Principy a prostředky pro sledování pohybů lidského těla

V této práci jsou shrnuty metody pro sledování a vyhodnocení pohybů lidského těla. Metody jsou roztříděné podle fyzikálního principu.

(Tato práce byla sepsána jako součást mého studia na FBMI)

2      Mechanické měření pohybu (goniometry, potenciometry, tenzometry) 

3      Inerciální systémy (akcelerometry, gyroskopy, magnetometry) 

4      Snímání pohybu s využitím elektromagnetismu

5      Ultrazvukové systémy

6      Kamerové systémy – RGB

7      Kamerové systémy – Infračervené

8      Trojrozměrné kamery

9      Elektromyografie

10        Ostatní systémy

11        Zdroje

 

2          Mechanické měření pohybu (goniometry, potenciometry, tenzometry)

Základní měření rozsahu kloubů je možné provést pomocí mechanického goniometru, který po správném upevnění měří aktuální úhel, který svírají jednotlivé segmenty lidského těla. Měření takovýchto úhlů se využívá k vyhodnocování rozsahu v daném kloubu.

Pro přesnější vyhodnocení jsou k dispozici goniometry elektrické [1]. Potenciometrický elektrogoniometr má v kloubu umístěný otočný potenciometr, jenž mění elektrický odpor. Při změně úhlu se mění odpor a následně měřené napětí, které po přepočtu odpovídá měřenému úhlu.

 

Obr.  1: Elektrogoniometr měřící úhel pomocí potenciometru. Opěrná část se pomocí pásků připevní na segmenty lidského těla (například na předloktí a paži, při měření úhlu v lokti) [1]

Obr.  1: Elektrogoniometr měřící úhel pomocí potenciometru. Opěrná část se pomocí pásků připevní na segmenty lidského těla (například na předloktí a paži, při měření úhlu v lokti) [1]

Další možnost, jak získat měřený úhel mezi segmenty lidského těla, je ohebný goniometr. Jeho využití je snazší a přesnější než u předchozího typu. Na segmenty se připevní dvě části goniometru, které jsou vzájemně spojeny.

Obr.  2: Připevnění ohebného elektrogoniometru [2].

Obr.  2: Připevnění ohebného elektrogoniometru [2].

Úhel je měřen v ohýbané části soustavou tenzometrů. Tenzometr je pasivní elektrotechnická součástka, která při deformaci mění svůj odpor. Předpokládá se, že na tenzometr působí stejná deformace jako na nosnou část (na Obr.  2 tmavá část mezi zeleným uchycením). Elektrický odpor je závislý na délce vodiče , jeho průřezu  a měrném elektrickém odporu .

Měrný elektrický odpor je teplotně závislý, proto je nutné zabývat se teplotním rozsahem, ve kterém je garantována jistá přesnost. Pro výše znázorněný goniometr (Obr.  2) je kolísání o 0,15 úhlových stupňů / °C při teplotním rozsahu 10 °C – 40 °C. Pro zjednodušení je možné považovat měrný elektrický odpor za tepelně nezávislý. V případě kovových odporových tenzometrů (Obr.  3) je měrný elektrický odpor téměř nezávislý na deformaci, avšak výrazně se  mění délka a průřez vodiče. V případě tenzometrů polovodičových se díky piezoodporovému jevu v případě deformace mění měrný elektrický odpor.

Obr.  3: Drátkový tenzometr. Při namáhání ve vodorovném směru se výrazně změní celková délka vodiče, což se projeví jako změna odporu.

Obr.  3: Drátkový tenzometr. Při namáhání ve vodorovném směru se výrazně změní celková délka vodiče, což se projeví jako změna odporu.

Tenzometry se též využívají pro měření tlakových sil, které je schopen člověk vyvinout. Takovéto zařízení se nazývá dynamometr a využívá se k hodnocení svalové činnosti člověka.

Tenzometry jsou též obsaženy v různých typech stabilometrických plošin, které jsou určeny k měření rozložení sil během stoje, chůze, či balancování, čehož se využívá například v ortopedii při zjišťování zatížení plosky nohou.

Obr.  4: Výstup z podiatrického softwaru určeného k hodnocení zátěže na plosku nohy. Obraz je získán z matice tenzometrů a kromě dvou prostorových rozměrů je možné zachytit rozložení sil i v čase pro podrobnější analýzu dynamiky chůze.

Obr.  4: Výstup z podiatrického softwaru určeného k hodnocení zátěže na plosku nohy. Obraz je získán z matice tenzometrů a kromě dvou prostorových rozměrů je možné zachytit rozložení sil i v čase pro podrobnější analýzu dynamiky chůze.

Posledním typem elektrického goniometru je goniometr optoelektronický, který využívá akcelerometrů a markerů pro přesné sledování pohybů. Tyto principy se nepoužívají pouze k měření úhlů a jsou popsány v kapitolách níže.

Výše zmíněné goniometry je možné použít pro sledování pohybů celého těla s pomocí exoskeletu například od společnosti Meta Motion [3]. Výhoda těchto obleků spočívá v nízké ceně (oproti optickým systémům) a malých nárocích na prostor. Nevýhodou je nižší přesnost a nutnost nosit vcelku robustní konstrukci.

Obr.  5:Exoskelet s goniometry pro sledování pohybů [3].

Obr.  5:Exoskelet s goniometry pro sledování pohybů [3].

3          Inerciální systémy (akcelerometry, gyroskopy, magnetometry)

Inerciální, neboli setrvačné senzory jsou takové, které zaznamenávají vychýlení z inerciální vztažné soustavy. Jejich princip je založen na setrvačnosti pohybu. Tyto senzory mohou pracovat společně v tzv. inerciální měřící jednotce (IMU), která se využívá za součinnosti Kalmanova filtru a případně jiných metod k určování polohy, rychlosti a zrychlení v prostoru. Takovéto senzory je možné použít ke komplexnímu zachycení pohybů těla.

Akcelerometry, jak už název napovídá, měří zrychlení pohybu. Běžně se využívá 3-osý akcelerometr. Pomocí takového senzoru je možné zjisti orientaci, ve které se nachází senzor vůči gravitačnímu poli země. Zjednodušeně řečeno můžeme zjistit, v jaké poloze se nachází například mobilní telefon, čehož se využívá při rozhodování o orientaci obsahu (na výšku či na šířku). Akcelerometry však neměří pouze zrychlení gravitační, ale zaznamenají jakoukoliv změnu rychlosti. Akcelerometr pozná zrychlení lineárního pohybu. Teoreticky je možné pomocí těchto senzorů měřit i pohyb rotační a s pomocí měření času je pak možné získat pozici. Důvodem proč takovéto měření pozice nefunguje je chyba měření, která neustále při numerické integraci roste. Příkladem 3-osého akcelerometru je vestibulární aparát ve vnitřním uchu. Člověk dokáže v případě omezení ostatních smyslů (zavřené oči) díky gravitační síle určit svojí aktuální polohu (leh, stoj, atd…) a směr pohybu, jak lineárního tak rotačního, ale určování  pozice v prostoru po krátkém časovém úseku pohybu (desítky sekund) jde jen velice omezeně.

Obr.  6:Popis principu akcelerometru pomocí tělesa na pružině.

Obr.  6:Popis principu akcelerometru pomocí tělesa na pružině.

Nejjednodušší akcelerometr je možné realizovat pomocí závaží na pružině. V této soustavě se uplatňuje Hookův zákon. Síla  působí na pružinu přímo úměrně velikosti roztažení pružiny :

Konstanta  je předem známá konstanta pružnosti. Druhý zákon, který se uplatňuje při vychýlení tělesa z klidu, či rovnoměrného pohybuje je druhý Newtonův zákon. Síla, která působí na těleso se rovná součinu zrychlení a hmotnosti tělesa:

Se znalostí předchozích dvou zákonů můžeme vyjádřit zrychlení jako:

Při známé hmotnosti  a konstantě  se problém měření zrychlení proměnil v měření velikosti vychýlení pružiny.

Výše zmíněný akcelerometr má spíše demonstrační, než praktické uplatnění. Nejčastější principy průmyslově vyráběných akcelerometrů jsou piezoelektrické, piezoodporové, tepelné akcelerometry a akcelerometry s proměnnou kapacitou.

Piezoelektrické akcelerometry obsahují piezoelektrický materiál, který generuje proud v případě namáhání. K měření není principiálně nutný zdroj energie, ale není možné změřit konstantní zrychlení, jelikož piezoelektrický materiál reaguje pouze na změnu zatížení.

Piezoodporové akcelerometry oproti tomu měří i statické zrychlení. Piezoodporový materiál mění svůj odpor v závislosti na zatížení. Měřením velikosti elektrického odporu například pomocí Wheatstonova můstku se zjišťuje zrychlení.

K zpřesnění pozice vypočítané pomocí akcelerometrů se využívají gyroskopy.

Principem gyroskopu je měření rotačního pohybu. Gyroskop se otáčí podél své osy a v tomto stavu zůstává dle prvního Newtonova zákona. Rotační pohyb zachytí gyroskop právě kvůli setrvávání v původní ose rotace, které je možné měřit mechanicky, či opticky.

Obr.  7:Gyroskop. V případě, že se bude otáčet tmavě zobrazený rotor a celý gyroskop by byl vychýlen, tak se rotor díky konstrukci gyroskopu bude otáčet stále ve stejné ose.

Obr.  7:Gyroskop. V případě, že se bude otáčet tmavě zobrazený rotor a celý gyroskop by byl vychýlen, tak se rotor díky konstrukci gyroskopu bude otáčet stále ve stejné ose.

V mnohých zařízeních se využívá 3-osý gyroskop  společně s akcelerometrem. Tyto 2 senzory jsou schopny zachytit všech 6 stupňů volnosti. Kombinací akcelerometru a gyroskopu je možné docílit relativně přesného sledování polohy. Je však nutné znát počáteční pozici a rychlost. Kompenzace chyby inerciálního systému složeného z gyroskopů a akcelerometrů se provádí pomocí Kalmanova filtru, který dokáže nastavovat váhy jednotlivých senzorů při účasti na výpočtu pozice.

Magnetometr neboli elektronický kompas se využívá právě k určení počátečního směru pohybu. Magnetická pole Země působí stále stejným směrem. Pro využití v medicíně nemá elektronický kompas příliš velké využití. Magnetometr je stejně jako akcelerometr a gyroskop často součástí tzv. inerciální měřící jednotky (IMU). Magnetometr se dá využít i v případě uměle vytvořeného magnetického pole.

4          Snímání pohybu s využitím elektromagnetismu

Magnetické systémy pro sledování pozice využívají 3 ortogonální cívky pro generování i snímání magnetického pole. Výhodou takového systému je propustnost magnetického pole skrze lidské tělo, které například u optických systémů mnohdy zabraňuje správné detekci polohy.

5          Ultrazvukové systémy

Ultrazvukové systémy jsou založeny na měření vzdálenosti pomocí známé rychlosti šíření zvuku a proměnlivého času. Jednoduchý a laciný (do 100 Kč) ultrazvukový senzor dokáže pomocí odrazu zvuku změřit vzdálenost předmětu s přesností na 3 mm. Maximální přesnost ultrazvukových senzorů je dána velikostí zvukové vlny, tedy senzory s větší frekvencí mohou být přesnější.

Obr.  8: Ultrazvukový senzor HC-SR04.

Obr.  8: Ultrazvukový senzor HC-SR04.

Na Obr.  8 je příklad měřiče vzdálenosti obsahující vysílač („reproduktor“) a přijímač („mikrofon“) ultrazvukového signálu. Dva ze čtveřice pinů slouží pro přívod napětí, jeden pro vyslání signálu do vysílače a další pro čtení signálu z přijímače. Rozdíl mezi těmito událostmi je doba, za kterou putuje zvuk k překážce a zpět. Výpočet vzdálenosti  ze známé rychlosti zvuku  a času mezi odchozím a příchozím signálem  shrnuje jednoduchý vtah:

Pro určení vzdálenosti stačí jeden senzor, pro určování polohy v trojrozměrném prostoru musí být senzory nejméně 3. Při snímání pohybů lidského těla se využívají aktivní markery, které emitují zvukové vlnění do svého okolí. Vlnění zachytí všechny tři senzory s různým časovým odstupem. Z časového odstupu je dopočítána vzdálenost. Senzory musí být od sebe dostatečně vzdáleny. Vysílače i přijímače jsou společně s řídící jednotkou propojeny. Ze známých vzdáleností vzájemné polohy senzorů a vzdálenosti vysílače je pak dopočítána poloha vysílače v prostoru (vzhledem k nějakému nulovému bodu). Toto měření se využívá například v kraniokorpografii, kde jsou markery umístěny na hlavu a ramena pacienta. Z pozic těchto bodů je pak možné diagnostikovat poruchy lidské rovnováhy a vestibulárního ústrojí.

Obr.  9: Kraniokorpografický systém. Uprostřed je senzor směřující na pacientku. Vpravo výpočetní jednotka [4].

Obr.  9: Kraniokorpografický systém. Uprostřed je senzor směřující na pacientku. Vpravo výpočetní jednotka [4].

Měření pohybu části lidského těla se též provádí při diagnostice patologií. Sonda diagnostického ultrazvuku je zároveň přijímač i vysílač a při správném použití a podpoře softwaru dokáže zobrazit rychlost průtoku krevních elementů. Toto měření funguje na základě Dopplerova jevu, kdy odražená zvuková vlna od pohybujícího se objektu mění svojí vlnovou délku v závislosti na rychlosti pohybu tělesa, od kterého se odráží.

6          Kamerové systémy – RGB

Kinematografické metody jsou založené na vyhodnocování pohybu z filmového záznamu. Standartní záznam z RGB kamery, kterou dnes disponuje běžný mobilní telefon, je možné hodnotit bez fyzikálních veličin. Filmový záznam převedený do jednoho obrazu se nazývá kinogram, na kterém je možné vidět jednotlivé fáze zkoumaného pohybu. Záznam z RGB kamery bývá často doprovodný například při hodnocení chůze. Při správné kalibraci je možné ze záznamu snímat vzdálenosti a velikosti. Při použití pouze jedné kamery je zkoumání omezeno na dva rozměry. Při použití více kamer je možné provádět rekonstrukci trojrozměrného obrazu, avšak pro vyhodnocení pohybů je lepší využít jiné a přesnější systémy. Výhoda RGB systému oproti níže zmíněným infračerveným spočívá v absenci rušivých pomůcek (markery) a snadné dostupnosti záznamových zařízení. Nevýhodou je pochopitelně nižší přesnost a vyšší nároky na zpracování obrazu.

7          Kamerové systémy – Infračervené

Hlavní výhoda infračervených kamer oproti běžným kamerám při vyhodnocování pohybů lidského těla je vyjmutí pouze důležitých dat (pozice značek) a výrazné zjednodušení při zpracování obrazu.

Na sledovaný objekt jsou připevněny značky, které buď dobře odráží (pasivní markery), případně emitují (aktivní markery) infračervené záření. Tyto značky jsou snímány pomocí kamer citlivých na infračervené záření. Důvod použití infračervených kamer a záření je snadná viditelnost význačných míst v běžné scéně. Vysoký kontrast markerů ulehčuje a zpřesňuje následné zpracování obrazu za účelem lokalizace značek.

Obr.  10: Skeletální model postavy zachycený soustavou kamer systému Vicon [5].

Obr.  10: Skeletální model postavy zachycený soustavou kamer systému Vicon [5].

Ke správnému určení pozice světlého bodu je potřeba alespoň dvou kamer. V praxi se kamer využívá daleko víc z důvodu přesnější lokalizace. Funkčnímu systému předchází kalibrace, tak aby řídící program věděl o polohách všech kamer v prostoru.

Infračervené systémy jsou pro hodnocení komplexního pohybu při požadavku vysoké přesnosti asi nejlepší řešení. Dokáží snímat při HD rozlišení (720 horizontálních bodů) 120 snímků za sekundu a přesnosti větší než 0,1 mm [6].

Infračervené kamery se kvůli necitlivosti lidského oka na infračervené záření využívají k vyhodnocování pozice a polohy zornice (pupilometrie).

8          Trojrozměrné kamery

Zajímavou alternativou pro zpracování pohybu lidského těla nabízejí trojrozměrné kamery, jako je například herní ovladač Kinect [7] od společnosti Microsoft. Senzor obsahuje RGB a infračervenou kameru a také emitor infračerveného záření, které na objektech před kamerou vytváří specifickou mapu infračervených bodů. Tato mapa je v prostoru deformována a za použití algoritmů je dopočítána hloubka každého z 1280 x 1024 bodů. Tyto výpočty se provádí přibližně při 20 snímcích za sekundu. Hloubková mapa prostoru se posléze využívá k hledání lidské postavy, což je softwarová záležitost využívající rozsáhlou vnitřní databázi lidských postav. Veškeré tyto výpočty se provádějí na samotném čipu Kinectu a výstupem skrz USB rozhraní jsou streamy zachycující barevný obraz z RGB kamery, hloubkovou mapu, obraz z infračervené kamery a stream obsahující pozici a další informace o detekovaných lidských postavách.

Obr.  11: Nalezené postavy jsou zvýrazněny v hloubkové mapě (a). Skeletální model obou postav (b)

Obr.  11: Nalezené postavy jsou zvýrazněny v hloubkové mapě (a). Skeletální model obou postav (b)

Přesnost Kinectu nedosahuje přesností infračervených systémů, avšak pro méně náročné aplikace pro sledování pohybu a při ceně pod 3 tis. Kč je mnohdy dostačující

9          Elektromyografie

Elektromyograf je přístroj sloužící k vyšetření aktivity svalů. Pomocí elektrod je možné snímat elektrické potenciály, které uvádějí sval v pohyb. Snímané elektrické napětí je veliké řádově ve stovkách μV. Tento potenciál vzniká změnou koncentrace iontů ve svalové buňce. EMG elektrody pro snímání signálů mohou být povrchové a jehlové. Povrchové elektrody snímají větší množství svalových buněk a výsledný signál je sumací jednotlivých příspěvků. Jehlovou elektrodou je možné omezit zisk signálu pouze z jedné motorické jednotky.

Obr.  12: Příklad EMG signálu (modrý průběh nahoře). V dolním grafu je možné porovnat EMG signál s množstvím vynaložené síly (měřeno dynamometrem).

Obr.  12: Příklad EMG signálu (modrý průběh nahoře). V dolním grafu je možné porovnat EMG signál s množstvím vynaložené síly (měřeno dynamometrem).

10     Ostatní systémy

Vyhodnocení pohybů je též možné provádět zcela bez součinnosti měřících přístrojů, pouze sledováním daného subjektu. Tato kvalitativní analýza je ve skutečnosti doplňkem téměř každého zde zmíněného způsobu.

Pomocí čas měřících zařízení je možné provádět chronografii, tedy zaznamenávat čas při vykonávání nějakého opakujícího se pohybu.

Stroboskopie vytváří pohybovou frekvenci na jednom filmovém políčku díky rotační závěrce, která se otevře vždy po nějakém časovém úseku (typicky několikrát za sekundu). S přístupem digitální technologie a zpracování obrazu ustoupila tato metoda do pozadí.

11     Zdroje

  1. Implementing an Electrogoniometer. Mangiapelo, Leonardo. 2008.
  2. Oficiální stránky výrobce Biometrics Ltd. [Online] [Citace: 12. 9 2016.] http://www.biometricsltd.com/.
  3. Motion Capture Suits. Meta Motion. [Online] Meta Motion, 12. 9 2016. [Citace: 12. 9 2016.] http://metamotion.com/gypsy/gypsy-motion-capture-system-mocap.htm.
  4. Oficiální stránky společnosti Zebris. [Online] http://www.zebris.de/english/index.php.
  5. Simulation of Subject Specific Bone Remodeling. Ajay Sonar, James Carroll. Potsdam : autor neznámý, 2013.
  6. Oficiální stránky VICON. [Online] https://www.vicon.com/.
  7. Oficiální stránky Kinect pro vývojáře. [Online] https://developer.microsoft.com/en-us/windows/kinect.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *