Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial - Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental Relatório Interno Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha Daniela Sofia S. Sousa João Manuel R. S. Tavares Trabalho realizado no âmbito do projecto: ACTIDEF - Avaliação Computacional e Tecnológica Integrada do Desempenho e Funcionalidade de Cidadãos com Incapacidades Músculo-esqueléticas Parceria CRPG / FEUP / INEGI / INEB. Financiado pelo programa POS-Conhecimento. Janeiro 2006 2 3 Resumo Este relatório tem por objectivo principal a apresentação e a análise de diferentes soluções existentes no mercado para o diagnóstico e estudo clínico da marcha. Abstract This report presents and discusses a list of some commercial motion capture systems for gait’s clinical study. 4 5 Índice 1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................7 2. PROCEDIMENTOS PARA A ANÁLISE BIOMECÂNICA DA MARCHA ...................................7 2.1 C APTURA DO M OVIMENTO .................................................................................................................8 2.2 S EGUIMENTO ......................................................................................................................................8 2.2.1 Inicialização...............................................................................................................................9 2.3 R ECONHECIMENTO DA P OSE .............................................................................................................10 2.4 E STUDO CINEMÁTICO E CINÉTICO .....................................................................................................10 3. SOLUÇÕES COMERCIAIS...............................................................................................................11 3.1 L ISTA DE E MPRESAS .........................................................................................................................11 3.2 S IMI ..................................................................................................................................................13 3.2.1 Simi Motion..............................................................................................................................13 3.3 V ICON P EAK .....................................................................................................................................14 3.3.1 Peak Motus ..............................................................................................................................14 3.3.2 Vicon MX .................................................................................................................................15 3.4 C-M OTION ........................................................................................................................................15 3.4.1 Visual 3D .................................................................................................................................16 3.5 Q UALYSIS .........................................................................................................................................16 3.5.1 QTM.........................................................................................................................................17 3.6 N ORTHERN D IGITAL .........................................................................................................................17 3.6.1 Optotrak...................................................................................................................................17 3.7 C HARWOOD D YNAMICS ....................................................................................................................18 3.7.1 Coda.........................................................................................................................................18 3.8 Z EBRIS ..............................................................................................................................................19 3.9 P OLHEMUS ........................................................................................................................................19 3.9.1 Liberty......................................................................................................................................19 4. CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS SISTEMAS COMERCIAIS.................................................20 4.1 H ARDWARE ......................................................................................................................................21 4.2 S OFTWARE ........................................................................................................................................21 4.3 A NÁLISES E FECTUADAS E A PRESENTAÇÃO DOS R ESULTADOS .........................................................21 4.4 R ESTRIÇÕES ......................................................................................................................................22 4.5 P REÇO ...............................................................................................................................................22 5. DISCUSSÃO.........................................................................................................................................23 5.1 R ANKING DE S OLUÇÕES C OMERCIAIS ..............................................................................................29 5.2 O PORTUNIDADES ..............................................................................................................................32 BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................................33 6 Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 7 1. Introdução A análise do movimento tem sido um problema amplamente estudado devido às inúmeras áreas de aplicação: sistemas de diagnósticos e exames clínicos ([Mcinerney, 1996; Moeslund, 2002], etc.), sistemas de aquisição de modelos virtuais 3D de indivíduos e de movimentos ([Gleicher, 1999], etc.), sistemas de identificação de sujeitos e de comportamentos ([Cucchiara, 2000], etc.), sistemas de interacção homem-máquina ([Pavlovic, 1997]), etc. As soluções comerciais para o diagnóstico e estudo clínico da marcha são o objecto principal de estudo deste relatório. Este tipo de sistemas permitem ao utilizador compreender e analisar a biomecânica do movimento do indivíduo em observação e detectar possíveis factores de melhoramento. Ou seja, pretendem-se obter as coordenadas 3D do movimento para efectuar uma análise cinemática - estudo do movimento do corpo sem referências às forças que originam o movimento [Bogart, 2000; Bronner, 2006], como posições, ângulos, velocidades e acelerações - e posteriormente obterem-se as forças, momentos e binários do mesmo movimento (cinética) [Bronner, 2006]. Neste documento é feita uma introdução teórica aos conceitos por detrás da captura (aquisição) do movimento de marcha e da sua análise clínica. Seguidamente, são apresentadas as soluções mais referenciadas no mercado para tal propósito. Posteriormente, é efectuado um levantamento das características de alguns sistemas comerciais. Finalmente, discutem-se as vantagens e desvantagens das diversas soluções comerciais consideradas, tecnologias usadas, etc., tendo em vista aplicações como a reabilitação do movimento e o desempenho atlético. 2. Procedimentos para a Análise Biomecânica da Marcha A análise clínica da marcha consiste, em termos gerais, na captura do movimento, no seguimento de pontos-chave ao longo desse movimento e, por fim, no reconhecimento da pose para posterior estudo cinemático e cinético [Perales, 2000; Pinho, 2004]. Os pontos-chave são normalmente assinalados por dispositivos artificiais (marcas exteriores) colocados em zonas do corpo fortemente correlacionadas com a localização das extremidades dos segmentos humanos em análise. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 8 2.1 Captura do Movimento Existem várias maneiras possíveis para captar o movimento em estudo [Perales, 2000; Bronner, 2006; Welch, 2002; Lu, 2004; Pinho, 2004]. Assim, alguns sistemas usam câmaras como sensores da energia natural ou artificial reflectida por pontos-chave do movimento, outros campos electromagnéticos ou ultra-sónicos para seguir um grupo de sensores. Existem também sistemas mecânicos que usam potenciómetros para determinar a deslocação das diferentes articulações em estudo. É ainda possível usar as propriedades inércias de um sistema para a captura de ângulos e acelerações. Finalmente, existem sistemas baseados na combinação de diferentes tecnologias. Os sistemas mais usados para a análise biomecânica da marcha baseiam-se na captura do movimento através de tecnologia óptica [Bogart, 2000; Lu, 2004; Perales, 2000; Figueroa, 2002; Bronner, 2006]. Estes sistemas ópticos podem ser divididos em duas categorias [Richards, 1999]: passivos e activos. Nos sistemas passivos mede-se a luz reflectida, normalmente luz ambiente ou infravermelhos (IR), por pontos-chave do movimento humano. Nos sistemas activos os pontos-chave contêm fontes de luz próprias. Exemplos de fontes de luz passiva são marcas coloridas, marcas reflectoras, superfícies do corpo humano. Exemplos de fontes activas são LEDs - light-emitting diodes, lasers, etc. Nos sistemas ópticos as diferentes câmaras usadas permitem obter as coordenadas 2D de cada ponto-chave considerado. No restante documento, para facilitar a distinção entre sistemas ópticos passivos com luz ambiente e sistemas ópticos passivos com iluminação infravermelha, utiliza-se a designação de sistemas passivos vídeo e sistemas passivos IR. 2.2 Seguimento O seguimento é o processo de obtenção de correspondências entre quadros de uma sequência de imagens do sujeito em análise. Dependendo da tecnologia usada, o seguimento pode ser um processo complexo, por exemplo, no caso dos sistemas ópticos passivos, ou pelo contrário pode ser apenas um processo de armazenamento das coordenadas 2D dos pontos-chave fornecidas automaticamente pelos diferentes sensores ao longo do tempo, por exemplo, no caso dos sistemas ópticos activos, magnéticos, etc. Nos sistemas passivos de aquisição o seguimento envolvido pode ser um problema tão complexo que muitas vezes a intervenção humana é necessária, o que impossibilita o seguimento de forma totalmente automática. Por exemplo, no Simi Motion se houver a oclusão de um marcador durante mais de três quadros consecutivos o seguimento automático é Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 9 interrompido; além do mais, neste sistema é necessário por parte do utilizador indicar na primeira imagem da sequência todas as marcas a considerar no seguimento [Simi, 2006b]. Para facilitar o processo de seguimento recorre-se geralmente a modelos para o sujeito para estimar a posição inicial do mesmo, que vai sendo incrementada sucessivamente nos diferentes quadros da sequência temporal. Embora com este procedimento se perca a generalidade do algoritmo implementado, torna-se o mesmo mais robusto a oclusões, reaparecimento das marcas a seguir, etc., [Pinho 2004]. 2.2.1 Inicialização Para o sucesso do seguimento dos pontos-chave (por exemplo, marcas) do movimento é necessário assegurar a correcta interpretação do mesmo e a respectiva simplificação do processo de localização desses pontos [Pinho, 2004]. Assim, na fase de inicialização garante-se o cumprimento das restrições do problema, calibram-se e sincronizam-se os diferentes sensores de aquisição de dados. Algumas inicializações são feitas off-line, enquanto outras são efectuadas durante o próprio processo de análise da marcha de um determinado indivíduo [Moeslund, 2002]. Para reduzir a complexidade do problema de seguimento introduzem-se algumas restrições relativas ao movimento envolvido [Moeslund, 2002] (como por exemplo, limitação do movimento a uma dada área, seguimento de apenas uma pessoa em cada instante, movimento paralelo ao plano da câmara, inexistência de oclusões, movimentos lentos e contínuos, movimento de tipo conhecido, limitação no número de membros do individuo em movimento, o terreno em que o sujeito se move é plano, etc.), restrições no ambiente (tais como, iluminação constante, background estático e uniforme, etc.), restrições em relação ao sujeito (por exemplo, conhecimento da posição inicial, conhecimento dos parâmetros antropométricos, uso de marcas exteriores, uso de fatos especiais, etc.), etc. O processo de calibração é fortemente dependente da tecnologia empregue na captura. Para sistemas passivos vídeo [Simi, 2006a; Vicon, 2006] é necessário gravar pelo menos uma imagem com um objecto de calibração (tipicamente um paralelepípedo), depois o utilizador terá de assinalar os diferentes pontos de calibração na imagem, indicando as respectivas coordenadas e conexões, e repetir este processo para as diferentes câmaras usadas no sistema de aquisição de imagem. Para sistemas passivos IR usualmente move-se uma vara para melhorar a calibração interactivamente e ao mesmo tempo corrigir as distorções impostas pelas lentes das câmaras, enquanto um objecto de calibração é usado para definir as coordenadas do sistema [Qualysis, 2006; Vicon, 2006]. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 16 movimento, como o Vicon, o Qualysis, o BTS, etc. O Visual 3D não é um sistema para captura do movimento, mas aceita os dados da maioria dos fabricantes desta área. 3.4.1 Visual 3D O Visual 3D [CMotion, 2006] é uma ferramenta computacional para análise de dados e não para a captura ou para a calibração e, muito menos, para o controlo dos diferentes sensores usados. Para efectuar a análise dos dados biomecânicos são necessários pelo menos dois tipos de ficheiros: um referente à calibração estática e outro com os dados do movimento em estudo. Para a análise da marcha, por cada segmento do corpo são necessárias 3 marcas para a determinação do seu movimento. No entanto, para segmentos com menos de 3 marcas o Visual 3D cria marcas virtuais, a posição destas marcas virtuais é visível ao utilizador. Este software suporta a análise cinética e cinemática de movimento humano, animal ou mecânico. O Visual3D permite ao utilizador adicionar funcionalidades para além das existentes de origem, pois apresenta uma arquitectura aberta. Os resultados são apresentados sob a forma de modelos esqueletizados, diagramas 2D e 3D, relatórios, imagens vídeo, etc. Os sinais de EMG, forças de reacção, pressões também pode ser visualizados. Os dados podem ser exportados para outras aplicações nos mais variados formatos. 3.5 Qualysis A Qualysis [Qualysis, 2006] apresenta soluções ao nível de hardware e software para a captura e análise do movimento humano, animal, etc. A solução para análise biomecânica da marcha [Qualysis, 2006] é um sistema passivo/activo de captura através de câmaras IR ProReflex, com uma interface, a Qualysis Analogue Interface, para ligar outro tipo de sensores, inclui um software, o Qualysis Track Manager, responsável pela captura dos dados 3D e sincronismo dos sensores e um outro para os cálculos da cinética e cinemática da marcha o Visual 3D. Note-se, que o Visual 3D é desenvolvido pela C-Motion. Os sistemas de captura do movimento da Qualysis são vendidos juntamente com o Visual 3D. O sistema IR passivo é formado por um conjunto de câmaras que emitem luz infravermelha a qual é reflectida por marcas apropriadas e adquirida pelas diversas câmaras ProReflex usadas. O sistema óptico activo consiste num conjunto de 4 LEDs (marcas activas), cuja activação é multiplexada no tempo e controlada por um dispositivo de controlo portátil. Cada unidade de Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 17 controlo tem 4 marcas activas ligadas a essa unidade. É possível considerar em simultâneo 8 unidades de controlo, o que equivale a considerar 32 marcas activas. 3.5.1 QTM O sistema Qualysis Track Manager [Qualysis, 2006] permite o seguimento automático de marcas passivas e activas. Integra imagens vídeo e dados de outro tipo de sensores, como dispositivos de EMG, etc., sincronizados com as coordenadas 3D do movimento. As posições (x,y,z) podem ser visualizadas por gráficos 2D/3D. Este sistema tem uma arquitectura aberta permitindo a adição de funcionalidades extra. É possível exportar os dados 3D obtidos usando ficheiros segundo os formatos C3D, TSV, etc. O cálculo da cinemática e cinética, assim como, uma apresentação mais elaborada dos resultados obtidos, etc., é deixada a cargo do módulo Visual 3D. 3.6 Northern Digital A empresa Northern Digital (NDI) [Ndigital, 2006] apresenta três produtos para captura e análise do movimento: o Polaris, o Optotrak e o Aurora. O Polaris é um sistema activo IR usualmente usado para guiar cirurgias através de imagem e também para movimentos de pequena amplitude, como o seguimento de mãos, da cabeça, etc. Já o Aurora é um sistema magnético, mas com as mesmas áreas de aplicação que o anterior. Uma particularidade do Aurora é não ser afectado com as interferências provocadas pelos metais dos dispositivos médicos (medical-grade metals). Para análise da marcha o produto Optotrak Certus é a solução mais indicada. 3.6.1 Optotrak O Optotrak é um sistema óptico activo [Ndigital, 2006] capaz de obter as coordenadas 3D de LEDs de infravermelhos (IREDs) usados como fontes de energia. São necessário 3 IREDs para determinar a posição e orientação do objecto rígido em causa. É possível o controlo dos LEDs via wireless, opção extra através do Tether less Kit, ou usando cabos. O pacote base Optotrak é formado pelo Optotrak Certus Position Sensor (sensor óptico constituído por 3 câmaras numa estrutura fixa), o System Control Unit (dispositivo para controlo do hardware), o Markers Strobers (dispositivo de activação dos IREDs que suporta até 24 Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 18 LEDs), 30 marcas activas, e o sistema First Principle (software da NDI para aquisição, manipulação e apresentação dos resultados obtidos, conversão de ficheiros de dados, etc.). O Optotrak é um sistema que permite o cálculo das coordenadas 3D, não tem por objectivo o cálculo da cinemática ou cinética do movimento. Para tal, a NDI aconselha a compra conjunta do Optotrak com o sistema da C-Motion, o Visual 3D. Note-se que existe ainda um dispositivo de activação dos IREDs capaz de suportar 80 marcas activas, o Axon Strober, e também é possível usar diversos conjuntos de Markers Strobers em simultâneo. Existe ainda o módulo Application Programmer Interface que permite o controlo e o acesso aos dados do sistema Optotrak e do Optotrak Data Acquisition Unit - dispositivo com 16 canais analógicos e 8 digitais, que permite ligar sistemas de EMG, plataformas de forças, etc . Este sistema da NDI proporciona dois tipos de sensores ópticos: o Certus Close Focus Measurement Volume e o Certus Far Focus Measurement Volume, com o objectivo de abranger volumes de captura de diferentes dimensões. 3.7 Charwood Dynamics A empresa Charwood Dynamics [CharnDyn, 2006] apresenta a solução Coda para a aquisição e análise do movimento 3D, possíveis aplicações são a análise da marcha, avaliação da performance desportiva, ambientes de realidade virtual, etc. 3.7.1 Coda O Coda [CharnDyn, 2006] é um sistema activo óptico para o seguimento e análise da marcha. A sua configuração base é constituída pelo Coda Sensor Unit (3 câmaras IR dispostas horizontalmente numa estrutura fixa), os Coda Markers (marcas activas: LEDs), a Marker Drive Box (dispositivo que controla a activação dos diferentes LEDs usados como marcas) e o Active Hub ou MiniHub (dispositivos para a ligação de sensores: dispositivos de EMG, Coda Sensor Unit, etc., e a alimentação dos sensores do sistema). Note-se, que o aparelho de controlo das marcas é portátil, assim ao ser colocado no sujeito em análise não limita o movimento a uma dada área. Este sistema não sofre de oclusões ou limitações quanto à proximidade entre as diferentes marcas, porque a activação dos LEDs é multiplexada no tempo. Em termos de software para a análise clínica do movimento é necessário o Codamotion Software e o Gait Analysis Package. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 19 O Codamotion Software é a interface gráfica para o hardware de aquisição de dados, dá acesso às medições obtidas, permite filtragem dos dados, a aplicação de algoritmos de processamento de dados e representa os resultados através de gráficos, animações humanas virtuais e relatórios. Existe também um módulo mais sofisticado para a apresentação de relatórios, o Report Generator. Já o Gait Analysis Package é o software que permite a análise biomecânica da marcha, considerando posições, velocidades, forças, momentos, etc. 3.8 Zebris A empresa Zebris [Zebris, 2006] fornece soluções de software/hardware para análise do movimento 3D; principalmente para satisfazer os requisitos de áreas da medicina (como a análise da postura da coluna, a análise da marcha, etc.) e da medicina dentária (tais como o movimento da mandíbula, etc.). O princípio usado para a aquisição é o tempo de transmissão dos sinais ultrasónicos desde as fontes de energia até aos sensores receptores, sendo determinadas por triangulação as coordenadas 3D do movimento. A solução apresentada pela Zebris para a análise da marcha é composta em termos de hardware pelo sistema CMS-HS. Em termos de software é constituída pelo módulo Gait Analysis e pelo módulo Win Gait. Com esta solução é possível adquirir os sinais ultrasónicos, realizar a análise cinemática do ganho, analisar os dados de dispositivos EMG e de plataformas de forças, apresentar os resultados sob a forma de gráficos e relatórios, exportar a informação para outras aplicações, filtrar dados, etc. 3.9 Polhemus A empresa Polhemus [Polhemus, 2006] fornece soluções para a captura do movimento, 3D scanners, etc. Para a captura da marcha a Polhemus apresenta dois produtos: o Liberty (capta até 16 sensores à frequência de 240 Hz) e o FasTrak (capta até 4 sensores à frequência de 30 Hz). Nestes sistemas, um conjunto de sensores são colocados nas articulações do sujeito, obtendo a posição 3D e a orientação das articulações em relação a uma antena transmissora que emite um sinal magnético. Para a análise clínica do movimento humano o Liberty é a melhor opção. 3.9.1 Liberty Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 20 O sistema Liberty [Polhemus, 2006] contem o software e o hardware para gerar e detectar os campos magnéticos, calcular a posição e orientação das fontes de energia. Os seus componentes são: sensores, transmissores e fonte de energia. Existem vários tipos de transmissores e de sensores que são caracterizados principalmente pelo volume de captura e pela dimensão. Para a análise da marcha é conveniente usar como transmissores os TX4 (até 2 m de alcance), como sensor tipicamente usa-se o RX2. É necessário ter um dispositivo para gerar o campo magnético e captar os valores lidos pelos sensores, o System Electronics Unit (SEU). Este dispositivo é constituído por software e hardware. Note-se que os sensores e os transmissores estão ligados por cabo ao dispositivo SEU. A Polhemus oferece também uma solução wireless, a solução Liberty Latus. Neste caso, os componentes são a unidade SEU, fontes electromagnéticas colocadas no indivíduo sem a utilização de cabos, e vários receptores ligados por cabos ao dispositivo SEU que detectam os sinais magnéticos emitidos pelas fontes usadas. 4. Características de alguns Sistemas Comerciais Muitos parâmetros podem ser usados para caracterizar o estado de arte dos diferentes sistemas de análise da marcha actuais. Por exemplo, a dimensão do espaço de seguimento (2D ou 3D), a mobilidade dos sensores (estáticos ou móveis), a fonte energia, o tipo de sensores usados, a localização dos sensores, o tipo de movimento a observar (rígido, não rígido ou articulado), número de sujeitos a seguir, aplicações, etc. Para a análise clínica da marcha existem algumas particularidades que já foram definidas. Assim, para uma maior precisão apenas interessa o estudo do movimento 3D, a análise é feita por cada sujeito, pretende-se a cinemática e cinética do movimento apresentadas sob a forma de gráficos, animações humanas, imagens vídeo. Seria desejável um sistema não invasivo (ausência de marcas exteriores ou utilização marcas de dimensões reduzidas, sistemas sem cabos, etc.), portátil, capaz de trabalhar em ambientes não controlados, sem necessidade de grande intervenção humana, etc., e obviamente com um custo aceitável. Tendo em conta os referidos requisitos, a seguir listam-se as propriedades em termos de hardware, software, restrições, preço e análises efectuadas de algumas das principais soluções comerciais actuais do mercado. Os dados contidos nas diferentes tabelas foram obtidos com base na informação das páginas web respectivas, complementados com esclarecimentos adicionais fornecidos pelos departamentos comerciais dos representantes ou das próprias empresas. No caso de não se ter conseguido obter uma dada informação relativamente a um determinado produto, preencheu-se a célula em causa com um asterisco. No caso de alguns Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 21 items das colunas não se aplicarem, ou não existirem para um dado produto, preencheram-se as células devidas com um underscore. 4.1 Hardware Independentemente da tecnologia usada, pode-se considerar que as diversas soluções para análise do movimento existentes são constituídas pela combinação de uma ou mais fontes de energias, com um ou mais sensores que respectivamente reflectem e absorvem energia [R Gonzalez, 2003; Pinho, 2004]. Assim sendo, as características do hardware das diferentes soluções comerciais podem ser subdivididas segundo as fontes de energia e os sensores usados. Para as fontes de energia identificam-se o número mínimo e máximo de fontes (indica a possibilidade de estender o sistema), o tipo de fontes (identifica a tecnologia usada), e a dimensão. Relativamente aos sensores, lista-se o número mínimo e máximo de sensores, a sua mobilidade, a frequência de captura e o tipo. Na coluna de dispositivos extra, listam-se os dispositivos que se podem ligar ao sistema (como dispositivos EMG, plataformas de força, etc.) ou as interfaces que permitem a respectiva ligação, ver tabela 4. Note-se, que na coluna Nº Min/Nº Max de Fontes de Energia colocou-se como número mínimo a quantidade de marcas (ou fontes de energia) necessárias ao cálculo da dinâmica inversa. A linha com os dados do Liberty é uma excepção a esta regra, pois neste caso os dispositivos colocados em pontos-chave do corpo são os sensores e não as fontes de energia. 4.2 Software Na tabela 5, apresentam-se algumas características das diferentes soluções ao nível do software. Tenciona-se evidenciar a automatização e o funcionamento do processo de seguimento, a automatização e o modo de operação da calibração e o sincronismo dos sensores. A capacidade de adicionar mais funcionalidades ao software existente (isto é, apresentar uma arquitectura aberta) e a efectividade temporal em mostrar os resultados são também aspectos considerados. 4.3 Análises Efectuadas e Apresentação dos Resultados A tabela 6, lista o tipo de análise efectuado pelos diversos produtos analisados (dispositivos de electromiografia, pressões, consideração da cinemática e cinética do corpo inteiro ou de metade Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 22 do corpo), e o modo como as análises e as medições realizadas são apresentadas ao utilizador (usando gráficos, animações humanas, relatórios, imagens vídeo ou outros meios). 4.4 Restrições As restrições tratadas nesta secção dizem respeito a condicionalismos tecnológicos na performance dos diferentes produtos, como ambientais e zona de captura. Restrições ambientais compreendem as limitações ao nível de interferências magnéticas, temperatura, iluminação, etc. A zona de cobertura é o espaço no qual deve ser efectuado o movimento para poder ser captado adequadamente pelos diferentes sensores. RESTRIÇÕES PRODUTO AMBIENTAIS ZONA DE COBERTURA SIMI MOTION * Para uma maior precisão o movimento deve ser realizado no interior da zona calibrada; PEAK MOTUS As paredes do laboratório não devem reflectir a luz e deve ser garantida uma boa iluminação (floodlights ou ring lights) dos marcadores; O seguimento manual não tem restrições ambientais; * VICON MX Iluminação dos marcadores; Marcas reflectoras não funcionam adequadamente em ambientes exteriores; * VISUAL 3D _ _ QTM No caso de marcas passivas, iluminação dos marcadores; As marcas activas são mais próprias para ambientes não controlados, não são tão afectadas pelo efeito da luz (reflexões, etc.), etc.; 0.2 a 70 m; Vista Horizontal: 10º a 45º; OPTOTRAK Necessário haver linha de visão (line-of-sight) entre sensores e marcas; Como para qualquer sistema óptico, a sua performance pode ser afectada se houver outras fontes de IR, se a luz do sol incidir directamente sob as marcas ou sob as câmaras. De qualquer maneira, marcas activas tornam o sistema mais robusto a este tipo de problemas; 2.7 m³ ou 20 m³; Vista Horizontal: +/- 80º; Para uma distância do sensor de 2.25m a precisão é de 0.1mm RMS (x,y) e 0.15 mm RMS para z; CODA O sistema pode ser usado no exterior ou no interior. No exterior é conveniente não fazer medições directamente sob o sol. No interior existe um tipo de lâmpadas que emitem luz fluorescente a 50 Hz que interferem na performance do sistema; Para 5 m tem um ruído de 0.05 mm; Vista Horizontal: 80º; ZEBRIS CMS-HS não deve ser usado em salas com superfícies suaves (smoothed surfaces), salas com correntes de ar também não são recomendadas; 2.5 m e pode ir até 4 m no caso de uso de uma unidade especial para suporte dos sensores; LIBERTY Objectos metálicos (secretárias, etc.) próximos do transmissor ou do receptor podem afectar a performance; Para prevenir distorções provocadas por objectos metálicos é conveniente que estes estejam 3 vezes mais distantes do que a distância entre o sensor e a fonte de energia; Para uma precisão de ~ 0.7 mm RMS (x,y,z) e ~ 3.8º RMS: ~ 2 m para uma fonte TX2; ~ 4.5 m para uma fonte Long Range; Cobertura angular: A toda a altura; Tabela 2. Restrições ambientais e restrições a nível da área de captura. 4.5 Preço Comparar o custo de diferentes produtos é sempre uma tarefa delicada e, por vezes, pouco fidedigna, uma vez que o mesmo varia com as funcionalidades requeridas, com o suporte pós- Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 23 venda existente, etc. Para tentar fazer uma comparação mais precisa dos diferentes produtos, foram listados os módulos software/hardware compreendidos no preço indicado. PREÇO PRODUTO HARDWARE e SOFTWARE SIMI MOTION Simi Motion Basic + Capture DV + Data Analysis and Report + Data Force: Force Plate + Data Force: EMG + 3D Kinematics + Inverse Dynamics e Insole Measurements = ~ 35000€ 3 DV câmaras + Simi I/O Box = ~ 3200€ ~ 38200€ PEAK MOTUS Peak Motus (Automatic Acquisition Module + KineCalc Module) + Plug-In Gait + Software de Aquisição Analógica = ~ 28000€ 3 DV câmaras + 3 tripés + MXControl = ~ 5000€ ~ 33000€ VICON MX 4 MX3 câmaras + MXNet + MXControl + Vicon Workstation + Vicon Polygon (~ 13000€) ~ 46513€ VISUAL 3D Visual 3D ~ 8400€ QTM Qualysis Track Manager + 4 ProReflex câmaras + Qualysis Analogue Interface + Visual 3D; ~ 40000€ OPTOTRAK Optotrak Certus Position Sensor + s-type System Control Unit + Marker Strobers + 30 marcas activas + NDI Software First Principle ~ 52000€ CODA Coda Motion Sensor Unit + Active Hub + Marker Drive Box + Active Markers Coda Motion Software + Gait Software + Report Generator ~ 67500€ ZEBRIS CMS-HS (1 antena, marcas ultra-sónicas, unidade de controlo do hardware) + Gait Analysis + Win Gait * LIBERTY SEU + 8 sensores RX2 + TX2 * Tabela 3. Preço dos módulos e dos dispositivos necessários a análise biomecânica da marcha de cada sistema analisado. 5. Discussão A avaliação e escolha dos sistemas comerciais e das tecnologias para a captura e a análise do movimento devem ter em conta a aplicação a que se destinam. Por exemplo, para o estudo de como tubarões em cativeiro reagem ao estímulo da introdução de comida num tanque, apenas é necessária a análise num só plano (2D) e não é possível a colocação de marcas. Assim sendo, uma solução vídeo passiva com apenas uma câmara, por exemplo a Solução Peak Motus, poderia satisfazer as necessidades da respectiva aplicação. No caso da análise biomecânica da marcha, é necessária uma elevada precisão e robustez na captura e análise do movimento 3D. Como se pretendem os dados cinemáticos e cinéticos, em caso utilização de marcas externas, é necessário que o sistema capte o número mínimo de marcas exigidas ao cálculo da dinâmica inversa, é necessário considerar ligações para outros sensores analógicos, como plataformas de forças, dispositivos de EMG, etc. Por último, o sistema tem de lidar com problemas de oclusão e a frequência de captura tem de ser adequada para a análise da marcha. Algumas outras propriedades desejáveis, mas não obrigatórias são: a não necessidade de utilização de marcas exteriores ao sujeito, interacção humana diminuta, facilidade em montar o protocolo necessário para a aquisição do movimento (isto é, o posicionamento das marcas), preço reduzido, portabilidade, reduzida latência. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 24 O ranking das soluções comerciais, e a avaliação das diferentes tecnologias, é efectuado neste relatório tendo em conta as propriedades necessárias e desejáveis a sistemas para análise clínica da marcha. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 25 HARDWARE SENSORES FONTE DE ENERGIA PRODUTO NºMIN/ NºMAX MOBILIDADE FREQUENCIA DE CAPTURA À MAXIMA RESOLUÇÃO TIPO NºMIN /NºMAX TIPO DIMENSÃO OUTROS DISPOSITIVOS SIMI MOTION 2/50 Estática; ~ 60 Hz / ~ 720x480 pixels; 1 ~ 100 Hz / ~ 656x492 pixels 2 ; DV (Digital Vídeo), Câmaras vídeo de Alta Velocidade (High Speed Camera); ~ 22/* Vídeo Passiva (c/ e sem marcas); Tipicamente ~ 15 3 mm (diâmetro) para marcha; É possível ligar outros dispositivos através de interfaces: FireWire (IEEE1394), USB, PCI, BNC; PEAK MOTUS 2-4/* Estática; ~ 60 Hz / ~ 720x480 pixels; ~ 100 Hz / ~ 656x492 pixels; DV, Câmaras de Alta Velocidade; ~ 16/* Vídeo Passiva (c/ e sem marcas 4 ); Tipicamente ~ 20 mm (diâmetro) para marcha; É possível ligar outros dispositivos através de interfaces: Ref Out, Plate In, Ref Loop, Ltc In, Ltc Out, Net Connect, RS422, RS232, GPIO, REMOTE, FireWire (IEEE1394), etc.; VICON MX 3-4/200 Estática; ~166 Hz/~ 2352x1728 pixels 5 ; ~ 484 Hz/~ 1280x1024 pixels 6 ; Câmaras IR; Câmaras IR de alta velocidade; ~ 16/* Passiva IR (marcas reflectora); Tipicamente ~ 14 mm (diâmetro) para marcha; Para outros movimentos pode descer até ~ 1mm; É possível ligar outros dispositivos através de interfaces: Ref Out, Plate In, Ref Loop, Ltc In, Ltc Out, Net Connect, RS422, RS232, GPIO, REMOTE, FireWire (IEEE1394), etc.; VISUAL 3D _ _ _ _ _ _ _ Compatível com a maioria dos fabricantes de sistemas de captura ópticos, EMG, plataformas de força, etc.; QTM 4/32 Estática; ~ 166 Hz / ~ 2352x1728 pixels; ~ 484 Hz / ~ 1280x1024 pixels; Câmaras IR; Câmaras IR de alta velocidade; MaxPassiva: ~ 150 MaxLEDs: ~ 250 Passiva IR (marcas reflectora) + Activa IRs 7 ~ 19 mm (diâmetro) - marcas reflectoras; BNC, PCI, USB, etc. Qualysis Analogue Interface permite ligar EMGs, plataformas de forças, etc.; Tabela 4. Propriedades dos sensores e fontes de energia, análise da compatibilidade de outro tipo de hardware (continua). 1 Exemplo dos valores encontrados para a frequência de captura e para a resolução em câmaras DV [SimiManual 2006]. 2 Exemplo (Blaster 602f) dos valores encontrados para a frequência de captura e para a resolução em câmaras de Alta Velocidade [ViconWeb 2006]. 3 O software precisa de pelo menos 4x4 pixels juntos para reconhecer a marca em causa. 4 As marcas podem ter superfície reflectora ou coloridas. 5 Exemplo (MX40) dos valores encontrados para a frequência de captura e para a resolução em câmaras IR comercializadas pela Vicon [ViconWeb 2006]. 6 Exemplo (MX13) dos valores encontrados para a frequência de captura e para a resolução em câmaras IR de alta velocidade comercializadas pela Vicon [ViconWeb 2006]. 7 Cada kit de marcas activas é constituído por uma unidade de controlo recarregável e por 4 marcas activas (LEDs) ligadas a essa unidade. É possível considerar em simultâneo 8 unidades de controlo, o que equivale a 32 marcas activas. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 32 • A maneira como o peso foi atribuído à portabilidade (o sistema Zebris e o sistema Liberty com a menor portabilidade, peso 1, seguidas das soluções Simi Motion, Peak Motus e Vicon MX com peso 2 e, com a maior portabilidade, peso 3, o QTM Activo, o Optotrak e o Coda) e à robustez (o Zebris e o Liberty com a menor robustez, peso 2, depois as soluções Vicon MX e QTM Passivo, com peso 3, e com peso 4 o Simi Motion e o Peak Motus e, com a maior robustez, peso 5, o QTM Activa, o Optotrak e o Coda) pode ser diferente consoante a aplicação. SI PE VI QP QA OP CO ZE LI Latência Portátil Preço Set-up Automatização Frequência Oclusões Analógicos Marcas Cinemática Cinética Volume Robustez 3D Figura 1. Ranking das soluções comerciais analisadas na secção 3: SI: Simi Motion, PE: Peak Motus, VI: Vicon MX, QP: QTM passivo, QA: QTM activo, OP: Optotrak, CO: Coda, ZE: Zebris, LI: Liberty. Para além das soluções analisadas na secção 3, não é desconsiderar outro tipo de soluções existentes como a Elite da BTS, o APAS da Ariel, o MotionStar Wireless da Ascension, etc. 5.2 Oportunidades O Visual 3D é talvez a solução ideal para analisar a biomecânica do movimento humano, caso já se possua um sistema de captura e sincronismo de todos os sensores usados, pois o seu preço é relativamente baixo (~ 8400€) quando comparando com o dos outros pacotes de software, por exemplo, o do Vicon Polygon (~ 13000€) e as funcionalidades disponibilizadas parecem ser semelhantes. Relatório Interno: Análise de Soluções Comerciais para Seguimento e Análise da Marcha FEUP/INEGI Daniela Sofia S. Sousa, João Manuel R. S. Tavares 33 A análise da marcha é geralmente um processo realizado em ambiente controlado; assim sendo, talvez a melhor opção sejam os sistemas passivos IR, uma vez que necessitam de uma menor intervenção humana e são mais precisos do que os sistemas passivos vídeo. Por outro lado, os sistemas ópticos activos usam técnicas bastante invasivas, são mais dispendiosos e as suas supostas vantagens, em termos de automatização do processo de seguimento, calibração, portabilidade e robustez, não compensam as desvantagens apresentadas. Os desafios colocam-se mais ao nível da captura em ambientes não controlados (tanto exteriores como interiores). Assim, para ambientes interiores (como habitação, local de trabalho, laboratórios, etc.) são preferíveis as tecnologias acústicas; já para ambientes exteriores, a solução mais indicada é a passiva vídeo. 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