Алгоритм обработки видеоданных для анализа кинематики нижних конечностей

Метод исследования кинематики нижних конечностей в различных источниках может называться по-разному, но общепринятым названием является «гониометрия».

Гониометрия, в медицинском понимании – это метод измерения углов между различными отделами конечностей человека или конечности и туловища с использованием для этих целей специальных инструментов. А применимо к исследованию движений нижних конечностей, гониометрия – это измерение кинематических характеристик, т. е. под кинематикой понимается изменения углов в суставах нижней конечности во времени.

Гониометрия – это один из методов анализа движений. Анализ движений, в свою очередь – одна из областей такого раздела медицины, известного как «клиническая биомеханика».

Гониометрия может производится следующими способами:

· С применением датчиков углов;

· Циклографическим методом;

· Посредством видеорегистрации (видеоанализ), в данной статье представлен этот метод.

Суть метода анализа кинематики нижних конечностей посредством видеорегистрации заключается в следующем: с помощью видеокамеры производится запись движения человека вдоль прямой, с прикрепленными на нижнюю конечность пассивными (светоотражающими) или активными (излучающими) маркерами; далее с помощью специальной программы производится анализ полученного видеофайла.

Разработка программы

Программа для обработки видеофайлов была реализована в среде MATLAB. На рисунке 1 представлен алгоритм работы разработанной программы.

Рисунок 1. Алгоритм работы программы

Корректность работы, разработанной программы была проверена на двух объектах исследования: два видеофайла, на которых представлены кадры перемещения обследуемых лиц по прямой линии.

На рисунке 2 (а–в) представлены гониограммы тазобедренного сустава, также средние значения + СКО для каждого из двух объектов исследования.

Рисунок 2. Гониограммы тазобедренного сустава (а – гониограмма для первого файла; б – гониограмма для второго файла; в – средние значения + СКО для обоих файлов)

В первые 8 % ЦШ (фаза контакта и почти вся фаза нагружения) тазобедренный сустав практически неподвижен, основная нагрузка падает на голеностопный и коленный суставы. Разгибание начинается лишь после постановки всей стопы на опору, т. к. до этого момента все продвижение осуществляется за счет абсорбции энергии падения (удара) ноги на поверхность опоры. Плавное, почти линейное разгибание продолжается весь период одиночной опоры, максимальное разгибание достигается к моменту начала периода двойной опоры. Это движение обеспечивает продвижение тела вперед.

На рисунке 3 (а–в) представлены гониограммы коленного сустава, также средние значения + СКО для каждого из двух объектов исследования.

Рисунок 3. Гониограммы коленного сустава (а – гониограмма для первого файла; б – гониограмма для второго файла; в – средние значения + СКО для обоих файлов)

Гониограмма коленного сустава показывает сгибание-разгибание колена в течение цикла шага. В начале цикла колено почти полностью разгибается, поэтому угол на графике приблизительно равен 20°, далее колено сгибается до 60° и снова полностью разгибается к концу цикла.

На рисунке 4 (а–в) представлены гониограммы голеностопного сустава, также средние значения + СКО для каждого из двух объектов исследования.

Рисунок 4. Гониограммы коленного сустава (а – гониограмма для первого файла; б – гониограмма для второго файла; в – средние значения + СКО для обоих файлов)

Гониограмма голеностопного сустава имеет наиболее сложный вид и в течение цикла шага сгибание и разгибание данного сустава происходит несколько раз.

На рисунке 5 показан общий вид окна программы, который можно увидеть после проведения всего анализа.

Рисунок 5. Общий вид окна программы

Соберем все основные показатели полученных гониограмм в одну таблицу (таблица 1)

Таблица 1.

Основные показатели гониограмм

По таблице 1 можно видеть, что наибольшее различие среди двух испытуемых показывает гониограмма голеностопного сустава.

Заключение

Результаты работы:

1) Рассмотрены различные методы и алгоритмы анализа кинематики нижних конечностей.

2) Разработан алгоритм анализа движения посредством видеорегистрации.

3) Разработана программа в среде MATLAB, реализующая данный алгоритм.

Достоинства разработанной программы:

1) Высокая автоматизация проводимых исследований;

2) Наглядность и информативность получаемых результатов;

3) Отсутствие затрат на приобретение дорогостоящего оборудования

Недостатки: большая длительность проводимых исследований.