بخشی از مقاله
چکیده
توانبخشی یک پروسهی دینامیکی است که به بیمار اجازهی بازیابی ظرفیت های عملکردی وی را تا حد نرمال میدهد. برای دستیابی به این هدف نیاز است که فعالیت های بیمار به طور دائم مانیتور شود. استفاده از یک دوربین با قابلیت ارائهی ماتریس سه بعدی از تصویر سه بعدی موقعیت پا در هر فریم میتواند به ارضای مسئلهی محدودیت فضای کار کلینیکی کمک شایانی داشته باشد. بنابراین در این پروژه برای ردیابی سه بعدی حرکت فرد، به جای استفاده از چند دوربین از یک دوربین سه بعدی استفاده شده است. در ابتدا الگوریتم اعمال شده برای یافتن مارکرهای متصل شده به بدن شرح داده شده و سینماتیک مفاصل پا در حین راه رفتن بدست آمده است. سپس مشکلات ناشی از تصویربرداری با سنسور زمان پرواز بررسی شده و راه حل مناسبی برای آن ارائه گردیده است. پارامترهای استخراجی حاصل از سینماتیک راه رفتن بیماران که منتج از این مقاله است، جهت ورودی سیستم هوشمند توانبخشی این بیماران مورد استفاده قرار میگیرد.
کلمات کلیدی توانبخشی، ردیابی، سنسور زمان پرواز، سینماتیک راهرفتن
-1مقدمه
ردیابی حرکت انسان به منظور توانبخشی از سال 1980 موضوعی رایج در تحقیقات است .[11] توانبخشی یک پروسهی دینامیکی است که به بیمار اجازهی بازیابی ظرفیتهای عملکردی وی را تا حد نرمال میدهد. برای دستیابی به این هدف نیاز است که فعالیت های بیمار به طور دائم مانیتور شود .[1] افزایش آمار افرادی که از سکتهی مغزی و سایر بیماریهای حرکتی رنج میبرند انگیزهی این امر را بیشتر کرده است. برای ردیابی حرکت انسان از روشها و ابزارهای متعددی استفاده شده است. از سیستمهای ردیابی غیردیداری، شامل سنسورهایی است که روی بدن فرد برای جمع آوری اطلاعات حرکتی نصب میشود.
این سنسورها به طورکلی به انواع مکانیکی، اینرسی، صوتی، رادیویی، ماکروویو و مغناطیسی تقسسیم بندی میشوند، که هر یک کاربری و مزایای خاص خود را دارد و سنجش شتاب توسط سنسورهای پیزوالکتریک [9]، پیزورزیستانس [6] و یا خازن متغیر [10] صورت میگیرد.سیستمهای ردیابی بر پایهی بینایی شامل سنسورهای نوری - مانند دوربینها - معمولا برای افزایش دقت و صحت تخمین موقعیت استفاده میشوند. میتوان سیستمهای ردیابی بینایی را به دو نوع؛ بر پایهی مارکر و هم بدون مارکر - بسته به احساس نیاز به نصب مارکر به اندام انسان - دسته بندی کرد. در تکنیک های ردیابی بر پایه ی بینایی از دوربینها برای ردیابی حرکت انسان با مارکرهایی که بر اندام فرد است، استفادهمیشود. اسکلت بدن انسان مفصلهای زیاد و تعداد درجات آزادی بالایی دارد که پیچشها و چرخشهایشان حرکاتی را ایجاد میکنند. در نتیجه هر قسمت از بدن یک مسیر حرکت پیچیدهای میتواند داشته باشد.
برای اینکه ردیابی مطمئن باشد، در این پژوهش از بینایی بر اساس مارکر استفاده شده است.در سیستم ردیابی برپایه مارکر، "VICON" یا "ردیابی نوری" اغلب به عنوان استاندارد طلایی درآنالیز حرکت انسان از طریق اطلاعات صحیح موقعیتشان - با خطاهای حدود - 1 mm استفاده میشوند .[7]در سال 1973، Jahausson نمایش نوری متحرک مربوط به آزمایش روانشناسانه خود را برای درک بیولوژیکال کشف کرد. او مارکرهای کوچک رفلکس را به مفاصل بدن انسان متصل کرد، که مسیر مارکرها مانیتور میشد .[11] این تجربه سنگ بنای ردیابی حرکت انسان شد. سیستمهای بر پایه مارکر توانمندی این را دارند که عدم قطعیت در حرکت انسان را از طریق مشاهدهی مارکرها به حداقل برسانند. این سیستمهای ردیابی میتوانند انواع پسیو، اکتیو، یا هایبرید باشند.
مارکرها در سیستمهایی اکتیو هستند که میتوانند نوری تولید کنند که از نوع مادون قرمز است و توسط دوربین دریافت میشود .[2] در سیستم پسیو از تعدادی مارکر که هیچ نوری ایجاد نمیکنند استفاده میشود که تنها نور تابانده شده را منعکس میکنند. از جمله این سیستمها سیستمهای مشابه VICON است. Davis و دیگران مطالعاتی را در زمینهی استفاده از VICON در آنالیز راه رفتن ارائه داده اند. همچنین از سیستم VICON برای محاسبهی موقعیت زاویه از مرکز مفاصل و اعضا با بهینه سازی پارامترهای ساختاری از آموزشها استفاده شده است.[4]امروزه جهت ردیابی عمومی حرکات اندام انسان یا سایر موجودات از سیستم ردیابی VICON که در بالا شرح داده شد استفاده میشود که دارای مشکلاتی همچون لزوم وجود فضای بزرگی جهت تصویر برداری و همچنین هزینهی بالای تمام شدهی آن میباشد.
یکی دیگر از روشهای مرسوم امروزی جهت ردیابی هر عضو به صورت جداگانه استفاده از سنسورهای مغناطیسی مذکور است، که علی-رغم دقت بالای آن، در صورت استفاده از چند سنسور برای ردیابی هر یک از اعضا روشی هزینهبر خواهد بود.استفاده از یک دوربین با قابلیت ارائهی ماتریس سه بعدی از تصویر سه بعدی موقعیت پا در هر فریم میتواند به ارضای مسئلهی محدودیت فضای کار در کاربردهای کلینیکی کمک شایانی داشته باشد. بنابراین در این پروژه برای ردیابی سه بعدی حرکت فرد، به جای استفاده از چند دوربین از یک دوربین سه بعدی استفاده کردهایم.اخیرا از سنسور زمان پرواز - Time of Flight - در بسیاری از کاربردهای مکانیابی در محیط های صنعتی و غیرصنعتی استفاده شده است؛ چرا که دارای مزایایی از جمله سهولت استفاده و هزینه تمام شدهی کمتر در گرفتن تصاویر سه بعدی مخصوصا در مکانهای محدود میباشد 5]،.[3 همچنین، تلاشهایی نیز در راستای استفاده از سنسور زمان پرواز - که در اینجا از آن با عنوان دوربین SR-3000 که مورد استفاده بوده، نام برده میشود - در راستای ردیابی دوبعدی مفاصل انسان در حین راه رفتن، صورت گرفته است .[8]
-2 ابزارشناسی و روش شناسی پردازش تصویر
برای ردیابی مفاصل در حین راه رفتن به صورت سه بعدی از یک دوربین سه بعدی به نام SR-3000 استفاده شده است، که محصول شرکت سوییسی Swiss Ranger است - شکل. - 1 اساس کار این دوربین که بیشتر به سنسور زمان پرواز معروف است، به این صورت است که تشخیص عمق هر نقطه از تصویر توسط اختلاف زمان ارسال و دریافت پرتو مادون قرمز از فرستنده تا برگشت آن به گیرنده انجام میشود. تصاویرگرفته شده به صورت فریمهایی در یک فایل قابل ذخیره شدن هستند. تصاویری که از دوربین دریافت میشوند شامل 4 تصویر است که هر یک در واقع یک ماتریس 176×144 پیکسلی است.
پیکسلهای تصویر اول درایه های ماتریس اول هستند که مقادیر درایهی مربوط به هر سطر و ستون از ماتریس، معرف فاصلهی عمقی آن نقطه از مختصات تصویر تا دوربین است و تصویر آخر، تصویر" مقیاس خاکستری " - Gray - Scale از فرد را میدهد - شکل. - 2برای ردیابی مفاصل پای بیمار، مارکرهایی به مفاصل بیمار متصل شده است. برنامهی مربوط به ردیابی مارکرها در محیط نرمافزار متلب 2008 نوشته شده است. هر فریم از تصاویر گرفته شده برای پردازش، ابتدا باید در فضای کاری متلب وارد شود تا در نرمافزار قابل فراخوانی باشد. در یک سیکل از راهرفتن حدود 60 فریم ایجاد میشود که قبل از پردازش توسط یک برنامه، در فضای کاری متلب وارد میشود.
-3 نتایج الگوریتمهای اجرا شده
-1-3 الگوریتم یافتن سینماتیک راه رفتن
در الگوریتم برنامه، ابتدا در ماتریس هر فریم محدودهی پای بیمار از طریق فاصلهی کمتری که نسبت به سایر نقاط تا دوربین دارد مشخص میشود؛ سپس در این محدوده از طریق ماسکی که برای ردیابی مارکر مناسب باشد، در تصویر مقیاس خاکستری به دنبال مارکرها میگردد - شکل . - 3-2 البته برای اینکه نقاط بدست آمده، دقت و صحت خوبی داشته باشد، یک سری عملیات پردازشی روی آن صورت گرفته است. پس از یافتن مختصات x وy مارکر، مختصات z آن نقطه، از تصویر اول - که محتوای هر درایه، فاصلهی z را نشان میدهد - بدست میآید.مارکرها روی مفاصل ران، زانو، مچ و پنجه نصب شده اند. برای یافتن مکان مارکرها ماسک شکل 2 در ماتریس تصویر - در سطرها و ستونها - در محدودهی مذکور جابجا میشود.
در پایان، در هر فریم از تصاویر گرفته شده مختصات سه بعدی مارکرها بدست میآید و با پردازش کلیهی فریمها در یک سیکل، مختصات سه بعدی مفاصل در یک سیکل از راهرفتن بیمار بدست میآید.بنابراین در این پروژه، سینماتیک راهرفتن از طریق رسم منحنی مختصات و زوایای مفاصل در یک سیکل از راهرفتن بدست میآید. با توجه به اینکه دوربین مورد استفاده، کیفیت خوبی از تصویر را ارائه نمیدهد و نوع تصویر در مقیاس خاکستری است، باید در الگوریتم پردازش تصاویر فریمها و یافتن موقعیت صحیح مارکرها توجه و تدابیر لازم صورت گیرد. به این منظور، فریمهای حاصل از تصویربرداری را وارد فضای کار متلب میکنیم. سپس پیش پردازش های لازم در راستای بهبود وضوح تصویر انجام میشود و سپس یافتن مارکر انجام میشود.
با توجه به اینکه آنچه مورد مسیریابی است از پس زمینه تصویر به دوربین نزدیکتر است در پیکسلهایی از تصویر که مقداری کمتر از پیش فرض را دارند، مارکر جستجو میشود.پارامترهای x1 و x2 محدوده ای است که قسمتی از عضو در آن محدوده قرار دارد. اگر mean0 میزان خاکستری بودن پیکسل مرکزی ماسک عبوری در تصویر و mean1 میانگین میزان خاکستری بودن 16 پیکسل محیطی در ماسک باشد، در شرط میانگین مشکیتر بودن mean0 از mean1 بررسی میشود.سپس سایر شروط در مورد مارکر بودن پیکسل بررسی میشود، اگر تعداد پیکسلهای محیطی که مشکی تر از پیکسل مرکزی است از 14 عدد بیشتر باشد، شرط بعدی بررسی میشود که گویای این مطلب است که اگر ماسک مورد بررسی مارکر باشد باید از برجسته ترین نقاط آن ردیف در فریم باشد و تقریبا کمترین فاصله را تا دوربین نسبت به سایر نقاط هم ردیف داشته باشد.
اگر این شروط همزمان برای یک پیکسل صادق باشد و روابط بین پیکسلهای آن ماسک برقرار باشد، به عنوان موقعیت سه بعدی یک مارکر شناخته میشود.در این مقاله هدف از ردیابی حرکات انسان، یافتن موقعیت و زوایای مفصل پا در حین راه رفتن است. مارکرهایی مسطح که دارای یک دایره بزرگ سفید که داخل آن یک دایره کوچکتر مشکی قرار دارد، در تصویر فریم ها مورد جستجو قرار میگیرند. حرکت سه بعدی پا با ردیابی مارکرهای مفاصل ران، زانو، مچ پا و پنجه بدست میآید. البته مختصات اولیهی بدست آمده ابتدا به مقیاس واقعی تبدیل میشود. باید توجه داشت که برای یافتن مکان مارکرها در فریمهای بعدی لازم نیست در تمام تصویر ماسک مذکور عبور داده شود و تنها محدودهی مربوط به مارکر
