Stereofotogrammetria

Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
LABORATORIO DI ANALISI DEL MOVIMENTO UMANO
Stereofotogrammetria elettronica per l‟analisi
quantitativa del movimento
Outline
Argomenti
della lezione
• Principi e metodi delal stereofotogrammetria
• Struttura di un laboratorio di analisi del movimento
•
I protocolli tecnici e anatomici per il posizionamento dei markers
• Calibrazione, acquisizione ed elaborazione dei dati, reportistica
• Gait Analysis: variabili significative.
Esempi di cammino normale e
patologico
• Esercitazione pratica sulla
Gait Analysis
Lo studio del movimento umano
„Qualunque aspetto del movimento umano si voglia studiare, per prima cosa
occorre osservarlo‟ (Galileo)
DINAMICA:
perchè si
muove?
CINEMATICA:
quando si
muove?
Angoli Articolari,
Orientamento Segmenti
e Spostamento.
Misurati con i sistemi
di Motion Capture
ELETTROMIOGRAFIA:
attivazione muscolare
durante il movimento
Timing e Intensità del
Segnale
Elettromiografico.
Misurati con degli
elettrodi
Forze, Momenti, E
Potenze Articolari.
Misurati con
piattaforme di forza.
Scopi della misura
Outline quantitativa del movimento
Analisi
Fornisce delle misure quantitative del movimento relative a cinematica,
dinamica e attivazione muscolare
ANALISI INTEGRATA
MULTIFATTORIALE
QUANTITATIVA
NON INVASIVA
TRIDIMENSIONALE
I sistemi optoelettronici che utilizzano telecamere operanti nella gamma del visibile o del
vicino infrarosso, unitamente a marcatori posti sulla cute del soggetto, rappresentano la
soluzione tecnologica più diffusa per la stima del movimento umano. I sistemi
optoelettronici non forniscono una misura diretta delle variabili cinematiche ma una stima
delle traiettorie cinematiche.
Che cosa è la stereofotogrammetria?
La capacità di percepire la natura tridimensionale degli oggetti che ci
circondano è definita visione stereoscopica ed è dovuta dall’impiego
combinato dei due occhio.
Il cervello riceve quindi una doppia immagine di ciascun oggetto, una da
ogni occhio, e ha la capacità di unirle in un'unica immagine
tridimensionale fortemente differente dalle immagini originali.
Stereofotogrammetria: principi
Ricostruzione 3D del punto:
Dato un punto che si muove nello spazio del laboratorio, è possibile esprimere il
funzionamento di questo sistema come la ricostruzione della posizione che il punto assume
istante per istante, fornendo una terna spaziale caratteristica (x,y,z) rispetto alla terna di
riferimento del laboratorio stesso.
Per poter definire la posizione spaziale di un punto per mezzo delle sue coordinate, è
necessario che il punto venga osservato contemporaneamente da almeno due punti di vista
distinti.
La registrazione della
posizione permette di
calcolare le velocità e
le accelerazioni dei
punti lungo la
traiettoria.
Stereofotogrammetria
Sebbene la stereofotogrammetria optoeltronica sia un potente mezzo per la quantificazione
della cinematica segmentale ed articolare finalizzata alla valutazione della funzionalità
motoria, essa è affetta da diverse tipologie di errori:
Sistemi optoelettronici per l‟analisi del movimento
Vantaggi:
- accuratezza, precisione e affidabilità;
- tutti i dati si riferiscono a un sistema di riferimento assoluto;
- sono indipendenti dal numero di marker utilizzati,
- nessun ostacolo al movimento
- acquisizioni total body
Svantaggi:
- spesso costretta all’interno di laboratori (no spazi aperti);
- strumentazione costosa,
- necessaria accurata calibrazione per la bontà dei dati
Clinica:
-
Quantificare le limitazioni funzionali in maniera oggettiva;
Definire percorsi terapeutici e supportate le decisioni cliniche;
Monitorare gli andamenti di una terapia riabilitativa;
Documentare l’efficacia di nuovi ausili o protesi.
Strumentazione di un Laboratorio di Analisi del
Movimento
cinematica
attivazione
muscolare
dinamica
ripresa video
60
100
Ampiezza (mV)
40
20
0
0
20
40
60
80
100
50
0
-50
-100
0
2
4
Tempo (s)
6
Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento
Sensore CCD (ChargeCoupled Device)
Diodo a Effetto Collaterale
Sensore CMOS (Complementary
Metal-Oxide Semicondutor)
Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento
Sensore CCD (ChargeCoupled Device)
Sensore CMOS (Complementary
Metal-Oxide Semicondutor)
Il sensore CCD consiste in un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori in
grado di accumulare una carica elettrica proporzionale all'intensità della radiazione elettromagnetica
che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati in modo che ognuno di essi, sollecitato da un
impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente. Inviando al
dispositivo una sequenza temporizzata d'impulsi, si ottiene in uscita un segnale elettrico grazie al
quale è possibile ricostruire la matrice dei pixel che compongono l'immagine proiettata sulla
superficie del CCD stesso.
Il sensore CMOS è invece usato in elettronica per progettare circuiti integrati alla cui base sta l’uso
dell’invertitore a transistor mosfet.
Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento
I markers attivi sono costituiti da LED che generano autonomamente il segnale
luminoso e vengono posizionati in specifici punti di repere dei quali si vuole definire la
traiettoria. Questi dispositivi necessitano però di alimentazione e sincronizzazione via
cavo.
I marker passivi sono costituiti da materiale catarifrangente in grado di riflettere luci di
lunghezza d’onda caratteristica compresa tra i 780-820 nm; sono di forma sferica e
vengono posizionati a livello dei punti di repere per mezzo di un supporto platico. Le
luci vengono emesse da illuminatori coassiali con le telecamere e situati posteriormente
ad esse, costituiti da opportuni filtri ottici e in grado di localizzare i markers nel volume
di misura.
Diodo a Effetto Collaterale
Marker passivi
Protocolli per l‟analisi del movimento: sistema di
riferimento tecnico e anatomico
Sistemi di riferimento rispetto ai quali sono restituite le coordinate istantanee 3D dei marker:
- Globale o del laboratorio: fisso, rispetto a cui vengono fornite le coordinate dei marker
- Tecnico: arbitrario, solidale a un segmento osseo. Determinato usando la posizione di
almeno 3 marker non allineati (cluster)
- Anatomico: i suoi piani approssimano quelli anatomici. Determinato sfruttando i punti di
repere anatomici (RA)
Protocolli tecnici e anatomici
Protocolli tecnici: cluster di marker (minimo
3 elementi) in posizioni non corrispondenti a
punti anatomici. Ogni cluster individua un
sistema di riferimento tecnico solidale con il
segmento corporeo su cui è stato applicato ma
è differente dal sistema di riferimento
anatomico del segmento. È richiesta la
calibrazione aggiuntiva per la definizione
della relazione tra sistema di riferimento
tecnico e quello anatomico. Es. Protocollo
CAST (Calibrated Anatomical System
Technique).
Protocolli anatomici: posizionamento di
marker sulla cute del soggetto in punti di
repere in cui si trova riferimento alla struttura
ossea. I centri articolari venfono calcolati
mediante algoritmi basati su parametri
antropometrici del soggetto in esame. Es.
Protocollo SAFLO, Helen Hayes o Davis.
Protocollo Davis
In ambito clinico i protocolli maggiormente diffusi sono quelli anatomici e in particolare il più
usato a livello internazionale per l’analisi del cammino è il protocollo Helen Hayes Marker Set
o Protocollo Davis. Il protocollo prevede la rilevazione dei parametri antropometrici del soggetto
(altezza, peso, distanza tra le creste iliache anteriori e spessore del bacino, lunghezza gamba,
distanza tra i condili femorali o diametro del ginocchio, distanza tra i malleoli o diametro della
caviglia), usati per stimare la posizione dei centri articolari e il posizionamento di 22 marker in
specifici punti di repere.
Posizionamento Markers (bilateralmente):
• acromion e settima vertebra cervicale (C7)
• creste iliache e osso sacro
• grande trocantere, epicondilo femorale
laterale e un marker posizionato su di una
• barra posta circa a metà coscia
• testa della fibula, malleolo e un marker posto
su di una barra posizionata circa a metà tibia
• quinto metatarso e tallone (solo nella fase di
standing)
Calibrazione del sistema
Fase preliminare dell‟acquisizione di
un qualsiasi tipo di prova necessaria
per definire il volume all‟interno del
quale andrà a svolgersi la prova.
Durante questa fase vengono
determinati tutti i parametri necessari
per ricostruire la scena tridimensionale,
i parametri interni (lunghezza focale,
coordinate del punto materiale,
coefficienti di distorsione, etc.) e i
parametri esterni, come il sistema di
riferimento della telecamera rispetto al
sistema di riferimento globale.
Calibrazione del sistema
1. Sequenza Axes: definisce la
direrione dei tre assi. Identifica la
posizione del sistema di riferimento
assoluto del laboratorio
2. Sequenza Wand: identifica il
volume all’interno del quale si svolgerà
la prova.
3. Sequenza Platform: identica la
posizione della piattaforma (direzione x
concorde con quella del cammino).
1
2
3
Calibrazione del sistema
Le prestazioni del sistema, in termini di accuratezza e precisione, possono dipendere dal setup del laboratorio (numero e posizione delle telecamere, dimensioni del volume di misura,
dimensione e forma dell’oggetto di calibrazione e cura della procedura di calibrazione)
Importanza di una corretta
calibrazione per l’attenuazione
degli errori strumentali
Analisi quantitativa del movimento: Gait Analysis
Protocolli standard:
•
•
•
•
•
Posizionamento dei marker
Modalità della prova
Organizzazione dei tracciati
Parametri analizzati
Reportistica
Knee Flex-Ext
60
40
Interpretazione
20
1.Posizionamento
marker e Motion
Capture
0
0
Modello
biomeccanico
20
40
60
80
Angoli, velocità
e informazioni
cinematiche
100
Step principali per una prova di Gait Analysis
1. Preparazione del
paziente
Valutazione neuropsicologica
Rilievo dei dati antropometrici
Posizionamento dei markers
2. Modalità della
prova
Prova di standing
Prova di walking
Step principali per una prova di Gait Analysis
3. Elaborazione
della prova
4. Reportistica
finale
Identificazione degli eventi del ciclo del passo
(Contatto iniziale, IC, e distacco del piede , TO)
Il ciclo del passo: parametri temporali
Ciclo del passo: intervallo di tempo compreso tra due
appoggi successivi dello stesso piede.
Fase di appoggio: il piede si trova a contatto col
terreno e occupa circa il 60% di tutto il ciclo del
passo.
Fase di volo: il piede non si trova a contatto con il
terreno, cioè quando la gamba viene slanciata e
portata avanti. Occupa circa il restante 40% del gait
cycle.
Il ciclo del passo: parametri spaziali
Stride length = Step right + Step left
Left Step
length
Step width
Right Step
length
Cadenza (step/min) = numero di passi per unità di tempo
Velocità (m/s) = cadenza * lunghezza del passo
Il ciclo del passo: Parametri spazio-temporali
Valori di un soggetto sano adulto
Cinematica del cammino
2. Definizione delle
traiettorie 3D dei
marker
1. Posizionamento
markers
3. Calcolo sistema di
riferimento tecnico
4. Calcolo dei centri
articolari
5. Definizione del
sistema di riferimento
anatomico
6. Calcolo angoli
articolari e definizione
ciclo del passo
7. Rappresentazione
degli angoli articolari in
funzione del ciclo del
passo
Marker reali (sulla cute del
soggetto)
Marker virtuali (ricostruzione)
Movimenti permessi e convenzioni
Frontale
ADDUZIONE: avvicinamento dell’arto al
piano sagittale del corpo
ABDUZIONE: allontanamento dell’arto dal
piano sagittale del corpo
Sagittale
FLESSIONE: quando un arto si avvicina al
tronco-piano frontaleESTENSIONE: quando l’arto si allontana dal
tronco –piano frontale-
Trasversale
INTRAROTAZIONE: avvicinamento all’asse
mediale
EXTRAROTAZIONE: allontanamento
dall’asse mediale
Report cinematica
Frontale
Tronco
Pelvi
Anca
Ginocchio
Caviglia
Sagittale
Trasversale
Obliquità pelvica
ROTAZIONE DEL BACINO INTORNO
ALL’ASSE ANTERO-POSTERIORE
+
Tilt pelvico (antiversione e retroversione pelvica)
ROTAZIONE DEL BACINO INTORNO
ALL’ASSE MEDIO-LATERALE
Rotazione pelvica
ROTAZIONE INTORNO ALL’ASSE LONGITUDINALE.
Abd-Adduzione Anca
NORMALI
IC: 2°
LOADING RESPONSE: 5°
MIDSTANCE: 0°
TERMINAL STANCE: 5°
SWING: -5°
TERMINAL SWING: 0°
Flesso-Estensione Anca
Rotazione Anca
ANGOLO COMPRESO TRA L’ASSE
ANTERO-POSTERIORE DEL BACINO E
QUELLO DELLA COSCIA NEL PIANO
TRASVERSALE.
POSITIVA: INTRAROTAZIONE
NEGATIVA: EXTRAROTAZIONE
Flesso-Estensione Ginocchio
Dorsi-Planta flessione Caviglia
Rotazione del piede
Forze di reazione del terreno
Quando il peso del corpo viene trasferito sul piede d’appoggio, sul terreno si genera un
sistema di forze (orizzontali e verticali) e di momenti, la cui conoscenza e’ importante per
determinare lo stress a cui sono sottoposte le strutture muscolari e articolari
La misura di tali forze (GRF, ground reaction forces) si effettua con uno strumento detto
“piattaforma di forza “ (pedana rigida accoppiata con sensori di forza disposti in modo
opportuno).
Fz
Fx
Fy
Forze di reazione del terreno
Il soggetto deve trasferire spontaneamente
il carico sulla piattaforma: la collocazione
volontaria del piede sullo strumento
(targeting) non e’ desiderabile perche’
genera un’alterazione innaturale nei
movimenti degli arti .
Spesso si ricorre a strategie di
mascheramento per evitare tali problemi.
Il piede analizzato deve occupare per
intero l‟area della piattaforma, mentre
l‟altro deve restare fuori (a volte si
ricorre alla doppia piattaforma laddove
possibile).
Forze di reazione del terreno (GRF)
I dati più frequentemente rilevati mediante piattaforme di forza sono:
• Forza verticale (Fy) e Forze di taglio orizzontali
(in ML e AP, Fz e Fx)
• Diagrammi vettoriali
• Momenti articolari
• Posizione del centro di pressione (COP)
GRF ha un ruolo
importante
nell’insorgenza di
lesioni a carico
degli arti inferiori.
Forze di reazione del terreno (GRF)
I dati più frequentemente rilevati mediante piattaforme di forza sono:
• Forza verticale (Fy) e Forze di taglio orizzontali
(in ML e AP, Fz e Fx)
• Diagrammi vettoriali
• Momenti articolari
• Posizione del centro di pressione (COP)
GRF ha un ruolo
importante
nell’insorgenza di
lesioni a carico
degli arti inferiori.
Componente verticale
L’andamento tipico delle forze
verticali nella fase di appoggio (a
velocita‟ “normale”, 80 m/min,
4.8 km/h 12.5 min/km) presenta
due picchi separati da un
avallamento
B
Quando le velocita’ non e’ troppo
elevata, il valore di picco e’
all’incirca il 110% del peso
corporeo mentre nell’avallamento
si ha circa l’80% del peso.
D
C
A
E
Componente verticale
B: il CoG si abbassa aumentando
l’effetto di accelerazione del peso
corporeo.
B
C: sollevamento del CoG per la
rotazione in avanti sul piede vincolato al
terreno
D: accelerazione verso il basso quando il
peso del corpo è trasferito in avanti per la
rotazione dell’AP
D
C
A
E
Componente verticale
La velocita’ del passo altera in modo
significativo la distribuzione delle
forze verticali.
Il cammino a bassa velocità (<60
m/min) riduce il momento e quindi
l’accelerazione verticale con un
corrispondente appiattimento di picchi
e avallamento.
Nella corsa, invece, si registrano
picchi di forza di ampiezza fino a 2.5
volte il peso corporeo.
Elettromiografia di Superficie
Strumenti di
acquisizione
BTS FREEEMG 100
Sistemi optoelettronici
Piattaforme di forza
Elettromiografi
Sistemi a sensori inerziali
Sistemi baropodometrici
Ampiezza (mV)
100
50
0
-50
Ampiezza (mV)
-100
0
2
400 0
200
2
400
4
Tempo (s)
6
0
-400
• Misura dell’attività muscolare di un muscolo
durante la sua contrazione volontaria.
• Non invasività
• Elettromiografo wireless: dimensioni ridotte
delle sonde e assenza di cavi
Ampiezza (mV)
-800
4
Tempo (s)
6
0
-200
-400
-600
0
2
4
Tempo (s)
6
È possibile effettuare l’analisi di qualsiasi
movimento senza alterare il gesto motorio del
soggetto in esame
Esempi cammino patologico
1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da
Sclerosi Multipla – RR
PRE-Trattamento
Dopo un mese di trattamento
Esempi cammino patologico
1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da
Sclerosi Multipla – RR
Flex-Ext Anca
Dorsi-Plant. Caviglia
Gait cycle (%)
Pre Trattamento
Post Trattamento
Normalità
Gait cycle (%)
Flex-Ext Ginocchio
Esempi cammino patologico
1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da
Sclerosi Multipla – RR
PRE
POST
Esempi cammino patologico
2. Spasticità muscolare in un soggetto affetto da Sclerosi Multipla – RR
PRE
POST
Anca
Esempi cammino patologico
2. Spasticità muscolare in un soggetto affetto da Sclerosi Multipla – RR
PRE
POST
Esempi cammino patologico
3. Soggetto affetto da Malattia di Parkinson
Esempi cammino patologico
3. Soggetto affetto da Malattia di Parkinson
Laboratorio di Bioingegneria ed Ergonomia Industriale
Telecamere
Infrarosso 120 Hz
BTS Smart DX
cinematica
Laboratorio di
Analisi del
Movimento
Elettromiografia di superficie
Wireless (6 canali)
attivazione
BTS RT-100
muscolare
dinamica
Piattaforma di forza
BTS P-6000