Методы оценки изменения состояния опорно-двигательного аппарата в процессе физической реабилитации

20

затруднительно, особенно в случае выполнения восстановительных упражнений индивидуального плана процесса физической реабилитации, поскольку наблюдается дискомфорт и скованность в движении. В связи с этим активно используется безмаркерные системы захвата движения, при наличии которых человек может двигаться в повседневной одежде без специальных маркеров.

В данном случае видеосистема считывает и сохраняет антропометрические показатели человека. Далее с помощью технологий компьютерного моделирования осуществляется построение математической модели изменения положения тела человека в реальном времени. Пример математической модели изменения положения тела человека представлен на рисунке 10.

а) б) в) Рисунок 10 – Математическая модель изменения положения тела:

а) во время бега; б) подготовка к прыжку; в) во время прыжка

В соответствии с рисунком 10 математическая модель изменения положения тела человека во время бега и прыжка представляет собой полноценное отображение поведения человека во времени. Затем осуществляется сравнение модели с текущим положением тела человека и проводится расчет параметров двигательной активности. Однако для регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве требуется, как минимум, две камеры. По этой причине в рамках применения безмаркерной съемки выполнения восстановительных упражнений индивидуального плана процесса физической реабилитации активно применяется технология Kinect.

Использование технологии Kinect предусматривает применение инфракрасного проектора и видеокамеры с несколькими датчиками

21

глубины, которые необходимы для расчета цветового градиента (в диапазоне цветов от белого до синего). По результатам расчета строится трехмерная математическая модель, позволяющая воспроизвести последовательное положение тела. Основным преимуществом данной технологии является использование только одной камеры, что позволяет упростить соответствующее практическое применение.

На основе технологии Kinect разработан ряд проектов для физической реабилитации, среди которых VirtualRehab, Virtualware [21], Reflexion Health, Habilect [22], Kinapsys и другие проекты. Пример выполнения упражнений с использованием технологии Kinect (системы Kinapsys) представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 – Пример выполнения упражнений с использованием технологии Kinect

восстановительные упражнения в соответствии с представленными на экране указаниями, заключающимися в изменении состояния кинематической модели. Следует отметить, что технология Kinect применяется в рамках телемедицинских систем, осуществляющих объективный контроль выполнения физической реабилитации пациента.

К основным преимуществам безмаркерных систем захвата

22

движений на основе технологии Kinect можно отнести:

1 Применение оптического канала передачи информации, исключающего необходимость использования кабельных линий.

2 Формирование полной картины изменения положения опорнодвигательного аппарата в пространстве в реальном времени.

3 Использование одной камеры для регистрации информационных данных.

В рамках задач физической реабилитации и объективной оценки процесса выполнения восстановительных упражнений большое значение имеет не общая подвижность человека (способность передвигаться), а способность его конечностей выполнять локальные движения по заданной траектории, сгибание суставов под определенным углом с обязательным контролем болевых ощущений. Однако существующие безмаркерные системы захвата движений на основе технологии Kinect не обеспечивают необходимую точность регистрации данных отдельно взятого упражнения в части многих мелкомоторных задач. Также подобные системы необходимо использовать в откалиброванном помещении при естественном освещении, что ограничивает возможности их практического применения. Кроме того, данный метод является косвенным и для осуществления расчета модели необходимы значительные вычислительные мощности. Указанные факторы обуславливают высокую стоимость приобретения и эксплуатации подобных систем, что недоступно для использования широкому кругу пользователей.

С учетом развития информационно-коммуникационных технологий, представляется актуальным создание телемедицинских систем, позволяющих проводить сбор и регистрацию данных без накладывания ограничений на проведение диагностики в специальных помещениях. Одним из направлений развития подобных систем является использование инерциальных измерительных систем на основе MEMS-технологии.

2.10 АНАЛИЗ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ MEMS ТЕХНОЛОГИИ

Последние достижения в создании микроэлектромеханических систем (MEMS) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. MEMS-технология позволяет создать миниатюрные датчики (1-100 мкм), объединив их на одной микросхеме. Инерциальная измерительная система, как правило, представляет собой малогабаритное устройство,

23

определяющее свое положения в пространстве и регистрирующее параметры движения с несколькими степенями свободы. При этом используются следующие датчики движения:

1)Гироскоп, обеспечивающий измерение значений угловых скоростей вокруг собственных трех осей (микросхемы со встроенным датчиком инерции, которые способны переводить его механические перемещения в электрические импульсы).

2)Акселерометр, обеспечивающий измерение значений линейных ускорений по трём осям (суперпозиция собственного ускорения акселерометра и вектора гравитации).

3)Магнетометр, позволяющий получить проекцию напряженности магнитного поля Земли в системе координат магнитометра по трём осям (определение значений углов между собственными осями и силовыми линиями магнитного поля Земли).

Результаты измерения, полученные с помощью вышеуказанных датчиков движения являются исходными данными для дальнейшей обработки сигнала. Инерциальная измерительная система имеет

связанную с ней систему координат −1 = ( −1 −1 −1), которая представляет собой подвижную систему координат, состоящую из продольной , вертикальной (нормальной) и поперечной осей, проходящих через центр масс инерциальной измерительной системы.

Именно изменение положения данных осей обеспечивает измерение ориентации и непосредственно характеризует движение относительно исходной (неподвижной) системы координат. В данной

работе исходная система координат 0 = (0 0 0) – неподвижная система координат, оси которой соответствуют положению осей связанной системы координат инерциальной измерительной системы в начальном положении, зафиксированном в результате калибровки [23].

Такой же принцип измерения положения в пространстве используется в летательных аппаратах, известный как «крен (roll), тангаж (pitch) и рыскание (yaw)» . Система координат инерциальной измерительной системы представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Система координат инерциальной измерительной системы:

а) исходная система координат ИИС; б) пространственное изменение положения системы координат ИИС;

в) проецирование положения ИИС относительно начального положения;

г) проецирование осей системы координат ИИС относительно исходной системы координат

В соответствии с рисунком 12 выходными данными инерциальной измерительной системы являются углы ориентации, которые задают положение ИИС относительно исходной системы координат, то есть относительно ее центра инерции в пространстве по трём осям:

–(рыскание) – угол, образующийся между положением продольной оси связанной системы координат инерциальной измерительной системы и 0 исходной системы координат.

–(тангаж) – угол, образующийся между положением

25

поперечной оси связанной системы координат инерциальной измерительной системы и 0 исходной системы координат.

– (крен) – угол, образующийся между положением поперечной оси связанной системы координат инерциальной измерительной системы и 0 исходной системы координат.

Определение значений углов ориентации , и может быть осуществлено на основе данных, полученных с акселерометра и магнетометра, преобразованных через углы Эйлера в виде:

где 2 – функция полного арктангенса;, , – измерения акселерометра по трем осям , , ;

, – измерения магнетометра по двум осям , .

Кроме того, для вычисления углов ориентации используются кватернионы вида:

где – вектор в пространстве;– вещественное число – величина вращения вокруг единичного

вектора, определенная координатами вращения ( , , ) в виде единичного вектора ( , , );

– угол поворота системы относительно вектора вращения (оси, вокруг которой вращается система координат).

В некоторых случаях удобно хранить угол вращения и ось в одном векторе. Направление вектора при этом совпадает с направлением оси вращения, а его длина равна углу поворота [24]:

где = √2 + 2 + 2 .

Преимуществом использования кватернионов является возможность одновременного учета вращения контролируемого объекта по направлению каждой из осей (даже при небольших углах

26

вращения), поскольку по сравнению с углами Эйлера, обеспечивается возможность комбинирования вращений, а также возможность избегания проблемы, связанной с недоступностью поворота вокруг оси, независимо от совершённого вращения по другим осям. В свою очередь, гироскоп предназначен для измерения угловой скорости, которую при известных начальных условиях с течением времени можно интегрировать, чтобы получать ориентацию датчика.

Так, совместная обработка значений линейных ускорений и угловых скоростей позволяет выполнять функцию фиксации траектории изменение положения опорно-двигательного аппарата в пространстве и во времени, что позволит определить количественные значения ранее рассмотренных параметров кинематической группы.

2.11 АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ПРИМЕНЕНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

НА ОСНОВЕ MEMS-ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время ведущее место среди ИИС занимает система Xsens [25]. Данная система применяется для регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве и времени. Система Xsens состоит из двух составляющих: программного обеспечения MVN Animate и аппаратной части в виде костюма Xsens Awinda. Костюм Xsens Awinda для регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве представлен на рисунке 13.

27

Рисунок 13 – Костюм Xsens Awinda для регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве

В соответствии с рисунком 13 костюм Xsens Awinda включает в себя датчики регистрации движений (более 17 датчиков). Каждый из датчиков имеет порядковый номер и закреплен с помощью ремешковлипучек на определенном сегменте тела человека. Костюм должен быть откалиброван. Процедура калибровки включает нахождение испытуемого в костюме в неподвижном положении в течение определенного интервала времени. При этом посредством датчиков осуществляется считывание антропометрических показателей человека, которые обрабатываются программными средствами в целях построения компьютерной модели тела и ее сопоставления с исходной антропометрической моделью для определения правильности расположения датчиков. При изменении положения опорнодвигательного аппарата происходит регистрация состояния датчиков и построение текущей модели тела человека в режиме реального времени. Пример построения модели изменения положения тела человека в реальном времени на основе системы Xsens представлен на рисунке 14.

28

Рисунок 14 – Пример построения модели изменения положения тела человека в реальном времени на основе системы Xsens

В соответствии с рисунком 14 модель изменения опорнодвигательного аппарата в реальном времени представляет собой полноценное отображение поведения человека. Далее программное обеспечение осуществляет сравнение текущей модели с расчетной и проводит определение требуемых параметров двигательной функции. По такому же принципу работают и другие системы, такие как

VICON [19], Perception Neuron.

Инерциальные измерительные системы аналогично системам захвата движений по данным видеофиксации обеспечивают сбор данных об изменении положения тела в пространстве, а, кроме того, могут осуществлять объективный контроль выполнения упражнений индивидуального плана восстановительных занятий.

3 СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПРОЦЕССЕ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

Рассмотренные методы сбора информационных данных изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве можно сравнить по ряду кинематических параметров. Результаты сравнения вышеуказанных методов представлено в таблице 2.