Компьютерный видеоанализ движений в спортивной медицине и нейрореабилитации

Современные технологии стремительно входят в нашу жизнь. Ещё совсем недавно трудно было представить практическое использование бесконтактных, дистанционных методов изучения жизнедеятельности биологического объекта на основе компьютерного анализа видеоряда двигательного и эмоционального поведения человека или животного. Сегодня же бесконтактные инструментальные методы контроля локомоций используются в различных областях клинической и экспериментальной медицины, в нейрофизиологии, психологии и спорте. Кинематические, динамические и электромиографические характеристики движений количественно и качественно оценивают базисные механизмы организации локомоций человека. При двигательных патологиях оптико-электронные методы контроля определяют величину отклонения от нормы, позволяют внести целенаправленную коррекцию в восстановительное лечение двигательных расстройств, оценивать нагрузку на суставной и мышеч-ный аппарат при выполнении различных двигательных действий в целях предохранения от травматизма. 
Бесспорным преимуществом методов видеоанализа движений перед методами контактной биомеханики является отсутствие на теле пациента или спортсмена каких-либо датчиков и кабелей, в значительной степени ограничивающих свободное поведение человека и искажающих его естественный двигательный стереотип, особенно при быстрых спортивных локомоциях. 
Компьютерный комплекс «Видеоанализ движений» функционирует с использованием видеооборудования различных форматов: VHS, S-VHS, DIGI-TAL VIDEO. Регистрация кинематических параметров движений в зависимости от используемого аппаратно-программного обеспечения возможна с различной частотой: 25-50 Гц (PAL) и 30-60 Гц (NTSC). 
Иными словами, первая составляющая программного обеспечения переводит видеоряд, содержащий чётные и нечётные кадры (частота 25 Гц или 30 Гц), в видеоряд, состоящий из полукадров (соответственно, с частотой 50 Гц или 60 Гц). В минимальной конфигурации достаточно использовать всего лишь одну видеокамеру со стандартным вводом видеоизображений в компьютер. Аппаратная и программная части комплекса позволяют в настоящее время воссоздавать и анализировать кинематические параметры шага и других движений в т.н. «плоской», двумерной модели, что, естественно, вносит определённые ограничения в проведение биомеханических исследований, по сравнению с исследованиями на комплексах, позволяющих строить объёмную модель движения. Но даже в условиях кинематического анализа в двумерной модели движения мы располагаем возможностями с высокой точностью синхронизации одновременно оценивать движения человека с разных ракурсов, используя две или большее количество камер. Наиболее часто используемый методический подход – сравнительный статистический анализ биомеханических характеристик двойного шагового цикла в условиях синхронной видеосъёмки справа и слева. 
Второй блок программного обеспечения позволяет: 
– создавать проект биомеханической модели – совокупность маркерных точек на теле пациента и последовательность их соединения; 
– оцифровывать положение маркерных точек на теле человека и строить ли-нейные и угловые кинематические профили и их производные; 
– помечать закладками с комментариями любые интересующие исследователя участки траекторий, что существенно облегчает анализ результатов. 
С целью снижения погрешностей при вычислении производных, линейные и угловые характеристики локомоций сглаживаются фильтром Баттерворта второго рода. Тестирование линейной кинематики свободно падающего тела (на примере шарика) показало, что сглаживание вертикальных координат фильтром Баттерворта второго рода с частотным срезом 6 Гц позволяет получить ускорение свободного падения в диапазоне 7,5-11 м/с*с, что можно считать приемлемой точностью при расчёте динамических параметров движений. 
Третий блок программного обеспечения на основе базы данных позволяет построить усреднённые профили и стандартное отклонение кинематических характеристик локомоций, а также сравнить их у одного испытуемого в разные периоды обследования, с разных ракурсов видеосъёмки при синхронной регистрации или у разных испытуемых. Поскольку время двигательного действия (например, абсолютная продолжительность двойного шагового цикла) в различных попытках даже у одного и того же человека отличается, то построение усреднённых профилей осуществляется методом сплайнинтерполяции. Анализ усреднённых результатов более точно отражает особенности кинематического поведения биомеханической системы, так как меньше подвержен случайным ошибкам. 
В целях определения корректности и валидности обследования пациентов при помощи описываемого комплекса проводится сравнительный анализ получаемых кинематических характеристик ходьбы и бега с результатами обследования аналогичной клинической выборки пациентов (преимущественно страдающих детским церебральным параличом) и здоровых лиц, в том числе спортсменов, на компьютерном комплексе Qualisys Medical (Швеция), воссоз-дающем объёмную модель движения. В указанном комплексе осуществляется высокочастотная видеосъёмка – видеокамеры позволяют вести её с частотой до 1000 Гц. В работе этого комплекса используются программные пакеты Qualisys Track Manager (Швеция) и Visual3D (C-Motion Inc., США).

При наличии ряда ограничений, связанных с отсутствием объёмной модели движения пациента, отечественный аппаратно-программный комплекс «Видеоанализ движений», тем не менее, позволяет исследователю получать все классические показатели угловой и линейной кинематики человека, его фазовых траекторий (график зависимости «угол – угловая скорость») и угловых синкинезий между произвольно выбранной парой суставов. Также осуществляется математическое моделирование оптимальных режимов нейромоторного перевоспитания пациента или спортсмена. Это моделирование достигается путём определения травмобезопасных режимов локомоций и другой двигательной деятельности путем минимизации межсуставных сил. Учитываются индивидуальные антропометрические массинерционные и кинематические характеристики движения. 
При использовании в составе комплекса «Видеоанализ движений» синхронно с ним работающей цифровой динамометрической платформы (зарубежных фирм Kistler или AMTI) предоставляются дополнительные возможности изучения трехкомпонентных опорных реакций при ходьбе, беге и прыжках. 
Возникает вопрос – насколько правомочно использовать видеосъемку частотой 25 Гц для анализа локомоций, в том числе и спортивных. Для ответа на этот вопрос провели спектральный анализ угловых характеристик тазобедренного, коленного и голеностопного суставов при беге 170 шагов/мин и ходь-бе в темпе 90-100 шагов/мин, зарегистрированных с частотой 100 Гц. Для ходьбы и бега в указанном темпе 90% спектральной мощности приходится на следующие частоты: в тазобедренном суставе 3-4 Гц; в коленном суставе 3-5 Гц; в голеностопном – 6-7 Гц. По теореме Котельникова частота считывания сигнала должна быть не менее, чем в два раза выше частоты регистрируемого сигнала. Следовательно, частоты «обычного» видеосигнала в 25 Гц теоретически достаточно для регистрации угловых характеристик ходьбы и бега. Преобразование видеоряда с удвоением частоты полукадров до 50 Гц позволяет с высокой точностью оценивать кинематические характеристики локомоций, так как указанная частота регистрации в 7-8 раз превышает высокочастотные составляющие, присутствующие в структуре наземных локомоций. 
В качестве примера, демонстрирующего возможности методов компьютерного видеоанализа движений объективизировать динамику двигательных функций человека, приведены следующие клинические наблюдения. Выполнено обследование группы больных в возрасте 4-18 лет, страдающих детским церебральным параличом, на фоне комплексного и интенсивного восстановительного лечения. 
При фоновом обследовании выявлены значительные нарушения кинематики локомоторного акта. Эти расстройства заключались в инверсии значений углов в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах в различные периоды двойного шагового цикла. При локомоции имела место несостоятельность стабилизации положения общего центра масс, что также находило отражение в суставном кинематическом профиле пациента. 
Оценка кинематического профиля ходьбы в ходе лечения продемонстрировала возможности формирования движений, приближающихся по характеру к физиологическим локомоциям. После курса лечения амплитуда «флексия-экстензия» в тазобедренных суставах увеличивалась с 264 до 326(n=22, р<0,05), амплитуда движений в коленных суставах в среднем возрастала с 594 до 677, а в голеностопных суставах, при исходно эквиноварусной установке, возросла соответственно с 164 до 215 (р<0, 05). 
До курса лечения на опорную фазу двойного шагового цикла приходи-лось 726% относительного времени, после курсового лечения – 678%, что свидетельствует о частичной нормализации биомеханической структуры ходьбы. Анализ соотношения относительного времени двух- и одноопорного периодов шага до и после лечения выявил по завершении курса уменьшение времени, приходящегося на двухопорный период, в среднем с 416% до 348% (p<0,05), что свидетельствует об улучшении статокинетической устойчивости и стабилизации тела в пространстве у пациентов, проходивших лечение. 
На фоне лечения прослеживалось постепенное приведение значений суставных углов, их соотношений в различные фазы шага к нормативным показателям. Указанная нормализация динамических характеристик локомоции наблюдалась раньше, чем закреплялся лечебный эффект лечения в своем максимальном выражении, что позволяет надеяться на последующее определение критериев прогноза эффективности того или иного лечения в самом начале его использования.