Инструментальные методы контроля локомоций человека применяются в различных областях медицины (нейрофизиология, ортопедия, моторный контроль, гравитационная медицина), физиологии, психологии и спорте. Кинематические, динамические и электромиографические параметры количественно и качественно оценивают базисные механизмы двигательных действий человека. По этим параметрам определяют величину отклонения от нормы при двигательной патологии, позволяют внести целенаправленную коррекцию (например, при восстановлении нормальной ходьбы), оценивают нагрузку на суставной и мышечный аппарат при выполнении спортивных действий.
Методика исследований локомоций состояла из двух частей: аппаратной и программной.
Аппаратная часть комплекса состоит из одной, двух и более видеокамер, блока синхронизации их работы, видеомагнитофона, 32-ти двухканального 12 разрядного АЦП, портативного восьмиканального электромиографа, силоизмерительных платформ и компьютера.
В настоящем исследовании предлагается методика оценки кинематики локомоций, основанная на видеорегистрирующей аппаратуре стандартов VHS и S-VHS. В первую очередь это связано с тем, что стоимость высокоскоростных видеокамер делает их не доступными для большинства потенциальных исследователей локомоций человека и животных.
Обзор методов регистрации кинематики локомоций. Суть метода киноциклографии, предложенного Н.А. Бернштейном, заключалась в регистрации перемещения суставов тела человека неподвижной фотокамерой [Н.А. Бернштейн, 1947]. На суставы испытуемого крепили лампочки. Испытуемый с включенными лампочками двигался перпендикулярно оптической оси камеры. Обтюратор, с вырезанным окном, вращался перед открытым объективом фотокамеры. Окно обтюратора, периодически появляясь перед объективом, делало траекторию движения суставов прерывистой. Для получения действительных координат траектории вручную обрабатывали на стереокомпараторе (по свидетельству Д.Д. Донского одна попытка занимала две недели работы высококвалифицированного лаборанта). Регистрирующую часть метода киноциклографии периодически подвергали модернизации, так создающие шум вращающиеся обтюраторы убрали, а постоянно включенные лампочки заменили пульсирующими диодами [Л.М. Райцин, В.В. Тюпа, 1978]. Однако такой вариант регистраций локомоций обладал рядом недостатков: а) большая длительность при подготовке к исследованию; б) ненадежность работы маркеров – лампочки быстро выходили из строя . Дальнейшее совершенствование метода оптической регистрации локомоций состояло в отказе от активно отражающих маркеров и замене их пассивно отражающими метками. Метод киноциклографии стал бесконтактным. Использование стробоскопа с частотой пульсации 100 Гц дало возможность определить кинематические характеристики локомоций с большой длиной шага и скоростью перемещения: тройной прыжок, бег на коньках, на лыжах.
Несмотря на существенную модификацию метода киноциклографии Н.А. Бернштейна, исследование обладало рядом существенных недостатков: 1) эксперимент являлся лабораторным, т.е. для его проведения необходимы определенные условия: а) затемненное помещение; б) испытуемый должен двигаться на определенном расстоянии от камеры, иначе размер меток был очень маленьким, что вызывало трудности обработке, и как следствие этого, большие ошибки измерений; 2) сегменты тела должны обязательно перемещаться. Последний недостаток метода регистрации неподвижной камерой с отрытым затвором является самым существенным: если сегмент не двигается, например, стопа в положении подошвенного контакта с опорой при ходьбе, то дискретная последовательность меток стопы, превращается в световое пятно, что затрудняет определение время контакта стопы с опорой.
Изменение типа регистрирующих устройств (вместо фотокамер стали использовать кинокамеры) значительно увеличило информационные возможности метода киноциклографии. Замена неподвижного носителя (фотопленки или фотопластинки) на подвижное регистрирующее устройство, типа кинопленки значительно расширило возможности биомеханического анализа: а) стало возможным регистрировать кинематику движений на соревнованиях; б) исследовать движения с очень маленькой амплитудой, например, устойчивость вертикальной позы человека. Однако вторая часть метода киноциклографии – перевод координат из базиса регистрирующего устройства в инерциальный базис – осталась без изменения: ручное считывание со стекометра (типа KARL ZIES EIENA, производства ГДР) и ручной ввод в ЭВМ координат меток тела.
В 80-ые годы в Швеции и Италии были разработаны методики регистрации кинематики локомоций, исключающие ручную работу при регистрации координат типа: SELSPOT -1 SELSPOT-2, ELITE [Andiacchi, 1979; Spoor, 1980; G. Ferrigino, Pedotti, 1985]. Суть регистрации состояла в том, что на тело испытуемого крепили активно отражающие маркеры, работающие в инфракрасном спектре. Светочувствительная матрица фотокамер трансформировала зарегистрированное инфракрасное изображение маркеров в цифровой ряд и записывала координаты меток в оперативную память компьютера. Несмотря на существенную скорость получения кинематической информации, данная методика была лабораторной, так как источники излучения на испытуемом находились на проводной связи с камерами (SELSPOT). Кроме этого, методика регистрации меток на теле человека, основанная на активно отражающих маркерах, обладает существенным недостатками: а) при повороте конечности источник излучения исчезает из поля видения камер; б) при перекрытии маркеров сегментами тела часть траектории движения пропадает; в) при ярком солнечном свете точность регистрации существенно снижается.
К сожалению, современные зарубежные системы регистрации кинематических и динамических характеристик локомоций – такие, как ELITE, SEL-SPOT, VICON, COSTEL, ARIEL, PEAK PERFORMANCE – по причине ценового фактора являются недоступными для большинства российских исследовательских центров. Разработка недорогой и информативной системы анализа кинематики локомоций является актуальной задачей отечественной биомеханики.
1. Аппаратно-программный комплекс анализа биомеханических характеристик локомоций «Видеоанализ движений»
работает с видеооборудованием стандартов VHS и S-VHS. Регистрация кинематики в зависимости от целей эксперимента возможна с различной частотой – 25-50 Гц (PAL) и 30-60 Гц (NTSC). Способы получения и регистрации кинематических, динамических и электрокимографических характеристик локомоций подробно рассмотрены в Главе «Методика» и в биомеханической литературе [Nelson, 1970; N. Miller, Shapiro, 1987; V. Stokes, 1984; Shapiro, 1980; J. H. Challis, D. Kerwin, 1985; F. Jouen, Le-pecq, 1989; T.C. Lam, 1992], поэтому рассмотрим только видео регистрирующую часть комплекса.
Аппаратная часть состоит из двух видеокамер, штативов, ламп подсветки, блока синхронизации и видеокарты (типа AVERMEDIA или DC-1/10/30), записывающий видеоряд с пленки на жесткий носитель компьютера.
Программная часть АПК «Видеоанализ движений» состоит из трёх блоков: 1) программы записи видеоряда на жесткий носитель информации (типа диска HDD); 2) обработки координат маркеров тела человека; 3) графического представления кинематических характеристик.
Обработка координат маркеров тела человека. Координаты тела человека определяли двумя способами «вручную» и полуавтоматически. Обработку «вручную» осуществляли с помощью ручного манипулятора «Мышь» наведением маркера на метки. Вид маркера (крест, стрелка, мишень) выбирали в зависимости от размера и формы метки на теле человека. При использовании полуавтоматического режима считывания меток последовательность действий была следующая:
1) определяли интенсивность и цветовую гамму тест-объекта. Метки на тест-объекте и на теле человека были сделаны из светоотражающей бумаги;
2) программно сканировали видеокадр. В том случае, если некоторая область экрана монитора совпадала по цветовой палитре с окраской тест-объекта, то определяли площадь этой поверхности и ее геометрический центр, который являлся координатой точки в масштабе видеоанализатора. Из центра цветового пятна строили круг радиусом 6 точек;
3) после автоматической обработки четырёх кадров оператор сличал положение меток на теле человека с позицией маркеров на экране. В случае их несовпадения, вручную подправляли положения маркеров видеоанализатора – для того, чтобы не было расхождений с метками на теле человека;
4) начиная с 4 кадра, с целью ускорения считывания кинематической информации, алгоритм определения меток изменяли следующим образом:
4.1) находили плоские координаты YZ световой метки в масштабе видеоанализатора;
4.2) по начальным четырем вертикальным и горизонтальным координатам строили алгебраический полином второй степени. Для определения координат новой точки интерполировали на один шаг вперед. Получали вероятностные положения продольной и вертикальной координат меток тела человека в базисе видеоанализатора. Увеличивали область метки по вертикали и горизонтали на величину, равную утроенному диаметру метки. Программно сканировали вероятностную область нахождения метки для определения её реальных вертикальных и горизонтальных координат в новом кадре;
4.3) в случае отсутствия в выделенной области цветового пятна (такое может быть при перекрытии меток суставов сегментами тела, например, тогда, когда рука перекрывает тазобедренный сустав) за YZ координаты принимали положение, рассчитанное по полиному второй степени;
4.4) при расхождении положения меток на видеонализаторе и маркеров на теле после работы «полуавтоматического» алгоритма их совмещали вручную;
5) по координатам маркеров в масштабе видеоанализатора строили палочковую кинетограмму движения и определяли межсуставные углы.
Полную версию статьи можно скачать здесь.
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... Подробнее
