Уменьшение случайных ошибок измерений, связанных с креплением маркеров на теле испытуемых

Технические требования к маркерам. Для определения кинематических характеристик локомоций (координаты и их производные) и проведения видеоанализа движений на тело человека ставят маркеры. Положение маркеров на теле человека ориентировано относительно различных анатомо-биомеханических образований, таких как: мыщелки, костные выступы, центры вращения в суставах (Бернштейн Н.А., «О построении движений», 1947). Маркеры бывают двух типов: активно и пассивно отражающие (Бернштейн Н.А., «О построении движений», 1947; Ferrigino G., Pedotti A. «ELITE: a digital dedicated hardware system for movement analysis via real-time TV signal procession»// IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1985, Vol. BME-32, N. 11, p. 943-950). Требования к снижению вибрации маркеров: минимальный вес и надежная фиксация на коже.

Под минимальным весом понимают вес крепежного устройства и метки. Если метка обладает значительной массой, то при ускорении сегментов тела будут возникать силы, сдвигающие маркер относительно анатомических точек, так как кожа, на которой крепится маркер, является эластической тканью, а подкожный жировой слой позволяет смещаться коже относительно костей и мышц с небольшими усилиями. Вес метки применяемой в оптико-электронной системе “Видеоанализ-Биософт” менее 5 гр. Вертикальное ускорение в центре масс голени при контакте с опорой при быстрой ходьбе или беге не более 50 м/с. Следовательно, при контакте стопы с опорой при наземных локомоциях сила, действующая на смещение метки в вертикальном направлении менее 2,5Н. Статическая сила, которую необходимо приложить к метке, чтобы нарушить контакт, клипсы и электрода составляет 5Н.

Надежность крепления. Устройство отражения света фирмы Vicon (Великобритания) выполнено в виде шара диаметром 25 мм, покрытого световозвращающей бумагой. С одной стороны шарика находится пластиковое основание диаметром 20 мм. С помощью двусторонней клейкой ленты пластиковое основание метки крепится к коже. Недостатком такого устройства является ненадежность контакта между пластиковым основанием шарика и кожей. Поэтому, даже при слабом механическом воздействии на метку происходит нарушение крепления. Как следствие этого приходится останавливать эксперимент и заново крепить метку на теле человека. Подобное действие не только увеличивает время эксперимента, но и приводит к метрологическим ошибкам. При нарушении контакта метки с кожей, трудно повторно зафиксировать метку на прежнем месте. Поэтому, при нарушении контакта между меткой и кожей, биомеханическое исследование выполняется при различном положении маркеров по отношению к анатомическим ориентирам, например, центру вращения в суставе. Падение электрода во время эксперимента приводит к тому, что из биомеханического анализа выпадают участки траектории.

Маркеры, применяемые в системе “Видеоанализ-Биософт” (Рисунок 1) выполнены в виде усеченного шарика, покрытого световозвращающей бумагой, и закрытого с усеченной стороны стандартной электрокардиографической клипсой, обеспечивающей фиксацию маркера к стандартному электрокардиографическому электроду. В процессе экспериментов обнаружено, что крепление маркера к коже испытуемого с помощью электрокардиографических электродов, обеспечивает более жесткую фиксацию (минимум вибрации), не допускающую самопроизвольного нарушения крепления. Такая жесткость фиксации обеспечивается несколькими факторами:

Рисунок 1 — Маркеры на лучезапястном суставе и на кисти
— метка может быть зафиксирована на кардиографическом электроде с клейкой поверхностью;

— клейкая поверхность кардиографического электрода не вызывает аллергических реакций, так что можно применять электрод любого размера.

Повышение надежности крепления метки к коже испытуемого обеспечивает следующие преимущества:

• позволяет выполнять движения со значительными ускорениями (типа ударных или бросковых движений);
• снижает вероятность потери кинематических данных в процессе исследования;
• сокращается время подготовки к исследованию.

При креплении на некоторых участках тела, например, на голеностопном суставе, в области латеральной лодыжки или плюснефаланговом суставе пятого пальца стопы минимальная конгруэнтность между клейкой поверхностью электрода и участком тела. Для увеличения поверхности соприкосновения между электродом и участочком тела следует сделать несколько радиальных надрезов по периметру электрода, так как это показано на рисунок 2.

Рисунок 2 — Радиальные надрезы на электроде с целью увеличения поверхности соприкосновения между электродом и участочком тела

1.1 Влияние формы маркера на точность регистрации

Активно отражающие маркеры являются источниками света в видимой или невидимой (инфракрасной) части спектра света. Световозвращающие требования к маркерам следующие:

• способность минимально рассеивать и хорошо возвращать направленный свет;
• оптимальный размер и форма;

Под оптимальным размером маркера понимают следующее: изображение маркера в точках экрана (пикселях) должно содержать не менее 3 точек. Чем больше размер светового пятна на изображении, тем более точно определяются координаты маркера (центр площади светового пятна).

Способность минимально рассеивать и хорошо возвращать свет связано с тем, что согласно законам физики, отражение света от поверхности зависит от направления света и формы поверхности. Поверхность шарообразной формы обладает рефлектирующим свойством возвращать свет в сторону источника света. Поэтому, придание маркерам шарообразной формы способствует световозвращению с минимальным рассеиванием. Возвращенный свет от меток попадает на считывающее устройство камеры, вследствие чего образуются траектории, в виде последовательности ярко белых кругов, диаметр которых зависит от расстояния до объекта съемки, по которым рассчитывают кинематические параметры локомоций.

Ограничения по положение камер. Маркер в виде усеченной сферы ограничивает угол видения камер. Форма маркера не меняется, если угол съемки не более 40⁰ от точки надира (точки в которой оптическая ось камеры перпендикулярна плоскости видеосъемки). Если угол видения метки больше 40⁰, то основание маркера придает метке вид усеченной сферы, что приводит к искажению формы маркера. Последовательность ярко белых кругов заменяется эллипсами, что приводит к ошибке в расчете центра площади светового пятна.