Men pohybu pomoc kamery Podkovn Tato experimentln loha

Měření pohybu pomocí kamery Poděkování: Tato experimentální úloha vznikla za podpory Evropského sociálního fondu v rámci realizace projektu: „Modernizace výukových postupů a zvýšení praktických dovedností a návyků studentů oboru Biomedicínský technik“ (CZ. 1. 07/2. 2. 00/15. 0415) Ing. Patrik Kutílek, Ph. D.

Měření pohybu pomocí kamery Cíl úlohy • Určete maximální flexi/extenzi částí horní končetiny (lokte a ramene) popř. dolní končetiny pomocí kamerového systému • Určete úhlové rychlosti a zrychlení vybraného segmentu těla, a popř. těla jako celku, kamerovým systémem 2

Při studiu pohybu nás zajímají kinematické veličiny translačního a rotačního pohybu, které můžeme zjistit také pomocí tzv. sledovacích systémů. Sledovací zařízení bývá stacionární a jeho části jsou instalovány ve známých pozicích scény. Pro snímání pohybujících se objektů je možné použít nejjednodušších kamer, jako jsou např. webkamery, či dražší Motion Capture (Mo. Cap) systémy, které nám přímo vyhodnotí pohyb v 3 D prostoru pomocí více než jen jednoho sledovacího senzoru. 3

Sledovací systémy rozdělujeme na „pasivní“ a „aktivní“ podle způsobu detekce markerů (také tzv. značek) umístěných na požadovaných anatomických bodech těla. Markery se musí umísťovat v souladu s metodikou doporučenou výrobcem systému nebo zavedenými standardy, z důvodu přesné detekce vzájemného pohybu segmentů těla, a následné možnosti srovnání výsledků mezi různými pracovišti. Zavedené standardy popisují rozmístění markerů, tzv. sety markerů, kterým jsou přiřazeny příslušné 3 D modely svalověkosterních systémů těla. 4

Pokud sledujeme více bodů (markerů), můžeme vytvořit drátový model a sledovat vzájemnou polohu jednotlivých bodů vůči sobě v kartézské souřadné soustavě. Tohoto můžeme využít například při sledování polohy objektu definovaného dvěma body. Může se jednat například o segmenty dolní končetiny při studiu chůze. Značky se pak často umísťují na začátek a konec segmentu těla v místech kloubního spojení. Poloha značek definuje úhel natočení segmentu v souřadném systému. Z dvou identifikovaných bodů můžeme definovat vektor, tj. stačí znát souřadnice dvou markerů v prostoru. 5

Například pro 2 D úlohu vypočítáme složky vektoru v příslušných osách pomocí rozdílu souřadnic obou bodů v dané ose: Výsledný vektor je pak 6

Pokud nás zajímá poloha segmentu ve zvolené kartézské souřadné soustavě (absolutním souřadném systému), pak nechť vektor vztažné horizontály je a odtud úhel natočení segmentu vůči horizontálnímu směru okolního prostoru: 7

Pokud by nás zajímalo vzájemné natočení dvou segmentů, přičemž by každý byl definován vlastním vektorem, pak je výpočet identický. Identicky by se také řešila 3 D úloha s rozšířením o z souřadnici: Ilustrace úhlů mezi segmenty dolní končetiny 8

Pokud vyhodnotíme velikosti změn natočení segmentů v určitém časovém intervalu, můžeme určit další charakteristiky rotačního pohybu, např. pomocí numerické derivace, jako je úhlová rychlost a úhlové zrychlení ve 2 D platí (a analogicky bude odpovídat i pro 3 D): 9

Graf změny úhlu, úhlové rychlosti a úhlového zrychlení ve úhlová rychlost [deg/s] úhel v koleni [deg] úhlové zrychlení [deg/(s 2)] vyšetřovaném kloubu. rozdíl úhlů v koleni [deg] úhel [deg] úhlová rychlost v koleni [deg/s] 60 600 40 200 30 0 20 -200 10 -400 0 -600 1, 53 26 1, -10 čas [s] 3 80 0 2, 06 7 2, 33 3 2, 60 0 2, 86 7 3, 13 3 3, 40 0 3, 66 7 3, 93 3 4, 20 0 4, 46 7 400 7 50 -800 10