Lower body kinematics evaluation based on a multidirectional four-dimensional structured light measurement

Janusz Lenar , Marcin Rafał Witkowski , Vincenzo Carbone , Sjoerd Kolk , Marcin Adamczyk , Robert Sitnik , Marjolein van der Krogt , Nico Verdonschot

Abstract

We report on a structured light-scanning system, the OGX|4DSCANNER, capable of capturing the surface of a human body with 2 mm spatial resolution at a 60 Hz frame-rate. The performance of modeling the human lower body dynamics is evaluated by comparing the system with the current gold standard, i.e., the VICON system. The VICON system relies on the application of reflective markers on a person’s body and tracking their positions in three-dimensional space using multiple cameras [optical motion capture (OMC)]. For the purpose of validation of the 4DSCANNER, a set of “virtual” markers was extracted from the measured surface. A set of musculoskeletal models was built for three subjects based on the trajectories of real and virtual markers. Next, the corresponding models were compared in terms of joint angles, joint moments, and activity of a number of major lower body muscles. Analyses showed a good overall agreement of the modeling outcome. We conclude that the 4DSCANNER within its limitations has the potential to be used in clinical gait analysis instead of optical marker-based systems. The advantage of the 4DSCANNER over OMC solutions is that it does not burden patients with time-consuming marker application. This study demonstrates the versatility of this measurement technique.
Author Janusz Lenar (FM / IMPh)
Janusz Lenar,,
- The Institute of Micromechanics and Photonics
, Marcin Rafał Witkowski (FM / IMPh)
Marcin Rafał Witkowski,,
- The Institute of Micromechanics and Photonics
, Vincenzo Carbone - [University of Twente (UT)
Administrator unit: 'COP'
]
Vincenzo Carbone,,
-
- Universiteit Twente
, Sjoerd Kolk - [Radboud University Nijmegen Medical Centre]
Sjoerd Kolk,,
-
-
, Marcin Adamczyk (FM / IMPh)
Marcin Adamczyk,,
- The Institute of Micromechanics and Photonics
, Robert Sitnik (FM / IMPh)
Robert Sitnik,,
- The Institute of Micromechanics and Photonics
, Marjolein van der Krogt - [University of Twente]
Marjolein van der Krogt,,
-
-
, Nico Verdonschot - [University of Twente]
Nico Verdonschot,,
-
-
Journal seriesJournal of Biomedical Optics, ISSN 1083-3668
Issue year2013
Vol18
No5
Pages056014-1-056014-13
Keywords in Polishbezznacznikowy pomiar ruchu; oświetlenie strukturalne; projekcja prążków; analiza ruchu; modelowanie mięśniowo-szkieletowe
Keywords in Englishmarkerless motion capture; structured light; fringe projection; motion analysis; musculoskeletal modeling
ASJC Classification2204 Biomedical Engineering; 3107 Atomic and Molecular Physics, and Optics; 2502 Biomaterials; 2504 Electronic, Optical and Magnetic Materials
Abstract in PolishW artykule przedstawiamy oparty na oświetleniu strukturalnym system pomiarowy OGX|4DSCANNER, który umożliwia pomiar powierzchni ludzkiego ciała z rozdzielczością przestrzenną 2 mm z częstotliwością pomiaru 60 Hz. Jakość modelowania dynamiki kończyn dolnych na podstawie danych pomiarowych została porównana z wynikami pozyskanymi przy użyciu obecnego standardu – systemu VICON. System VICON wykorzystuje retrorefleksyjne znaczniki przymocowane do ciała pacjenta i śledzi ich położenie w przestrzeni przy użyciu zestawu kamer wideo. Na potrzeby walidacji systemu 4DSCANNER z pozyskanych przy jego użyciu danych danych pomiarowych wyekstrahowano “znaczniki wirtualne”. Dla trzech zdrowych ochotników przygotowane zostały po dwa modele mięśniowo-szkieletowe zbudowane na podstawie znaczników rzeczywistych oraz znaczników wirtualnych. Następnie porównano odpowiadające sobie modele pod kątem obliczonych kątów stawów, momentów przenoszonych przez stawy i aktywności najważniejszych mięśni kończyn dolnych. Analizy wykazały ogólną zgodność wyników modelowania. Wnioskujemy, że 4DSCANNER posiada potencjał do wykorzystania w klinicznej analizie chodu zamiast systemów bazujących na znacznikach. Zaletą systemy 4DSCANNER nad takimi rozwiązaniami jest brak konieczności czasochłonnego mocowania znaczników do ciała pacjenta. Zaprezentowana jest uniwersalność techniki pomiarowej.
URL http://biomedicaloptics.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1693006
Languageen angielski
Score (nominal)35
Score sourcejournalList
ScoreMinisterial score = 35.0, 23-07-2020, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 35.0, 23-07-2020, ArticleFromJournal
Publication indicators WoS Citations = 12; Scopus Citations = 12; GS Citations = 15.0; Scopus SNIP (Source Normalised Impact per Paper): 2013 = 1.404; WoS Impact Factor: 2013 = 2.752 (2) - 2013=2.945 (5)
Citation count*15 (2020-09-19)
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?