Czas czytania: 10 minut


Analiza ruchu – przegląd systemów

Artykuł ten ma za zadanie przybliżyć wszystkim współczesne możliwości analizy ruchu. Jeśli planujesz rozpoczęcie analizy ruchu w swoim ośrodku lub masz już system, ale przestał być dla Ciebie wystarczający to jesteś we właściwym miejscu.

raport-z-analizy-chodu-Qualisys-skyfi

Raport z analizy chodu

Przed przeczytaniem artykułu warto zapoznać się z podcastem nagranym przez Krzysztofa: #004: Analiza ruchu – najczęstsze rozterki przy zakupie, który wprowadza do analizy ruchu i potrzeby jej wykonywania.

Opisane tutaj systemy służą do analizy ruchu, czyli analizy kinematyki. Kinematyka to z greckiego ruch, a systemy, o których mowa są stworzone z myślą aby wykonywać pomiary przemieszczeń i rotacji. W osobnych artykułach opiszę systemy do kinetyki i EMG.

Poniżej w punktach znajdziesz najpopularniejsze systemy do analizy ruchu oraz krótki ich opis. Osobny artykuł opisuje wady i zalety każdego z systemów oraz jak wybrać system, który sprawdzi się w Twojej praktyce.

Analiza chodu wykorzystująca kamery 2D

Najprostszą i powszechnie dostępną metodą jest nagrywanie ruchu z wykorzystaniem zwykłej kamery. Obecnie każdy posiada kamerę w telefonie i może nagrać swojego pacjenta w celach dokumentacji i późniejszego porównania. Jeśli rozpoczniemy rejestrowanie ruchu naszych pacjentów koniecznie należy pamiętać, że kamery rejestrujące ruch naszego badanego muszą być ustawione jak najbardziej równolegle do płaszczyzny ruchu. Jeśli o to nie zadbamy zapisany film będzie mógł służyć jedynie jako referencja, a wszelkie obliczenia będą obarczone dużym błędem. Dlatego zwykły stojak do telefonu może znacząco podnieść wartość naszego nagrania.

Warto tutaj zauważyć, iż dostępnych jest wiele programów, które na nagranym filmie pozwalają na analizę w celu wyznaczenie np. kątów w stawach. Nie jest potrzebny do tego żaden specjalistyczny sprzęt wideo, a cała analiza odbywa się na wideo nagranym telefonem czy zwykłą dostępną w każdym sklepie kamerą.

Kolejnym krokiem, jeśli chcemy zwiększyć dokładność pomiarów, są dedykowane kamery do analizy ruchu. Kamery te często mają znacznie większą częstotliwość nagrywania i dodatkowe doświetlenie w celu lepszej rejestracji ruchu.

Częstotliwość nagranego filmu ma największe znaczenie przy ruchach szybkich np. jeśli analizujemy biegacza czy siatkarza. Pozwoli to uzyskać znacznie dokładniejsze informacje, niż kamera z telefonu. Dzięki większej liczbie klatek na sekundę “przerwy” pomiędzy poszczególnymi pomiarami, czyli pomiędzy kolejnymi klatkami są mniejsze, a zebrane dane dokładniejsze.

Kamery często posiadają własne źródło światła, zsynchronizowane z kamerą, które doświetla nagrywany obraz a przez to znacząco zwiększa jego jakość. Doświetlenie odbywa się dzięki wbudowanemu źródłu światła zsynchronizowanym z kamerą najczęściej w postaci światła białego.

kamera-do-analizy-2D-wraz-z-wbudowaną-diodą-dosiwtlającą-Noraxon-Skyfi

Kamera do analizy 2D wraz z wbudowaną diodą doświetlającą

Kamery przeznaczone do analizy ruchu zazwyczaj są obsługiwane przez dedykowane oprogramowanie. Pojawia się tutaj kolejna możliwość rozszerzenia zbieranych informacji. Systemy takie mogą składać się z większej ilości kamer, a dane z kamer są zsynchronizowane w oprogramowaniu. Pozwala to na jednoczesną analizę z kilu stron np. przy pomocy dwóch kamer możemy przeprowadzić badanie jednocześnie w płaszczyźnie czołowej i strzałkowej. Należy pamiętać, że mimo iż używamy większej ilości kamer nadal jest to analiza dwuwymiarowa – 2D.

Chcąc jeszcze dogłębniej zbadać pacjenta mamy możliwość śledzenia położenia znaczników. Oprogramowanie śledząc zaznaczone punkty pozwala na wgląd w interesujące nas parametry przez cały czas pomiaru, a nie tylko w wybranej klatce, tak więc zamiast informacji z pojedynczej klatki otrzymasz wykres interesującego Cię parametru w czasie całego nagrania. Ma to ogromny wpływ jeśli obserwujemy kilka parametrów jednocześnie. W przypadku analizy danych z jednej klatki wyznaczenie minimum, czy maksimum danej wartości dla kilku kanałów informacji może być trudne, natomiast mając ciągły pomiar, czyli wykres z całego pomiaru wyznaczenie ich staje się niezwykle proste.

Uzyskane w ten sposób informacje: kąty, prędkości i przemieszczenia możemy przetworzyć i przedstawić w postaci gotowego raportu.

analiza-pozycji-rowerzysty-z-wykorzystaniem-dwóch-kamer-2D-Noraxon-MyoVideo-Skyfi

Analiza pozycji rowerzysty z wykorzystaniem dwóch kamer 2D

Decydując się na rozwiązanie dedykowane często mamy możliwość rozbudować nasz system analizujący chód o EMG (ang. ElecroMyoGraphy) czy platformy do badania reakcji podłoża. Analizując takie systemy zawsze należy pamiętać, żeby wybrane urządzenie nie ograniczało nas w przyszłości. Pamiętaj, że chcąc rozszerzyć działalność i zająć się następną grupa pacjentów lub planując kolejny projekt badawczy Twój system miał możliwość dostosowania się do Twoich rosnących potrzeb.

Systemy kamer do trójwymiarowej analizy

Każdy system do trójwymiarowej analizy ruchu wymaga zastosowania wielu kamer. Aby znaczniki mogły zostać umiejscowione w przestrzeni każdy z nich musi być widziany minimum przez dwie kamery. Kamery do analizy 3D są tak naprawdę zwykłymi kamerami 2D a cała analiza trójwymiarowa jest wykonywana w oprogramowaniu.

Aby oprogramowanie znało układ kamer i na tej podstawie obliczało położenie rejestrowanego znacznika pierwsze co należy wykonać to kalibracja. Wykorzystywany jest układ kalibracyjny, zbudowany jako przestrzenna bryła ze znacznikami umieszczonymi w znanej odległości. Układy kalibracyjne różnią się od siebie budową i sposobem wykorzystania. Spotyka się sześciany, systemy wyglądające jak litera L czy różdżki czyli znaczniki umiejscowione na jednym prostym odcinku. Każda z kamer rejestrując ruch układu kalibrującego jest umiejscawiana w przestrzeni oraz względem innych kamer. Dzięki temu algorytmy na podstawie obrazu z przynajmniej dwóch kamer mogą obliczyć położenie rejestrowanego punktu.

Laboratorium-analizy-chodu-na-bieżni-Qualisys-Skyfi

Laboratorium analizy chodu na bieżni

Przechodząc do analizy 3D mówimy o zaawansowanym urządzeniu, które często ma możliwość synchronizacji danych zewnętrznych. Wszystkie poniżej opisane systemy do analizy trójwymiarowej powinny mieć możliwość podłączenia i synchronizacji przynajmniej z EMG oraz platformami do oceny reakcji sił podłoża. Zestawy kamer cechują się również możliwością synchronizacji z innymi urządzeniami. Tutaj należy się zastanowić czy będziesz chciał zrobić badania z wykorzystaniem np. fotela izokinetycznego, dynamometrów czy potrzebujesz dodatkowych kamer referencyjnych. Wykorzystanie i możliwości systemów opiszę szerzej w osobnym artykule “Jak wybrać system do analizy ruchu?”.

Urządzenie, za pomocą którego wykonywana jest analiza ruchu ,wykorzystuje do obliczeń danych pacjenta znaczniki zwane też markerami. Czujnik może działać na kilka sposobów: aktywnie, pasywnie lub wirtualnie. W związku z tym mówi się o systemach aktywnych, pasywnych i bezmarkerowych.

Znaczniki aktywne

Analiza ruchu z wykorzystująca markery aktywne wymaga aby znaczniki umieszczone na pacjencie miały swoje zasilanie. Kamery rozpoznają punkty pomiarowe dzięki aktywnie świecącym znacznikom, co ma zarówno swoje wady jak i zalety.

Znaczniki pasywne

Badanie z wykorzystaniem pasywnych znaczników jest najbardziej znaną metodą. Ocena ruchu jest wykonywana z wykorzystaniem markerów pokrytych odblaskową farbą. Zazwyczaj kamery są wyposażone w źródło światła doświetlające znaczniki, które odbijają światło i są widoczne dla kamery w odcieniach szarości. Rozpoznawanie markera przez algorytmy odbywa się na dwóch poziomach. Jednym jest odcień szarości a drugim kształt. Tak więc, aby znaczniki były jak najlepiej rozpoznawalne muszą być kontrastowe względem otoczenia. Wobec czego na surowym obrazie są widoczne jako jasne kropki.

Analiza-biegu-z-wykorzystaniem-pasywnch-markerów-Qualisys-Skyfi

Analiza biegu z wykorzystaniem pasywnych markerów

Znaczniki wirtualne

W ostatnim czasie produkty do analizy ruchu doczekały się bez wersji bezmarkerowej. Oznacza to mniej więcej tyle, że zbieranie informacji z kolorowego nagrania wideo odbywa się bez konieczności umiejscawiania markerów na pacjencie. Punkty anatomiczne, które składają się na model wykorzystywany do obliczeń są wyznaczanie wirtualnie przez algorytm, i na ich podstawie obliczane są parametry ruchu.

Systemy te cechują się dużą łatwością wykonywania badań ze względu na fakt, że pacjent nie musi zostać “uzbrojony” w znaczniki. Odbywa się to niestety kosztem dokładności uzyskanych wyników, zwłaszcza w zakresie pomiarów rotacji w stawach.

bezmarkerowa-analiza-wyskoku-Theia-Qualisys-Skyfi

Bezmarkerowa analiza wyskoku

Systemy do zastosowań specjalnych

Na tym etapie nie można pominąć systemów do zastosowań specjalnych takich jak np. systemy do analizy pływaków, systemów do badania zmian objętości klatki piersiowej czy ruchów zwierząt.

Chcąc zbadać pływaka w basenie konieczne jest zastosowanie specjalnie do tego celu przeznaczonych kamer, które są nie tylko wodoodporne ale również mają specjalnie przygotowana optykę do pracy pod wodą. System taki składa się z kamer umieszczanych zarówno nad jak i pod wodą, natomiast specjalny algorytm synchronizuje zebrane informacje ze wszystkich kamer.

analiza-pływaka-widok-oprogramoania-analiza-podwodna-Qualisys-Skyfi

Analiza pływaka widok oprogramowania

analiza-pływaka-pod-wodą-widok-z-kamera-referencyjna-Qualisys-Skyfi

Analiza pływaka pod wodą widok z kamery referencyjnej

Systemy do optoelektronicznej pletyzmografii jak i systemy do badania ruchów zwierząt są to systemy wykorzystywane do “klasycznej” analizy ruchu wyposażone w specjalne oprogramowanie, które może obliczać zmiany objętości klatki piersiowej przy oddychaniu czy analizować ruch zwierząt (koni, psów etc.).

Analiza-ruchu-zwierząt-koń-z-markerami-wideoanaliza-zwierząt-Qualisys-Skyfi

Analiza ruchu zwierząt – koń z założonymi markerami

Komputerowy-model-konia-prezentujący-ruch-markerów-Qualisys-Skyfi

Komputerowy model konia prezentujący ruch naniesionych markerów

Czujniki inercyjne (ang. inertial measurement unit)

Czujniki inercyjne zwane IMU (ang. inertial measurement unit) są bardzo ciekawą opcją przy badaniu ruchu, która od kilku lat mocno się rozwija. Najprostszym wykorzystaniem takiego produktu jest założenie jednego czujnika na badanego. Umieszczając go na pacjencie będzie mierzył przyspieszenie (akcelerometr), wychylenie (żyroskop) oraz zmiany pola magnetycznego (magnetometr). Wszystkie czujniki inercyjne składają się właśnie z tych trzech czujników. Na podstawie danych oprogramowanie oblicza zmianę wychylenia w trzech płaszczyznach.

Dzięki swojej budowie tzn. niewielkim wymiarom (kilka centymetrów) i wadze (kilkunastu gramów) produkt taki nie krępuje ruchów i umożliwia swobodne chodzenie czy wykonywanie stałych elementów występujących w danym sporcie. Co również istotne, każdy z czujników posiada zasilanie bateryjnie, tak więc nie ma przewodów, które mogłyby utrudniać ruchy.

Czujnik-IMU-inercyjny-akcelerometr-3D-magnetometr-3D-żyroskop-3D-wymiary-czujnika-Noraxon-Skyfi

Czujnik IMU (akcelerometr 3D, magnetometr 3D i żyroskop 3D)  wraz z wymiarami

Urządzenia do analizy chodu pracujące w oparciu o IMU mogą działać jako pojedyncze czujniki, zestawy, które są niezależne względem siebie, czy takie, w których obliczenia są wykonywane o ich względne położenie.

Pojedynczy czujnik często jest wykorzystywany do analizy chodu. W takim przypadku czujnik umieszczany jest na miednicy badanego. Analiza chodu jest wykonywana na odcinku kilku do kilkunastu metrów, a wszystkie zebrane dane pochodzą z ruchów miednicy. Dzięki takiemu badaniu otrzymamy dane między innymi o prędkości chodu, kadencji oraz ruchach miednicy. Czujnik może również zostać umieszczony na kończynach czy na głowie badanego w celu zarejestrowania zakresów ruchu. Aby wykonać poprawnie takie badanie konieczne jest kalibrowanie czujnika przed wykonaniem badania, gdyż informacje z akcelerometru, żyroskopu i magnetometru są odczytywane jako wartości bezwzględne, a końcowe wiadomości jakie chcemy uzyskać powinny wskazywać wartości w odniesieniu do kątów anatomicznych badanego. Proces ten często odbywa się automatycznie przy starcie badania. Muszę tutaj wyjaśnić, że każde z niżej opisanych zastosowań również wymaga kalibracji czujnika np. w celu wskazania systemowi wartości początkowych.

Ciekawym zastosowaniem jest wykorzystanie dwóch czujników do analizy chodu. Czujniki po umieszczeniu na stopach umożliwiają rejestrowanie parametrów chodu, a dzięki temu, że pomiar jest niezależny, dla każdej ze stron, możliwe jest rzetelne porównanie parametrów chodu dla prawej i lewej strony. W łatwy sposób są też w stanie wykryć kontakt pięty z podłożem co służy do wyznaczania cyklu chodu. Dzięki temu w raporcie dostajemy informacje o prędkości chodu, długości kroków czy kadencji.

Analiza-chodu-dwa-czujnniki-na-stopach-Tyromotion-Skyfi

Analiza chodu z wykorzystaniem dwóch czujników umieszczonych na stopach

Najbardziej zaawansowane i jednocześnie najdokładniejsze systemy wykorzystujące czujniki inercyjne to systemy rejestrujące ruch całego ciała. W celu analizy czujniki umieszczane są na segmentach ciała. Przykładowy model składający się z 16 czujników umożliwia rejestrację kątów oraz rotacji we wszystkich badanych stawach. Czujniki są umieszczone po dwa na stopie, podudziu, udzie, dłoni, przedramieniu i ramieniu oraz po jednym na miednicy, części piersiowej i szyjnej kręgosłupa oraz na głowie. Każdy czujnik oraz ten na sąsiednim segmencie działają jak wirtualny, trójwymiarowy goniometr. Nie musimy oczywiście stosować zawsze pełnego modelu, możliwa jest np. analiza ruchu tylko dla kończyn dolnych bez rejestracji górnej części ciała czy analiza ruchów w odcinku szyjnym kręgosłupa. Należy tutaj zaznaczyć, że kręgosłup jest podzielony na trzy odcinki: szyjny, piersiowy i lędźwiowy, a obliczenia są wykonywane dla poszczególnych jego segmentów.

Analiza-chodu-MPDZ-mózgowe-porażenie-dziecięce-Noraxon-Skyfi

Analiza chodu pacjenta z MPDZ z wykorzystaniem czujników inercyjnych

Czujniki magnetyczne

Do koszyka urządzeń analizujących ruch należy dodać zestawy rejestrujące zmiany pola magnetycznego. Są one w stanie wykonać pomiar z bardzo dużą dokładnością i podobnie jak czujniki IMU są umieszczane na segmentach ciała. Cechują się bardzo dużą dokładnością, niestety dokładność takiego produktu zależy mocno od warunków środowiska. Budynki, do budowy których wykorzystano żelbet czy inne konstrukcje stalowe znacząco zakłócają pomiary, dlatego znajdują one zastosowanie głównie w pomiarach na zewnątrz i nie zyskały dużej popularności.

Systemy do zastosowań specjalnych

Oferta systemów do analizy ruchu obejmuje również rozwiązanie dedykowane do poszczególnych ruchów. Dostępne systemy są przeważnie dedykowane do rejestracji ruchu poszczególnych części ciała. Rozwiązania takie to między innymi systemy dedykowane do rejestracji mimiki twarzy czy rejestrujące ruch palców.

Zestawy do rejestracji ruchów mimicznych montowane są na pacjencie, który może przemieszczać się razem z nim lub możliwe jest zastosowanie systemów kamer 3D wraz ze specjalnym oprogramowaniem.

Dedykowane rozwiązania do pomiarów ruchów dłoni i palców są często systemami mechanicznymi, które używają zestawu goniometrów czy wyciąganych linek. Umożliwia to pomiar zakresu ruchu każdego z palców oraz nadgarstka.

Pozostałe systemy

Dane możemy zbierać również z urządzeń opartych na akcelerometrach. Takie systemy wykorzystują sam pomiar przyspieszenia, co jest niestety obarczone znacznym błędem jeśli chcemy obliczyć prędkość lub pokonaną przez czujnik drogę. Akcelerometr jest umieszczany na badanym segmencie ciała, co daje nam bezpośrednią informację o jego przyspieszeniu. Dane takie mogą być wyjątkowo cenne np. dla sportów walki, gdzie akcelerometr umieszczony w ręce czy na pięcie wskazuje jakość opanowania danej techniki. Innym zastosowaniem jest pomiar przyspieszenia przy serwie siatkarskim czy starcie w sprincie, gdzie wartość przyspieszenia jakie działa na poszczególne segmenty ciała jest szczególnie ważna i może świadczyć o stanie przygotowania sportowca czy poziomie wytrenowania danego elementu.

Końcowe uwagi

Oferta systemów dedykowanych do badania ruchu jest bardzo szeroka. W związku z tym analiza ruchu może być przeprowadzana na każdym etapie zarówno w małym gabinecie, boisku sportowym czy dedykowanym do tego laboratorium. Wszystko zależy od tego jak chcemy wykorzystać systemy do badania położenia części ciała pacjenta.

Cena systemów jest bardzo zróżnicowana w zależności od jego skomplikowania czyli przeznaczenia. Pierwszy etap jest praktycznie bezkosztowy, a kolejne etapy powinny być tak przemyślane abyś nie zamknął sobie drogi do dalszego rozwoju.

Jeśli temat analizy ruchu jest dla Ciebie interesujący i chciałbyś/chciałabyś dowiedzieć się więcej, skorzystaj z bezpłatnej konsultacji i sprawdź, czy możemy Ci pomóc:

W tym miejscu znajdziesz przydatne linki, aby ją zamówić:

Autor: Jakub Maliszewski
Współzałożyciel i Członek Zarządu Skyfi

Jakub jako współtwórca największych laboratoriów badawczych w Polsce pomoże Ci odnaleźć się w świecie skomplikowanych narzędzi badawczych.

Swoje zainteresowania kieruje w stronę analizy biomechanicznej w szczególności skupia się na: analizie ruchu, analizie kinetycznej, EMG, ocenie siły mięśniowej i zakresów ruchu oraz obiektywnej analizie postępów w rehabilitacji.

Jakub-Maliszewski-Skyfi

Dodaj mnie do swojej sieci LinkedIn

Masz wyzwanie, z którym się zmagasz?

Skontaktuj się z nami a wspólnie spróbujemy znaleźć rozwiązanie!