Czas czytania: 7 minut


Wady i zalety systemów do analizy ruchu

Laboratorium-3D-kamery-Qualisys-Skyfi

Każdy system analizy ruchu ma swoje mocne i słabe strony. W tym artykule opiszę, jakie są wady i zalety najpopularniejszych rozwiązań. Jeśli nie wiesz jeszcze jakie są dostępne systemy do analizy ruchu zapraszam do osobnego artykułu, w którym opisuję dostępne na rynku rozwiązania, znajdziesz go tutaj: https://www.skyfi.pl/2022/11/22/analiza-ruchu-przeglad-systemow/

Jeśli jesteś osobą, która dopiero rozpoczyna swoja przygodę z analizą ruchu polecam na początek zapoznanie się z podcastem:#004: Analiza ruchu – najczęstsze rozterki przy zakupie, w którym Krzysztof opowiada jak wykorzystywana jest analiza ruchu.

Jakie informacje otrzymam z systemu?

Analiza ruchu przeprowadzana na systemach optycznych 2D, 3D oraz IMU daje nam różne informacje. W zależności od szczegółowości pomiarów systemy do analizy możemy stopniować. Kamery 2D oferują znacznie mniej danych niż systemy 3D, czy IMU.

Kamery 2D

Pierwsze podstawowe ograniczenie systemów 2D to możliwość wykonywania badania tylko w jednej płaszczyźnie. Dane jakie możemy uzyskać to przede wszystkim kąty w stawach, a na ich podstawie informacje o zakresach ruchu. Dodatkową informacją dla lekarzy czy fizjoterapeutów jest informacja o kątach pomiędzy podłożem, a linią bioder czy ramion.

Rozwinięcie stanowi wykorzystanie wielu zsynchronizowanych kamer jednak musimy pamiętać, że nadal jest to badanie 2D, z którego uzyskane informacje np. o lokomocji dotyczą ruchu w dwóch płaszczyznach.

Analiza-biegu-kamery-2D-Noraxon-Skyfi

Analiza biegu z wykorzystaniem kamer 2D

Analiza ruchu z wykorzystaniem systemów optycznych 3D i IMU

Informacje otrzymane z systemów 3D to kąty i rotacje. Należy jednak dodać, że każdy z parametrów jest trójwymiarowy.

Podstawową różnicą odróżniającą zestawy oparte na kamerach i na czujnikach inercyjnych jest brak informacji o przemieszczeniu z czujników inercyjnych. Oznacza to, że IMU, w trakcie np. analizy chodu nie zmierzą nam wprost pokonanego dystansu. Dane te często są estymowane np. na podstawie ilości kroków i ich długości.

Za pomocą czujników inercyjnych, ze względu na ich rozmiar nie zbadamy również ruchów palców czy twarzy. Systemy te natomiast doskonale sprawdzają się do pomiaru ruchu w stawach dużych np. zgięcie czy przywiedzenie stawu biodrowego.

Markery aktywne i pasywne

Akapit ten dotyczy systemu opartego na kamerach, który dzięki znacznikom pozwala na identyfikację punktów w przestrzeni.

Pasywne-markery-analiza- 2D-3D-Qualisys-Skyfi (1)

Pasywne markery do analizy 2D i 3D

Aktywne znaczniki mają jedną zasadniczą wadę, mianowicie muszą mieć źródło zasilania. Systemy takie mogą być zasilane z jednej centralnej baterii co wiąże się z koniecznością zastosowania przewodów, które mogą utrudniać ruch i chód badanemu oraz komplikują proces zakładania znaczników na ciało pacjenta. Innym rozwiązaniem jest zasilanie każdego z markerów osobną baterią, to niestety skutkuje zwiększeniem rozmiarów markerów zarówno pod względem wymiarów jak i ich wagi. Nie można tutaj zapomnieć o konieczności ich ładowania. Najgorszym scenariuszem jaki może sobie wyobrazić badacz jest przeprowadzenie wywiadu z pacjentem, przygotowanie go do badania i informacja, że baterie są rozładowane.

Zaletą systemów z aktywnymi znacznikami jest możliwość ich indywidualnego rozpoznawania. Każdy marker w oprogramowaniu może zostać przypisany do określonego punktu anatomicznego czy pacjenta w przypadku rejestracji większej liczby osób w tym samym czasie. Oznacza to prosty sposób obróbki danych czy nawet jej brak oraz otwiera możliwości łatwego pomiaru kilku osób jednocześnie. Nawet jeśli marker wyjdzie z pola widzenia kamer to po powrocie zostanie od razu, automatycznie uznany za przypisany mu punkt anatomiczny.

Optyczna analiza chodu umożliwia także analizę bezmarkerową. Jest to zdecydowanie najwygodniejsze rozwiązanie do analizy lokomocji, gdyż nie wymaga nakładania na pacjenta znaczników.

Sposób kalibracji systemów do analizy chodu

Każdy z systemów musimy przygotować do pomiarów, czyli wykonać kalibrację. Wszystkie one wymagają też wprowadzenia danych antropometrycznych pacjenta. Najczęściej są to wymagane pola w protokole badawczym.

Analiza 2D

W przypadku analizy dwuwymiarowej kalibracja najczęściej polega na prawidłowym ustawieniu pacjenta i kamery. Aby zapis wideo umożliwił pozyskanie wartościowych danych ruch musi być wykonywany maksymalnie jak to możliwe w płaszczyźnie prostopadłej do kamery. Każdy ruch wykonywany “w głąb” czy w przód nie jest możliwy do zmierzenia. Przy ustawieniu kamery wykorzystany może być plakat lub plansza kalibracyjna, na których narysowane są linie ułatwiające ustawienie kamery.

Wideo analiza 3D

Przygotowując do pracy system oparty na kamerach do analizy ruchu 3D konieczne jest wykorzystanie układu kalibracyjnego. Odbywa się to zazwyczaj w dwóch krokach. Kalibracja statyczna aby ustalić poziom podłoża i osie laboratorium i część dynamiczna, która ma umożliwić rekonstrukcję pozycji markerów w przestrzeni.

Należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby każda z kamer uzyskiwała wyniki podobnej jakości, czyli potrafiła odnaleźć marker z podobna dokładnością. Jeśli o to nie zadbamy może się okazać, że jedna z kamer nie będzie działała w pełni swoich możliwości, a dane pozyskane w jednym rogu laboratorium będą dużo gorszej jakości niż w pozostałym obszarze.

Kolejnym krokiem jest kalibracja badanego. Jest to element w którym pacjent powinien przyjąć określoną pozycję, tak aby wszystkie nałożone markery były widoczne.

Czujniki inercyjne

Ogromną zaletą czujników IMU jest prostota kalibracji. w trakcie badania za  pomocą czujników inercyjnych nie ma potrzeby kalibracji przestrzeni pomiarowej. Jedynym wymaganym krokiem jest konieczność przyjęcia przez osobę badaną pozycji kalibracyjnej, aby wskazać początkowe kąty w stawach. Jeśli osoba badana nie potrafi przyjąć pozycji kalibracyjnej – niektórzy producenci oferują dodatkową przystawkę kalibracyjną, która umożliwia wskazanie punktów anatomicznych w przestrzeni i dzięki temu wykonanie korekty kalibracji badanych stawów.

Sposób nakładania czujników

Analizując trudność przygotowania pacjenta do pomiarów należy rozpatrzyć trudność nałożenia znaczników. W przypadku systemów kamerowych często znaczniki umieszczane są w punktach anatomicznych. Wiąże się to z koniecznością dobrej znajomości anatomii, a przez to obecny w trakcie badania powinien być specjalista. Kolejny błąd występuje przy wykonywaniu ponownego badania i wynika z faktu iż nigdy nie nakleimy znacznika dokładnie w to samo miejsce.

Rozwiązanie wykorzystywane w trakcie analizy chodu to zastosowanie tak zwanych klastrów, czyli skupisk markerów. Jest to rozwiązanie, które przyśpiesza i ułatwia wykonanie analizy chodu, ale uniemożliwia wykonanie analizy np. ruchu palców czy stopy, za to doskonale sprawdza się do analizy chodu.

markerset- klastry-układ-markerów-Qualisys-Skyfi

Markerset wykorzystujący klastry

W przypadku czujników inercyjnych przygotowanie pacjenta jest maksymalnie uproszczone. Sensory umieszcza się na segmentach ciała i nie jest konieczna aż tak duża precyzja jak w przypadku systemów kamerowych. Czujniki muszą zostać umieszczone jedynie na badanych segmentach ciała, a analiza chodu nie wymaga dokładnej palpacji punktów anatomicznych.

Zestawy bezmarkerowe całkowicie pomijają ten punkt i nie wymagają od pacjentów i badaczy specjalnego przygotowania.

Środowisko, w którym wykonujemy badanie

Jednym z ważniejszych parametrów jest środowisko w jakim chcemy wykonywać badanie. Czy analiza chodu będzie wykonywana tylko w laboratorium , czy pomiary będą przeprowadzane również w innych ośrodkach lub na zewnątrz.

Systemy optyczne zazwyczaj są stacjonarne. Istnieje oczywiście możliwość ich przeniesienia, jednak wymaga to wiele pracy. Producenci deklarują również możliwość pracy na zewnątrz jednak musimy pamiętać, że w przypadku takich badań konieczne jest dostarczenie zasilania elektrycznego na zewnątrz budynku i konieczność ponownej kalibracji przy zmianie oświetlenia (np. zachmurzenia).

Największym ograniczeniem systemów optycznych jest obszar, w którym możemy badać chód. Z oczywistych przyczyn jest on ograniczony do obszaru, w którym marker jest widoczny przez przynajmniej dwie kamery.

Laboratorium-3D-kamery-Qualisys-Skyfi

Laboratorium analizy ruchu 3D z pokazanymi kamerami

Przewagę w tym punkcie mają zdecydowanie IMU. Ze względu na to iż jedynym wymaganiem jest to, aby znajdowały się w zasięgu odbiornika. Część producentów poszła dalej i wyeliminowała również to ograniczenie przez wbudowanie pamięci wewnętrznej, która zachowuje wszystkie informacje bez względu na to czy czujniki znajdują się w zasięgu odbiornika. Umożliwia to wykonanie bardzo ciekawych badań jak np. analizę skoczków narciarskich i tutaj uwaga wszystkich elementów zarówno fazy najazdu, lotu jak i lądowania, analizy biegu przełajowego czy rowerzysty niestacjonarnie.

Najtrudniejszym środowiskiem w jakim pracują systemy wydaje się środowisko wodne. Analiza ruchu w basenie może zostać przeprowadzona zarówno za pomocą systemów optycznych jak i inercyjnych. Należy tutaj zaznaczyć, że są to specjalnie przygotowywane do tego zestawy, które muszą cechować się wodoodpornością.

Jakość danych a analiza chodu

Jakość zebranych danych w przypadku systemów kamerowych zależy w ogromnym stopniu od ilości kamer i jakości rejestrowanego obrazu. Przy zakupie systemów optycznych należy sobie zadać pytanie czy lepszy efekt osiągniemy dzięki większej rozdzielczości, czy może zrezygnować z tego parametru na korzyść większej ilości kamer, które dokładniej pokryją badany obszar.

Czujniki inercyjne wykonują pomiary, które jakościowo są zbliżone dokładnością do systemów kamerowych.

Muszę tutaj wspomnieć o systemach optycznych bezmarkerowych, które z poprzednich rozważań miały niewiele wad. Zestawy te cechują się najmniejszą dokładnością. Sprawdzą się dobrze w badaniach przesiewowych jednak nie zapewniają takiej dokładności jak klasyczne systemy optoelektroniczne, czy IMU. Największym wyzwaniem dla tych systemów jest pomiar rotacji w stawach, a otrzymane rekordy mają najmniejszą dokładność.

Koszt zakupu

W tej kwestii panuje wyraźne stopniowanie. Zestawy do analizy 2D są zdecydowanie najtańszym rozwiązaniem. Analizować chód możemy również za pomocą czujników inercyjnych i jest to rozwiązanie ze środkowej półki cenowej, z kolei systemy optoelektroniczne są najdroższymi rozwiązaniami.

Dodatkowe możliwości

Możliwość rozbudowy

Bardzo istotną kwestią jest możliwość rozbudowy. Podstawowym pytaniem jest “czy będę w stanie dodać do mojego systemu dodatkowe kamery?” Dwa argumenty, które mówią, że jest to jeden z najważniejszych punktów:

– wyobraźmy sobie, że kamera po 5 latach uległa uszkodzeniu, a producent już tych modeli nie produkuje. W takim przypadku cały zestaw pozostaje niesprawny. Natomiast w przypadku nawet gdy kamera wyszła już z produkcji a system umożliwia integrację innych modeli problem jest łatwy do rozwiązania,
– drugim powodem jest konieczność poszerzenia obszaru badania.

Każdy z systemów powinien też umożliwić rozbudowę o dodatkowe urządzenia. Analiza ruchu w trzech wymiarach uzupełniana jest o EMG (aktywność mięśni) czy platformy (informacje o siłach i momentach sił). Są to pomiary, które zintegrowane z danymi ruchu umożliwiają przeprowadzenie celowanej rehabilitacji.

Dodatkowe opcje

Część opisywanych zestawów umożliwia dodatkowe opcje, które mogą mieć wpływ na ich wykorzystanie:

– wykonywanie obliczeń w czasie rzeczywistym i wyliczenie np. środka ciężkości,
– dostęp do danych w czasie rzeczywistym – umożliwia to przekazanie informacji zwrotnej pacjentowi np. o kącie stawu biodrowego,
– witryna internetowa, która umożliwia dostęp do raportów w przeglądarce.

Podsumowanie

Każdy z omawianych systemów posiada swoje wady i zalety. W zależności od wykorzystania systemu pewne parametry będą dla nas ważniejsze a niektóre wady akceptowalne.

Zapraszam do osobnego artykułu, w którym opisze jak wybrać zestaw do analizy ruchu.

Jeśli masz pytania dotyczące systemów dotyczące analizy ruchu czy biomechaniki to skorzystaj z bezpłatnej konsultacji na naszej stronie 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!