Введение

В настоящее время существует проблема создания недорогого, эффективного и удобного в использовании комплекса для оценки качества движения человека. Поскольку в управлении движениями принимают участие многие отделы ЦНС, нарушения координации движений могут быть использованы в целях диагностики. Они проявляются нарушениями устойчивости при стоянии и ходьбе, асимметрией движений правой и левой стороны, нарушениями точности движений, снижением силы и уменьшением скорости. Регистрация пространственных и временных характеристик движений с их количественным представлением дает возможность оценить степень двигательных расстройств при различных заболеваниях, ход восстановления двигательных функций, предложить эффективные методы двигательной реабилитации.

Исходя из этого, необходимо выполнить поиск уже существующих методов для оценки качества движения, в том числе для спортсменов и людей, находящихся в условиях реабилитационного периода, и оценить работоспособность и эффективность таких методов решения проблемы в процессе их применения. Все методы имеют свои достоинства и недостатки, поэтому их анализ позволит сформулировать основные требования к данному виду технических средств и определить цели и дальнейший план работы.

Основная часть

Электромагнитные системы позиционирования.

Технология включает генерирование магнитного поля с известным пространственным распределением в зоне перемещения подвижного объекта, измерение компонент генерируемого поля подвижным приемником, жестко связанным с подвижным объектом, вычисление координат подвижного объекта путем сравнения измеренных значений компонент поля с вычисленными для предполагаемых координат с уточнением последних итерационной процедурой.

Сложная и наукоёмкая технология магнитного позиционирования возникла в США во второй половине прошлого века. В России магнитные трекеры не производятся .

Одним из лидеров по магнитному позиционированию в медицине является американская компания Ascension[4]. Программное обеспечение для оценки качества движения спортсменов предоставляет компания The Motion Monitor.

Магнитное позиционирование широко используется для оцифровывания движений человека, например в различных программах реабилитации. Наблюдение движения в реальном времени используется и в спорте для того, чтобы оптимизировать тренировочный процесс. В биомеханике подвижные электромагнитные приемники располагают на теле человека. Зона перемещения в данном случае составляет 2–3 метра. Технологии электромагнитных систем позиционирования объединяют с современным специализированным программным обеспечением и средствами визуализации движений в реальном времени (рис.1,2,3). Данные системы дают возможность сканирования скелета человека и костных имплантатов до и после операции.

Рис.1 Анализ работы рук при использовании ходунков

Рис.2,3 Обратная связь в режиме реального времени

Другая американская компания, занимающаяся электромагнитным позиционированием - PolHemus.

1.1. Захват движения для рук при использовании Polhemus System

Двигательная зона коры головного мозга, контролирующая движения всего тела, функционально разделена на области, каждая из которых контролирует свою отдельную часть тела. Двигательная зона, отвечающая за движения рук, почти полностью включает в себя зоны кистей, торса и нижней части тела. Этот физиологический факт показывает, что движения рук требуют внимательного контроля и изучения. Таким образом, движения наших рук могут являться исполнительным механизмом нашего тела. Однако измерить движение рук достаточно сложно, поскольку каждая рука состоит из 27 костей и 19 суставов. И эта задача будет выглядеть еще сложнее, если для исследования использовать пианиста.

В работе представлены результаты исследований. Разработана высокоточная система 'Hand MoCap system', основанная на электромагнитной системе сопровождения LIBERTY™ с использованием легких и маленьких приемников. В качестве кабелей для приемников были использованы специальные тонкие провода, не препятствующие движениям пальцев.

Рис.2

На Рис.2 показана структурная схема. Электромагнитная система сопровождения включает в себя один передатчик (23*28*16 мм) и 17 приемников (9.6*9.6*9.6 мм), с помощью которых получают информацию о расстоянии (x, y, z) от передатчика до приемников и относительные углы между ними. Две системы LIBERTY соедены с компьютером (ThinkPad, IBM) через USB. Hand MoCap system измеряет данные (шесть степеней свободы) 32 приемников с частотой 240Hz одновременно, разрешение - 0.0038мм, угловое разрешение - 0.0012 град.

Рис.3

1.2. Захват движения лодыжек у сноубордистов.

Известно, что количество травм в сноубординге, получаемых от падения, составляет от 4 до 6 на каждую тысячу. По сравнению с травмоопасностью в горнолыжном спорте, сноубордисты более склоны к травмам лодыжек. Кроме того, занятие сноубордингом в мягких ботинках ведет к большему риску получения ушиба или растяжения чем в жестких ботинках. Поэтому, в качестве цели была поставлена разработка подхода для измерения кинематических показателей движения лодыжек сноубордиста при выполнении им маневров.

Была разработана портативная система на базе электромагнитной системы позиционирования PolHemus с четырьмя датчиками (шесть степеней свободы), работающая на двух 12 вольтовых батарейках с беспроводным соединением с персональным компьютером. Датчики прикрепляются к голеням (переднемедиальной поверхности большой берцовой кости) и ступням (задней поверхности пяточной кости) сноубордиста. Электромагнитный источник установлен между двумя креплениями сноуборда, таким образом, общая система определения координат привязана к сноуборду. Крепления отрегулированы на 21 и 6 передней и задней ноги соответственно. Система захвата движения, батареи и ноутбук находятся в рюкзаке сноубордиста. Процедура анатомической калибровки выполняется для определения пространственного отношения между каждым датчиком и установления системы координат.

Испытание системы включало спуск по подготовленному склону средней сложности с десятью поворотами и торможение. Каждому спортсмену было предоставлено три попытки для спуска свободным стилем в мягких ботинках. Система захвата движения в процессе спуска сноубордистов работает на частоте 120 Гц (30 Гц на каждый датчик). Записанные сигналы сглаживаются с помощью двухтактного фильтра Баттерворта второго порядка.

Рис.4

Анализ предварительных данных двух человек представлен на Рис.4 в виде диапазона отклонения лодыжек во фронтальной и сегетальной плоскостях. Отклонение от нормального положения (IV) передней ноги и отклонение (EV) и тыльное сгибание (DF) задней ноги позволяет сноубордеру перемещать свой вес к хвосту доски. Радикально другой диапазон отклонения лодыжек наблюдается в поперечной плоскости. У одного человека передняя нога отведена в одну сторону (AD), в то время как у другого – в другую (AB). Так как изначальные углы креплений у всех испытуемых были одинаковы, то это можно объяснить перемещением голени к естественному положению ступни в поперечной плоскости, которое может быть различной у разных людей[20].

Исходя из вышеприведенных работ, можно говорить о том, что электромагнитный трекинг занимает свою нишу в вопросе позиционирования и оценки движения человека. Данный метод обладает хорошей точностью измерения координат и углов, не требует трудоемкой калибровки и может работать в условиях отсутствия прямой видимости. Однако он имеет некоторые недостатки, например необходимость построения специально подготовленного помещения (или сцены), не содержащего металлических элементов, поскольку они могут влиять на электромагнитное поле и тем самым ухудшать точность измерений.