Investigation of wearable motion capture system towards biomechanical modelling
Biyomekanik modellemeye yönelik giyilebilir hareket yakalama sisteminin araştırılması
- Tez No: 604487
- Danışmanlar: DR. ŞENAY MİHÇİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Hareket Yakalama (MOCAP), biyomedikal mühendisliği alanında implant, ergonomi ve fizyoterapi tasarımında biyomekanik modeller oluştururken önemli bir adımdır. MOCAP sistemleri çıktı olarak kinematik veri sağlar. Biyomekanik modeller bu çıktıyı insan vücudunun eklemlerindeki hareket aralığını (ROM) ölçerek kinetik çıktı üretmek için bir girdi olarak kullanır. Biyo-aslına uygun modelleme için doğru günlük yaşam verileri gereklidir. Burada veriyi biyomekanik bir modelleme yazılımına beslemek için Smartsuit Pro'ya (Rokoko, Kopenhag, Danimarka) işaretleyici olmayan giyilebilir yeni bir MOCAP sistemi sunuyoruz. Giysiden normalde MOCAP sistemi olarak dijital eğlence alanında faydalanıyor. OptiTrack (LEYARD, Corvallis, ABD), optik kızılötesi işaret tabanlı hareket yakalama sistemidir. Bu teknoloji, kızılötesi ışık yayan diyotlarla donatılmış kameralar kullanır. Kameralardan gelen kızılötesi ışık yansıtıcı işaretlerle yansıtılır ve her kamera tarafından 2B nokta görüntüleri yakalanır. Bu 2B görüntülerin birkaçını birleştirerek, sistem yakalama alanı içindeki tüm işaretleyicilerin 3B konumunu hesaplar. Kameraların birbirleriyle ve küresel bir koordinat sistemi ile olan ilişkilerini belirlemek için önceden bir kalibrasyon işlemi kullanıcı tarafından tanımlanır. Bu çalışmada Rokoko ve OptiTrack'in üst ekstremite ROM ile ilgili in vitro ve in vivo deneyler arasındaki karşılaştırılması incelenmiştir. İn vitro çalışmada üst vücut hareketi için kavramın kanıtı iskelet modeli kullanılarak sağlanmıştır. DYNAMIXEL'in entegre DC motor kontrollü ve ağa sahip DC servo modülünde özel akıllı bir harekete geçiricidir ve Arduino yazılımıyla ağ bağlantısı olan sol kol omuz hareket aralığı sağlamak için sinyal gönderir.Tek düzlem kısıtlı, omuzun fleksiyon - uzama hareketleri, giyilebilir elbise ile planlanan ve ölçülen profil arasındaki sapmayı ölçmek için kontrollü step motor kullanılarak simüle edildi. Çapraz doğrulama, in vivo olarak Optitract kullanılarak tamamlanmıştır. Etik kurul izniyle, daha önce üst ekstremite bozukluğu öyküsü olmayan 7 erkek ve 7 kadın sağlıklı gönüllüden veri toplandı. Üç farklı düzlemle sınırlı; frontal düzlemde omuzun abdüksiyon hareketleri, sagital düzlemde omuz ve dirseğin fleksiyon hareketleri ve horizantal düzlemde omuzun dönme hareketleri, tekrarlanabilirlik ve güvenilirlik amacıyla omuz ve dirsek eklemlerinin sagital düzlemdeki fleksiyon / uzaması, frontal düzlemdeki abdüksiyon/addüksiyonu ve horizantal düzlemde de içsel/dışsal rotasyonları ölçmek için 9 hareket seti 3 kez tekrar edildi. Göreceli tepe açıları 3B konum verilerinden hesaplandı. İn vitro çalışmasında Rokoko ve OptiTrack için Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) omuz fleksiyonunda sırasıyla 0.66 ve 0.96 derece olarak hesaplandı. İn vivo çalışmasında, omzun abdüksiyon hareketlerinin Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) ortalama Rokoko ve Optitrack için sırasıyla 9.65 ve 8.8 derece olarak hesaplandı. Omuz ve dirseğin fleksiyon hareketlerinin Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) ortalama Rokoko ve Optitrack için sırasıyla 15.8 ve 13.44 derece olarak hesaplandı. Omzun rotasyon hareketlerinin Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) ortalama Rokoko ve Optitrack için sırasıyla 14.29 ve 14.49 derece olarak hesaplandı. Bland-Altman grafikleri Rokoko sisteminin OptiTrack ile karşılaştırılabilir veri ürettiğini gösterdi. Toplanan veriler, kinetik verileri hesaplamak için Vücutların Biyomekaniği (BoB) simülasyon yazılımına beslendi. Veriler, simülasyonu çevrimdışı modda çalıştırmak için BOB ile uyumluydu. Sonuç olarak, sonuçlar Rokoko sisteminin kliniklerde ve terapi merkezlerinde ROM ölçümleri için çalışmada toplanan kanıtlarla alternatif olabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Motion Capture (MOCAP) is frequently used to study in the field of biomedical engineering, while building biomechanical models in the design of implants, in the field of ergonomics, and also in physiotherapy. MOCAP systems provide kinematic data as an output. Biomechanical models use this output as an input for producing kinetic output by measuring the range of motion (ROM) on the joints of human body. For high bio-fidelity modelling, accurate daily life data are required. Here, we asses a novel marker-less wearable MOCAP system. Smartsuit Pro (Rokoko, Copenhagen, Denmark) for feeding in data to a biomechanical modelling software. The suit is utilised out of its intended use, which is utilized normally in the field of digital entertainment as a MOCAP system. OptiTrack (LEYARD, Corvallis, USA) is an optical infrared marker-based motion capture system. This technology uses several cameras, equipped with infrared light-emitting diodes. The infrared light from the cameras is reflected by reflective markers and captured by each camera as 2D point display images. By combining several of these 2D images;the system calculates the 3D position of all the markers within the capture space. A calibration process is needed beforehand to determine the position of the cameras in relation to each other, and in relation to a global coordinate system defined by the user. In this study, comparison between a wearable MOCAP system SmartSuit Pro and marker based system OptiTrack was completed in vitro and in vivo experiments to collect evidence about the ROM of the upper extremities of human body. In vitro study, proof of concept for the upper body motion is provided using a skeleton model with its left arm replaced by a custom-made 2 link arm mechanism which integrated DYNAMIXEL, a robot exclusive smart actuator with fully DC motor controller and network and one DC servo module with Arduino software. They are used to send signal to supply the range of motion of the shoulder. Single plane constrained; flexion – extension movements of the shoulder was simulated using a controlled step motor to quantify the deviation between the planned and the measured profile by the wearable suit. Cross validation is completed in vivo using OptiTract. With ethics committee permission, data were collected from 7 male and 7 female healthy volunteers who have no previous history of upper extremity disorder.Three different single plane constrained; abduction movements of shoulder in frontal plane, flexion movements of the shoulder and elbow in sagittal plane and rotation movements of shoulder in horizontal plane. For repeatability and reliability purposes, 9 sets of motions were repeated 3 times to measure flexion/extension of shoulder and elbow joints in the sagittal plane and to measure abduction/adduction of shoulder joints in the frontal plane and to measure internal/external rotation of shoulder joints in the horizontal plane. The relative peak angles were calculated from 3D position data. For in vitro study, Root Mean Square Error (RMSE) was 0.66 and 0.96 degrees respectively Rokoko and OptiTrack in shoulder flexion. In vivo RMSE results for shoulder, abduction movements averagely were calculated as 9.65 and 8.8 degrees respectively Rokoko and Optitrack. The RMSE result of flexion movements of the shoulder and elbow averalgely were calculated as 15.8 and 13.44 degrees between Rokoko and Optitrack. The RMSE result of rotation movements of the shoulder averagely were calculated as 14.29 and 14.49 degrees between Rokoko and Optitrack. Bland- Altman plots showed that Rokoko system produces data comparable to OptiTrack. The collected data was fed into Biomechanics of Bodies (BoB) simulation software for calculating kinetic data. The data was compatible with BOB to run the simulation in offline mode. In conclusion, the results demonstrated that Rokoko system could be an alternative while measuring ROM in clinics and therapy centres with the evidence collected in this study.
Benzer Tezler
- Giyilebilir düşme sezme sistemlerinde ataletsel ve magnetik algılayıcıların sınıflandırma performansına etkilerinin incelenmesi
The investigation of the effect of inertial and magnetic sensors to classification performance in wearable fall detection system
FATİH YOLDÜREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET TURAN ÖZDEMİR
- İnsan hareketi izleme teknolojilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi
Comparative assessment of human motion monitoring technologies
CEMAL FATİH KUYUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN İNCE
- Diz eklem hareket açıklığı ölçümünde giyilebilir hareket sensörlerinin geçerlilik ve güvenilirliğinin incelenmesi
Investigation of the validity and reliability of wearable motion sensors in knee joint movement meausurement
AYŞEGÜL KOÇAK BÜYÜKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizyoterapi ve RehabilitasyonHaliç ÜniversitesiFizyoterapi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK GÜNEŞ YAVUZER
- Multipl sklerozlu bireylerde farklı ikili görev koşulları altında denge, yürüyüş, kol salınımı ve sezgisel postüral ayarlamaların değerlendirilmesi ve düşmelerle ilişkisinin incelenmesi
Investigation of balance, gait, ARM swing, and anticipatory postural adjustments under different DUAL-task conditions in persons with multiple sclerosis and examining their relationship with falls
ZUHAL ABASIYANIK
Doktora
Türkçe
2023
Fizyoterapi ve RehabilitasyonDokuz Eylül ÜniversitesiFizik Tedavi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGE ERTEKİN
DOÇ. DR. TURHAN KAHRAMAN
- Numerical and experimental investigation of bioinspired soft robotic actuator that creates vacuum
Tasarımında doğadan esinlenilmiş ve vakum kuvveti yaratabilen yumuşak robotik aktüatörün nümerik ve deneysel incelenmesi
UMUT SERDAR ÇİVİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR