace oddˇelenˇe ve v´ıce souborech. Uchováván´ı vˇsech informac´ı v jednom souboru d´ av´ a vˇetˇs´ı d˚ uvˇeru v data. Je snazˇs´ı z´ıskat relevantn´ı data a takovéto uchován´ı dat dává jistotu, ˇze data z v´ıce zdroj˚ u, jako jsou motion capturové kamery, tlakové ploˇsiny a EMG zaˇr´ızen´ı jsou synchronizov´ ana v ˇcase a 3D prostoru. Parametry Kromˇe 3D a numerické informace obsahuje C3D soubor také informace o datech, jako mˇerné jednotky, popisy marker˚ u atd. Nicménˇe, na rozd´ıl od jin´ ych formát˚ u, umoˇzn ˇuje C3D form´ at uloˇzen´ı takové informace jako jméno pacienta, diagnózy a dalˇs´ı poloˇzky, které mohou b´ yt specifické pro n´ asledné vyhodnocen´ı.

6.1.2

Popis C3D souboru

Data v C3D souboru jsou uloˇzena v 16-bitovém signed integer formátu nebo volitelnˇe ve formátu s plovouc´ı desetinou ˇc´ arkou. Formát dat m˚ uˇze b´ yt urˇcen v hlaviˇcce souboru na binárn´ı u ´rovni bez vytv´ aˇren´ı jak´ ychkoliv dohad˚ u o formátu dat. Pro kompatibilitu s r˚ uzn´ ymi operaˇcn´ımi systémy by mˇeli b´ yt vˇsechny C3D soubory povaˇzovány za konzistentn´ı bloky, které maj´ı délku 512 byt˚ u (nebo 256 byt˚ u pro 16-bit slova). Kaˇzd´ y C3D soubor mus´ı obsahovat minimálnˇe tˇri sekce informac´ı: Sekce hlaviˇcky (jeden 512 bytov´ y blok). Sekce parametr˚ u (jeden nebo v´ıce 512 bytov´ ych blok˚ u). Sekce 3D dat (jeden nebo v´ıce 512 bytov´ ych blok˚ u). Tabulka 6.1: Základn´ı struktura C3D souboru.

Hlaviˇ cka souboru (Header section) Prvn´ı sekc´ı C3D souboru je hlaviˇcka, která vˇzdy zaˇc´ıná blokem 1 (prvn´ı blok souboru). Prvn´ı slovo C3D souboru urˇcuje pozici sekce parametr˚ u, která zase obsahuje ukazatel na zaˇc´ atek sekce 3D dat, stejnˇe jako detailn´ı informace nezbytné k ˇcten´ı sekce s 3D daty a interpretaci obsahu. Nav´ıc hlaviˇcka d´ ale obsahuje duplicitn´ı záznamy z ˇrad parametr˚ u uloˇzen´ ych v sekci parametr˚ u a omezené mnoˇzstv´ı o událostech. Pozice sekce 3D dat, stejnˇe jako ostatn´ı d˚ uleˇzité atributy, by mˇely b´ yt vˇzdy naˇc´ıtány ze sekce parametr˚ u v C3D souboru. D˚ uvod proˇc pozice sekce s 3D daty a ostatn´ıch parametr˚ u je duplicitnˇe v hlaviˇcce souboru je ten, Obrázek 6.1: Obsah hlaviˇcky ˇze umoˇzn ˇuje jednoduch´ ym utilit´ am pˇristupovat k 3D dat˚ um vypsan´ y aplikac´ı VBC3DEditor. bez nutnosti naˇc´ıt´ an´ı a dek´ odov´ an´ı celé sekce parametr˚ u.

40


Sekce parametr˚ u (Parametr section) Sekce parametr˚ u obvykle zaˇc´ıná v C3D souboru blokem ˇc´ıslo 2, avˇsak nen´ı to nutnost´ı a mus´ıme poˇc´ıtat s t´ım, ˇze ne kaˇzd´ y C3D soubor je takto stavˇen. C3D specifikace vyˇzaduje aby sekce parametr˚ u zaˇc´ınala na zaˇcátku 512ti bytovém bloku, urˇceném ukazatelem v hlaviˇcce souboru. Sekce parametr˚ u m˚ uˇze b´ yt r˚ uznˇe dlouhá, ale obvykle má délku osm aˇz deset blok˚ u. Na obrázku 6.2 je vidˇet zv´ yraznˇená sekce parametr˚ u C3D souboru vyexportovaného Vicon Nexusem. Dále si m˚ uˇzete vˇsimnout, ˇze je vybrána skupina POINT, která popisuje 3D data. V pravé ˇcásti obrázku stoj´ı za zm´ınku seznam popsan´ ych marker˚ u (at’ uˇz fyzick´ ych nebo virtuáln´ıch) a jim pˇriˇrazen´ a unikátn´ı ˇc´ısla. Obrázek 6.2: Sekce parametru vypsaná aplikac´ı VBC3DEditor.

Sekce 3D dat (3D data section) C3D soubor obsahuje 3D souˇradnice marker˚ u a analogová data v sekci, která je obvykle um´ıstˇena na nˇejakém m´ıstˇe za sekc´ı parametr˚ u. Specifikace C3D ˇr´ık´ a, ˇze sekce 3D dat zaˇc´ıná 512 bytov´ ym blokem, na kter´ y ukazuje ukazatel POINT:DATA START v C3D parametrické sekci. 3D i analogová data maj´ı promˇenlivou délku podle mnoˇzstv´ı uloˇzen´ ych dat. C3D soubor m˚ uˇze obsahovat kombinaci 3D dat a analogové informace. Stejnˇe tak vˇsak m˚ uˇze obsahovat pouze jednu z nich. Na obrázku 6.3 je vidˇet sekce 3D dat, obsahuj´ıc´ı koordináty jednotliv´ ych marker˚ u. V pravé ˇcásti obrázku jsou vidˇet X, Y a Z souˇradnice ym sn´ımk˚ um. Obrázek 6.3: Sekce 3D dat vypsan´ a ap- odpov´ıdaj´ıc´ı jednotliv´ likac´ı VBC3DEditor.

6.2

Knihovna C3DServer SDK

Aby programátoˇri mohli jednoduˇse pracovat s daty uloˇzen´ ymi v binárn´ım C3D souboru, bylo zapotˇreb´ı vytvoˇrit n´ astroj umoˇzn ˇuj´ıc´ı k nim pˇristupovat. Takov´ ym nástrojem je C3DServer Software Development Kit (SDK) vyvinut´ y firmou Motion Lab Systems. C3DServer umoˇzn ˇuje pˇristupovat k dat˚ um v C3D souboru a pˇr´ıpadnˇe je editovat. C3DServer je navrˇzen´ y k práci na 32-bitovém operaˇcn´ım systému Microsoft Windows prostˇrednictv´ım technologie COM,

6.3. IMPLEMENTACE

41

pˇres jednoduché, dobˇre definované rozhran´ı. C3DServer eliminuje potˇrebu programátor˚ u, psát vlastn´ı k´ od podporuj´ıc´ı C3D formát na binárn´ı u ´rovni. V referenˇcn´ım manu´ alu [8] se p´ıˇse, ˇze jeho pouˇzit´ı je moˇzné v programech psan´ ych v jazyce Java, C/C++ ˇci Visual Basic. Pˇri implementaci GDV vˇsak nebyl ˇzádn´ y problém vyuˇz´ıt C3DServer SDK v aplikaci psané v jazyce C# a to d´ıky technologii COM od spoleˇcnosti Microsoft. D´ıky funkc´ım které C3DServer poskytuje, se programátor m˚ uˇze soustˇredit pouze na zpracov´ an´ı dat z C3D souboru a nemus´ı ˇreˇsit jak jsou data v souboru uchována. Jeˇstˇe je tˇreba zm´ınit, ˇze C3DServer SDK existuje ve dvou verz´ıch a to pro komerˇcn´ı a nekomerˇcn´ı vyuˇzit´ı. Implementace GDV vyuˇz´ıvá nekomerˇcn´ı verze, která se od komerˇcn´ı verze liˇs´ı pouze rychlost´ı vykon´ an´ı pˇr´ıkaz˚ u. Tomáˇs Solár ve své práci [9] p´ıˇse, ˇze se jedn´ ao 5ms zpoˇzdˇen´ı pˇri vol´ an´ı kaˇzdé funkce.

6.3

Implementace

Pro implementaci GDV byla zvolena technologie Microsoft XNA, spoleˇcnˇe s programovac´ım jazykem C#. Microsoft XNA je sada nástroj˚ u, která je urˇcená k v´ yvoji poˇc´ıtaˇcov´ ych her pro menˇs´ı v´ yvojové t´ ymy. Programuj´ı-li se hry napˇr´ıklad pomoc´ı technologie OpenGL nebo Microsoft DirectX, mus´ı se napsat kv˚ uli banáln´ım vˇecem pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı k´ odu. Framework XNA je postaven nad technologi´ı DirectX a obsahuje spoustu funkc´ı, které by program´ atoˇri jinak museli sami programovat. V´ yvojáˇri her se tak mohou soustˇredit na samotnou hern´ı logiku, tedy na to, co má hra dˇelat ve skuteˇcnosti. Pˇritom se nemus´ı zaj´ımat na jakém hardwaru hra pobˇeˇz´ı. Hry napsané v XNA mohou bˇeˇzet na operaˇcn´ım sytému Windows XP a novˇejˇs´ım, pˇr´ıpadnˇe na platformˇe Xbox 360. Nástroje které XNA poskytuje v´ yvojáˇr˚ um her, se osvˇedˇcili i pˇri v´ yvoji GDV. Co je zapotˇreb´ı k tomu, aby v˚ ubec tento framework mohl b´ yt pouˇz´ıván? Framework XNA [15] je obsaˇzen ve v´ yvojovém bal´ıku XNA Game Studio. Nejnovˇejˇs´ı verze nese oznaˇcen´ı 3.1 a je kompatibiln´ı i s nejnovˇejˇs´ım operaˇcn´ım systémem od Microsoftu, Windows 7. K jeho u ´spˇeˇsné instalaci je zapotˇreb´ı m´ıt nainstalované Microsoft Visual C# 2008 Express Edition, jehoˇz souˇcást´ı je i Microsoft .NET Framework 3.5.

Pozn´ amka k implementaci V rámci implementace GDV bylo zvoleno jen zobrazován´ı fyzick´ ych a virtuáln´ıch marker˚ u, které pˇredstavuj´ı klouby sn´ımaného pacienta. Jen pro pˇripomenut´ı, v´ ypoˇcet pozice tˇechto marker˚ u m´ a na starosti Plug-in Gait, popsan´ y v sekci 4.1. Prvotn´ı snahou bylo vykreslovat model kostry, jej´ıˇz pohyb by byl dán znalost´ı trajektorie kloub˚ u z C3D souboru. Takov´ yto typ u ´lohy se ˇreˇs´ı pomoc´ı inversn´ı kinematiky. Ta se vˇsak nepodaˇrila zavést do v´ ysledného kódu aplikace v d˚ usledku nedostatku hlubˇs´ı znalosti a také nezkuˇsenosti v oblasti implementace. V rámci ˇcasového harmonogramu nezbyl ˇcas pro doplnˇen´ı této znalosti a tak byla zvolena alternativn´ı cesta. Kaˇzdá kost je tedy realizov´ ana pomoc´ı pˇr´ımky mezi virtu´ aln´ımi markery pˇredstavuj´ıc´ımi klouby. V´ ysledkem této pr´ ace je tedy vizualizace fyzick´ ych a virtuáln´ıch marker˚ u znázorˇ nuj´ıc´ıch klouby a naznaˇcen´ı kost´ı. Pro pˇredstavu následuje sn´ımek (6.4) z fináln´ı aplikace Gait Data Viewer.

42


Obr´ azek 6.4: Sn´ımek obrazovky aplikace GDV pro vizualizace dat.

6.3.1

Z´ aklad aplikace

V této ˇcásti jsou pops´ any z´ akladn´ı metody, které XNA framework vyˇzaduje v kaˇzdé své aplikaci. Pˇritom bude rovnou pops´ ano co v aplikaci GDV obsahuj´ı. V konstruktoru tˇr´ıdy GaitDataViewer se vytv´ aˇr´ı struktury GraphicsDeviceManager (handle pro konfiguraci a správu grafick´ ych zaˇr´ızen´ı) a ContentManager (zajiˇst’uje správu naˇc´ıtán´ı extern´ıch binárn´ıch soubor˚ u). Po samotném spuˇstˇen´ı aplikace jsou po konstruktoru jeˇstˇe volány dvˇe funkce. Prvn´ı funkce Initialize() inicializuje glob´ aln´ı promˇenné jako transformaˇcn´ı matice kamery atd. Tou druhou metodou je LoadContent(), kde se naˇc´ıtaj´ı modely z extern´ıch soubor˚ u, jako je model retroreflexn´ıho markeru. Celá myˇslenka frameworku XNA je zaloˇzena na metodách Update() a Draw(). Tyto metody jsou pˇri spuˇstˇené aplikaci vol´ any ve smyˇcce. D´ıky tomu mohou b´ yt v metodˇe Update() neustále aktualizov´ any vˇsechny v´ ypoˇcty a zpracovány vstupy od uˇzivatele. V metodˇe Draw() jsou pak aktualizované promˇenné prom´ıtnuty do fináln´ıho vykreslen´ı sn´ımku na obrazovku.

6.3.2

Naˇ cten´ı C3D souboru

Pro naˇc´ıtán´ı bin´ arn´ıch C3D soubor˚ u byl vyuˇzit C3DServer SDK, popsan´ y v pˇredcházej´ıc´ı ˇcásti 6.2. Naˇc´ıt´ an´ı i pr´ ace s C3D souborem prob´ıhá ve tˇr´ıdˇe C3dData. Zde se naˇc´ıtá také .vsk soubor (5). Jedn´ a se o XML soubor, ve kterém jsou mino jiné uvedeny názvy fyzick´ ych

6.3. IMPLEMENTACE

43

marker˚ u a jejich barva, kterou maj´ı b´ yt zv´ yraznˇeny. D´ıky znalosti tˇechto marker˚ u mohou b´ yt vytˇeˇzeny z C3D souboru jejich pozice v jednotliv´ ych sn´ımc´ıch animace a poté b´ yt vykresleny. Dále bylo zapotˇreb´ı z´ıskat n´ azvy virtuáln´ıch marker˚ u pˇredstavuj´ıc´ı klouby. Tyto markery jsou spoleˇcnˇe s velk´ ym poˇctem dalˇs´ıch uvedeny v .mkr souboru (5). Jedná se o textov´ y soubor, kter´ y vˇsak nem´ a XML strukturu. Je zde vˇzdy ˇrádek po ˇrádku uveden název markeru s jeho popisem, pˇr´ıpadnˇe do jakého patˇr´ı segmentu. Musel by b´ yt naimplementován vlastn´ı zp˚ usob naˇc´ıtán´ı takovéhoto souboru, k ˇcemuˇz nebyl prostor. Z toho d˚ uvodu byla vytvoˇrena funkce kde se pozice tˇechto marker˚ u zjiˇst’uj´ı podle jejich ruˇcnˇe vypsan´ ych názv˚ u. Ano, nejedná se o u ´plnˇe nejlepˇs´ı ˇreˇsen´ı, ale pro v´ ysledn´ y prototyp je to v tuto chv´ıli postaˇcuj´ıc´ı. Jeˇstˇe mus´ı b´ yt zm´ınˇena jedna ne zcela standardn´ı záleˇzitost, která se v tˇr´ıdˇe C3dData objevuje. Jelikoˇz aplikace GDV pouˇz´ıvá Free verzi C3DServeru, je start aplikace dosti zdˇ adovˇe 2-3 minuty. Z´ louhav´ y. R´ aleˇz´ı ovˇsem na velikosti C3D souboru. Je to zp˚ usobeno t´ım, ˇze pˇri startu aplikace si do jednorozmˇerného pole aplikace ukládá pozice vˇsech marker˚ u ve vˇsech sn´ımc´ıch z´ aznamu. Pˇritom vyuˇz´ıvá funkc´ı z SDK C3DServer a jak bylo zm´ınˇeno dˇr´ıve, daˇ n za bezplatnou verzi je pomal´ a rychlost ˇcten´ı dat z C3D souboru. Obcház´ı se t´ım vˇsak vol´ an´ı tˇechto metod pˇri samotné vizualizaci, která by d´ıky této vlastnosti neodpov´ıdala poˇr´ızenému záznamu.

6.3.3

Zobrazovac´ı smyˇ cka

Jak bylo dˇr´ıve zm´ınˇeno, zobrazovac´ı smyˇcka je realizována metodou Draw(). V této metodˇe se volá metoda pro vykreslen´ı pˇr´ımek znázorˇ nuj´ıc´ıch kostru. Kaˇzdá kost je zakonˇcena virtu´ aln´ım kloubem. Mezi klouby pak staˇc´ı vykreslit pˇr´ımku pomoc´ı následuj´ıc´ıho pˇr´ıkazu: game.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives( PrimitiveType.LineList, // definuje jaky typ primitiv se bude vykreslovat vertices.ToArray(), // pole pozic kloubu 0, // zacneme prvnim kloubem v poli vertices.Count / 2); // skoncime poslednim Poté je na ˇradˇe vykreslen´ı vˇsech marker˚ u, at’ uˇz fyzick´ ych nebo virtuáln´ıch. Pro vykreslen´ı markeru se pouˇz´ıv´ a model koule vyexportovan´ y z modeláˇre Autodesk Maya do formátu FBX. Pro naˇctené modely z extern´ıho souboru byla vytvoˇrena tˇr´ıda ModelObject, která v sobˇe uchováv´ a informace specifické pro kaˇzd´ y objekt. Je zde metoda pro vykreslen´ı modelu, kter´ a je volána z hlavn´ı smyˇcky Draw(). Zobrazen´ı modelu realizuje následuj´ıc´ı kód: public void DrawModelObject() { foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes) { foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects) { // povoleni defaultniho osvetleni effect.EnableDefaultLighting();


44

// pokud to graficke zarizeni umoznuje, // melo by byt pouzito per-pixel osvetleni effect.PreferPerPixelLighting = true; effect.World = Matrix.CreateScale(scale) * Matrix.CreateTranslation(modelPosition);// effect.View = cameraViewMatrix; // effect.Projection = cameraProjectionMatrix; // if (this.isDiffuseChange) effect.DiffuseColor = diffuseColor; // } mesh.Draw();

svetova matice pohledova matice projekcni matice nastaveni difusni barvy

// vykreslit mesh

} } Protoˇze k struktur´ am marker˚ u je tˇreba pˇristupovat z v´ıce m´ıst v programu, byla vytvoˇrena tˇr´ıda podle návrhového vzoru singleton. Motivac´ı této tˇr´ıdy je uˇzit´ı pouze jedné instance v celém programu. Nach´ az´ı se zde datov´ a struktura Dictionary. Prvky vkládané do tohoto slovn´ıku jsou typu ModelObject a jsou identifikovány kl´ıˇcem, jehoˇz hodnota odpov´ıdá indexu markeru v C3D souboru. Pˇri vykreslován´ı jednotliv´ ych marker˚ u z hlavn´ı Draw() metody, se prolistuje cel´ y slovn´ık a nad kaˇzd´ ym markerem se zavolá dˇr´ıve uvedená metoda DrawModelObject(). D´ ale je uvedena ˇcást kódu hlavn´ı metody Draw(): // vykresleni kosti this.boneLines.DrawBones(cameraViewMatrix, cameraProjectionMatrix); // vykreselni vsech modelu ktere chceme vykreslit foreach (int i in DrawableModelsSingleton.Instance.ModelsDictionary.Keys) { DrawableModelsSingleton.Instance.ModelsDictionary[i]. CameraProjectionMatrix = cameraProjectionMatrix; DrawableModelsSingleton.Instance.ModelsDictionary[i]. CameraViewMatrix = cameraViewMatrix; DrawableModelsSingleton.Instance.ModelsDictionary[i].DrawModelObject(); }

Kapitola 7

Testov´ an´ı aplikace na re´ aln´ ych datech Naˇ cten´ı dat Aplikace Gait Data Viewer byla otestována na mnoˇzstv´ı vybran´ ych záznam˚ u, které byly poˇr´ızeny bˇehem instalace systém˚ u v brnˇenské laboratoˇri. GDV aplikaci byl vˇzdy pˇredloˇzen C3D soubor s odpov´ıdaj´ıc´ım .vsk souborem. Jedná se o soubory, které generuje Vicon Nexus (viz. sekce 5.1.4). Nejprve jsou naˇcteny jména fyzick´ ych marker˚ u z .vsk souboru. D´ıky znalosti jmen tˇechto marker˚ u pak mohou b´ yt naˇcteny z C3D souboru jejich pozice v jednotliv´ ych sn´ımc´ıch animace. Poté uˇz staˇc´ı naˇctená data pouze zobrazit.

Zobrazen´ı dat Aplikace GDV zobrazuje, trajektorie fyzick´ ych marker˚ u pˇripevnˇen´ ych k pacientovi bˇehem provádˇen´ı dynamického z´ aznamu. Dále zobrazuje virtuáln´ı markery pˇredstavuj´ıc´ı klouby, urˇcené na z´ akladˇe OFM 2.1.4. Mezi virtuáln´ımi markery jsou vykresleny pˇr´ımky znázorˇ nuj´ıc´ı kosti segment˚ u tˇela. Délka trv´ an´ı i rychlost pˇrehráván´ı animace byla porovnána s v´ ysledky, které prezentuje Vicon Polygon a byly shledány za totoˇzné.

Funkˇ cnost aplikace Aplikace GDV m˚ uˇze b´ yt povaˇzov´ ana za stabiln´ı. Jej´ı funkˇcnost nen´ı nijak limitována velikost´ı vstupn´ıho C3D souboru. Jedin´ a pot´ıˇz je v pomalém startu programu, kdy se naˇc´ıtá informace z C3D souboru. To je ovˇsem zp˚ usobeno nekomerˇcn´ı verz´ı knihovny C3DServer SDK, kter´ a je limitov´ ana rychlost´ı prov´ adˇen´ ych funkc´ı. Start aplikace tak zabere ˇrádovˇe 2 aˇz 5 min v závislosti na velikosti vstupn´ıho C3D souboru.

45

46

´ Í APLIKACE NA REALN ´ YCH ´ KAPITOLA 7. TESTOVAN DATECH

Kapitola 8

Z´ avˇ er V reˇserˇsn´ı ˇc´ asti bakal´ aˇrské pr´ ace bylo popsáno jak se urˇcuje v´ ysledná pozice doln´ı poloviny ˇ aˇr byl seznámen s hardwarov´ lidského tˇela v sn´ımané oblasti. Cten´ ymi a softwarov´ ymi systémy k zaznamen´ an´ı pacientovi ch˚ uze, pouˇz´ıvané v laboratoˇri ch˚ uze ve Fakultn´ı dˇetské nemocnici J. G. Mendela v Brnˇe. Byl zm´ınˇen postup sn´ımán´ı dat v laboratoˇri a rozebrány souborové formáty, které slouˇz´ı k uchov´ an´ı nasn´ıman´ ych dat. Poznatky o stávaj´ıc´ıch systémech a souˇcasn´ ych moˇznostech zobrazován´ı dat, byly vyuˇzity v závˇereˇcné implementaci.

Zhodnocen´ı pr´ ace Problematika lidské ch˚ uze spoleˇcnˇe s jej´ım zaznamenán´ım, vizualizac´ı a vyhodnocován´ım je velmi sloˇzit´ a a obs´ ahl´ a. D˚ ukazem toho je mnohalet´ y v´ yzkum v této oblasti, kter´ y zapoˇcal v 80-t´ ych letech 20. stolet´ı. D´ıky této práci jsem nahlédl do problematiky anal´ yzy lidské ch˚ uze. Sezn´ amil jsem se s prostˇred´ım laboratoˇre ch˚ uze a z´ıskal pˇrehled o moˇznostech sn´ım´ an´ı ´ eˇsnˇe jsem implementoval prototyp aplikace Gait Data Viewer, která umoˇzn pohybu. Uspˇ ˇuje vizualizaci nasn´ıman´ ych dat. Funkˇcnost aplikace jsem ovˇeˇril naˇcten´ım a zobrazen´ı reáln´ ych dat, namˇeˇren´ ych v laboratoˇri ch˚ uze. Bohuˇzel se do posledn´ı chv´ıle nepodaˇrilo pˇresvˇedˇcit veden´ı brnˇenské laboratoˇre ch˚ uze o prospˇeˇsnosti této pr´ ace. V d˚ usledku toho mi nebyl povolen pˇr´ıstup do laboratoˇre a nemohl jsem se proto sezn´ amit se systémy v provozu. Nemohl jsem ani konzultovat pˇr´ıpadné nejasnosti s obsluhuj´ıc´ım person´ alem, pˇr´ıpadnˇe samotn´ ymi lékaˇri. Byl jsem odkázán pouze na dostupnou literaturu. Pˇresto si mysl´ım, ˇze tento handicap kvalitu práce neovlivnil, pouze pozdrˇzel proces v´ yvoje, kdy jsem si musel z v´ıce zdroj˚ u doplnit znalosti, pˇredevˇs´ım z oblasti anatomie. Z v´ yˇse uveden´ ych d˚ uvod˚ u tak nezbylo mnoho ˇcasu na v´ yslednou implementaci aplikace GDV. Aplikaci, kterou spoleˇcnˇe s t´ımto textem pˇredkládám, jsem se proto snaˇzil koncipovat tak, aby se mohlo pokraˇcovat v jej´ım v´ yvoji. Mrz´ı mˇe, ˇze se nepodaˇrila naimplementovat inversn´ı kinematika modelu kostry, která by jeˇstˇe lépe ilustrovala skuteˇcn´ y pohyb pacienta. I pˇresto se vˇsak moje ˇreˇsen´ı bl´ıˇz´ı poˇzadovanému v´ ysledku.

47

48

´ ER ˇ KAPITOLA 8. ZAV

Budouc´ı vylepˇ sen´ı V rámci této pr´ ace byl poloˇzen z´ aklad aplikace pro vizualizaci biometrick´ ych dat. V dalˇs´ı fázi v´ yvoje je v pl´ anu implementace kostry pomoc´ı inversn´ı kinematiky. Dále bych chtˇel plnˇe vyuˇz´ıt vˇsech informac´ı obsaˇzen´ ych v souborech produkovan´ ych Vicon Nexusem. Jako zaj´ımavá myˇslenka se mi jev´ı prezentace závˇereˇcné zprávy na webu. Lékaˇri by tak nemuseli analyzovat data v prostor´ ach nemocnice, ale napˇr´ıklad v pohodl´ı domova nebo na jakémkoliv jiném m´ıstˇe. Dalˇs´ı moˇznost prezentace je prostˇrednictv´ım mobiln´ıho telefonu. Zn´ı to moˇzná troˇsku jako sci-fi, ale mobiln´ı telefony s operaˇcn´ı systémem Windows Phone 7 Series podporuj´ı technologii XNA. Takˇze cesty pro v´ yvoj jsou otevˇrené.

Literatura [1] Vicon User Group Meeting - THE OXFORD FOOT MODEL. Motion presentation, 2008. [2] Fakultn´ı nemocnice brno, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www.fnbrno.cz. [3] TeleMyo 2400R G2 Analog Output Receiver, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www.noraxon.com/downloads/documents/instruments/ TeleMyo-2400R-Receiver-G2.pdf. [4] blesk.cz. Veronika m´ a mozkovou obrnu: Pom˚ uˇze j´ı nová laboratoˇr?, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www.blesk.cz/clanek/zpravy-pribehy/133058/ veronika-ma-mozkovou-obrnu-pomuze-ji-nova-laborator.html. [5] R. B. Davis, S. Ounpuu, D. Tyburski, and J. Gage. A gait analysis data collection and reduction technique. Human Movement Sciences, pages 575 – 587, 1991. [6] M. P. Kadaba, H. K. Ramakrishnan, M. E. Wootten, J. Gainey, G. Gorton, and G. V. B. Cochran. Repeatability of Kinematic, Kinetic, and Electromyographic Data in Normal Adult Gait. Jurnal of Orthopaedic Research, pages 849 – 860, 1989. [7] Motion Lab Systems. C3D User Manual, 2008. [8] Motion Lab Systems. User Reference Manual C3DServer, 2010. ˇ e vysoké uˇcen´ı technické, [9] T. Sol´ ar. Diplomov´ a pr´ ace - 3D zobrazovaˇc znakové ˇreˇci. Cesk´ Fakulta elektrotechnick´ a, 2007. [10] Vicon Motion Systems. Polygon System Reference, revision 1.2 edition, 2005. [11] Vicon Motion Systems. Vicon MX Hardware System Reference, revision 1.6 (draft 4) edition, 2006. [12] AMTI Multiaxis Force Platform, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://amti.biz/ Platformhome/PlatformHome.htm. [13] Noraxon EMG and sensor systems, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www. noraxon.com. [14] Vicon Peak, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www.vicon.com. [15] Xna framework, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://xna.com.

49

50

LITERATURA

[16] F. E. Zajak. Muscle and tendon: properties, models, scaling and application to biomechanics and motor control, pages 359–411. CRC Crit. Rev. Biomed., 1989. ˇ a Televize. [17] Cesk´ Poˇrad PORT - laboratoˇr ch˚ uze, Naposledy navˇst´ıveno 27.5.2010. http://www.ceskatelevize.cz/program/port/17.02.2010-17:30-2/ tema/528-laborator-chuze/.

Pˇ r´ıloha A

Obrazov´ a pˇ r´ıloha

Obr´ azek A.1: Sn´ımek z v´ ysledné aplikace.

51

52

ˇ ÍLOHA A. OBRAZOVA ´ PR ˇ ÍLOHA PR



53

Obr´ azek A.4: Prostˇred´ı brnˇenské laboratoˇre ch˚ uze. Zdroj: [2]

Obrázek A.5: Zdravotn´ı sestra Aneta Fedrová z brnˇenské laboratoˇre ch˚ uze pˇripevˇ nuje na nohy pacientky retroreflexn´ı markery. Zdroj: [4]

54

ˇ ÍLOHA A. OBRAZOVA ´ PR ˇ ÍLOHA PR

Obr´ azek A.6: Prov´ adˇen´ı dynamického záznamu. Zdroj: [4]

Obr´ azek A.7: Prov´ adˇen´ı dynamického záznamu. Zdroj: [4]

Pˇ r´ıloha B

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek A/D Analogovˇe digit´ aln´ı pˇrevodn´ık EMG Elektromyografie LED Light Emitting Diodes USB Universal Serial Bus HJC Hip Joint Centers ASIS Anterior Superior Iliaca Spina KJC Knee Joint Center THI Thigh marker KNE Knee marker AJC Ankle Joint Centre TIB Tibia marker OFM Oxford Foot Model VST Vicon Skeleton Template VSK Vicon Skeleton MKR Vicon Marker File MP Vicon Model Parameters File C3D Coordinate 3D XML Extensible Markup Language

55

56

ˇ ÍLOHA B. SEZNAM POUZIT ˇ YCH ´ PR ZKRATEK

Pˇ r´ıloha C

Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

Obr´ azek C.1: Seznam pˇriloˇzeného CD

57

Fakulta elektrotechnická. Petr Stolař. Studijní program: Softwarové technologie a management, Bakalářský. Obor: Web a multimedia

Recommend Documents