Войти
  • Главная
  • Блог
  • Анализ данных движений с использованием технологий замедленной съемки в формате 2D

Анализ данных движений с использованием технологий замедленной съемки в формате 2D

22.09.2024
47 просмотров
Вопросы и комментарии

Введение

Скрининг и оценка важны в любой модели медицинской помощи, а в физиотерапии они включают анализ движений.[1] Анализ человеческих движений представляет большой интерес для повышения производительности, профилактики травм и оптимального восстановления от травм или поражений.[2][3] Большинство исследований, опубликованных по кинематике человека, использовали трехмерные (3D) системы анализа движений, которые дорогие, трудоемкие и, как правило, не распространены в клинической практике.[4] С развитием технологий появились более экономически эффективные решения для оценки человеческого тела, и двухмерные (2D) изображения стали альтернативой дорогим 3D системам.[2][5] Двухмерный видеоанализ стал популярным в клинической практике, так как он требует только цифровой видеокамеры и программного обеспечения для оцифровки, которые широко доступны, относительно недороги и в основном портативны.[6][7] Видеоанализ включает в себя «систематическое наблюдение и интерпретацию видео для повышения объективности и снижения предвзятости и субъективности, присущих человеческому наблюдению».[8]

Виндт и соавт.[9] предложили структуру клинического принятия решений, состоящую из четырех клинических вопросов, которые следует рассмотреть перед инвестированием в новые технологии, два из которых были рассмотрены в предыдущем обсуждении преимуществ 2D видеонализа замедленного действия:

  1. Будет ли полезна информация, обещанная новой технологией? Вывод: она имеет множество преимуществ и показаний и ценна при работе с клиентами.
  2. Можно ли доверять предоставляемой ею информации? Вывод: да, ей можно доверять.
  3. Можете ли вы интегрировать, управлять и анализировать эту новую информацию эффективно?
  4. Можете ли вы внедрить эту новую технологию в свою практику?


Третий и четвертый вопросы структуры будут обсуждаться на этой странице с конкретным акцентом на:

  • «Как» техники записи, анализа, хранения и извлечения видеоданных для улучшения достоверности и надежности анализа движений замедленного действия
  • Идентификацию ключевых контрольных точек, которые полезны для описания движений при выполнении 2D видеонализа замедленного действия

Этот подход к 2D видеонализу замедленного действия основан на структурах, используемых для рентгеновских снимков/диагностической визуализации с общими шагами:

  • Записать изображение
  • Анализировать изображение
  • Хранить и извлекать данные

Подготовка

Первый шаг в подготовке к записи включает объяснение пациенту цели/необходимости фиксирования изображения/видео и получение его согласия.[10][11]

«Ваши движения способствуют вашей боли. Я хотел бы проанализировать ваши движения с помощью видеоанализа замедленного действия». «Я вижу что-то в ваших движениях, что хотел бы показать вам с помощью изображения/видео».

Планирование сеанса записи включает в себя множество факторов, таких как: [10]

  • Выбор сцены (с учетом приватности)
  • Фон изображения, включая освещение
  • Расстояние от камеры до пациента
  • Выбор камеры
  • Количество ракурсов
  • Какие движения вызывают боль и/или являются ненормальными движениями
  • Планирование конца видео (например, запись пациента в момент боли)

оборудование и настройка

1. Выберите камеру

  • Стандартная, традиционная цифровая камера
  • Смартфон
  • Планшет (преимущество - больший экран для показа видео пациенту)


2. Определите ориентацию смартфона/планшета

  • Альбомная (обычно предлагается как лучший вариант)
  • Портретная


3. Закрепите камеру на штатив или, в качестве альтернативы, держите её в руке (стабильное крепление камеры) [11]

4. Максимизируйте расстояние от камеры до объекта - «достаточно далеко»[12]

5. Максимизируйте размер изображения [11]

6. Добавьте «сетку» на экран

7. Совместите оптическую ось камеры перпендикулярно (под углом 90°) к плоскости движения (будьте перпендикулярны движению и находитесь достаточно далеко от объекта[12]

8. Учтите погрешность параллакса

При выполнении видеоанализа необходимо тщательно следовать определенным процедурам, чтобы минимизировать систематические и случайные ошибки.[11] При 2D-анализе движение, подлежащее анализу, должно быть ограничено одной предварительно определенной плоскостью - плоскостью движения. Любые измерения движения за пределами этой плоскости подвержены ошибке перспективы/ошибке параллакса.[11]

Ошибка параллакса в фотографии

Параллакс - это «смещение или разница в кажущейся позиции объекта, наблюдаемого по двум разным линиям обзора»[13] и вызвано наблюдением за объектом под косым углом, когда он проходит через поле обзора камеры.[6] Параллакс камеры также возникает, когда объектив и видоискатель/экран камеры смещены.[10][13] Это создает эффект, при котором позиция или направление объекта кажутся различными при наблюдении с разных позиций (как через видоискатель, так и через объектив камеры). Параллакс наиболее заметен, когда объекты/люди находятся близко к камере и становится относительно незначительным на более дальних расстояниях.[13][14]Во избежание ошибок параллакса при съемке:[10]

  • Измеряйте углы и линейные смещения только тогда, когда пациент перпендикулярен объективу камеры (сагиттальные/боковые движения) [4][15]
  • Камера может быть зафиксирована, в то время как пациент движется вперед и назад, вращаясь на 180° (передне-задний вид) - получить как минимум 2 вида
Стабилизатор Gimbal
  • Пациент и камера могут двигаться вместе - необходимо использовать стабилизатор Gimbal, чтобы камера оставалась стабильной и предотвращала тряску
  • Смоделируйте треугольник амбуляции, где камера фиксирована, а пациент поворачивается на углы 60°
    • Пациент бежит/ходит от точки A к точке B, а мы снимаем его справа
    • В точке B пациент поворачивается на 180° и мы снимаем его слева
    • Вернувшись в точку A, пациент поворачивается на 60° и бежит прямо на камеру (фронтальный вид) (точка C)
    • Когда он близко к камере, пациент поворачивается на 60° и бежит к точке B (вид сзади)
    • Повторите это достаточное количество раз, чтобы получить достаточный уровень семплирования
  • Получение как минимум 2 видов при съемке улучшает точность[3][4][15]
    • Передне-задний вид
    • Вид справа
    • Вид слева
  • Разместите камеру «достаточно далеко» от пациента, которого снимаете[12]


9. Обеспечьте оптимальное освещение пациента[10][11]

  • Расположите источник света за камерой
  • При записи внутри, располагайте окна/светильники за камерой
  • Для съемки на улице убедитесь, что солнце находится за камерой, и снимайте в тени для более легкого немедленного просмотра видео
  • Флуоресцентные потолочные лампы могут быть недостаточны при съемке ночью, и необходимо дополнительное освещение для лучшей экспозиции
  • Избегайте съемки на улице в сумерках или рассвет - трудно подбирать правильное освещение
  • Необходимо больше света при съемке со скоростью кадров выше 30 fps или при записи в медленном режиме


10. Выберите подходящую частоту кадров и решите, записывать ли в обычной скорости/замедленном режиме[10][11]

Кадры в секунду (fps) - это мера того, как видео отображается в движении. Каждый кадр - это отдельное изображение. Если видео записывается и воспроизводится со скоростью 30 fps, каждая секунда видео показывает 30 различных неподвижных изображений (соответственно, 30 изображений в секунду). Чем больше fps, тем плавнее выглядит движение. Стандартные смартфоны и планшеты записывают со скоростью 30 fps, что обычно достаточно для ходьбы и общих взаимодействий с пациентом.[1] Для высокоскоростных активностей, таких как бег или спортивные занятия, требуются более высокие частоты кадров (60 fps или выше).[10][11][16]

Записи могут быть сделаны в обычной скорости (30 fps) и воспроизведены в замедленном режиме (при 60 fps) или в замедленном режиме с более высокой частотой кадров (100 fps) и воспроизведены в замедленном режиме.

Запись в обычной скорости:

  • Требует меньше места на носителе
  • Требует меньше света
  • Требует функции воспроизведения видео в замедленном режиме для немедленной обратной связи с пациентом


Запись в замедленном режиме:

  • Требует больше места на носителе
  • Требует больше света
  • Требует использования штатива
  • Легко делиться в реальном времени с пациентом для немедленной обратной связи

[17]

11. Визуализируйте ключевые ориентиры на теле[10][11] - убедитесь, что ориентиры на теле, связанные с анализом, открыты и хорошо видны

  • Откройте поясничную линию
  • Откройте подколенную складку кожи на задней части колена
  • Для верхних конечностей откройте T1, лопатки и локти

Запись изображения/видео

Репетиция перед записью знакомит пациента с движениями, которые будут записаны, и позволяет врачу попрактиковаться в вербальных указаниях пациенту. После репетиции начинайте запись, удостоверившись, что достигнута конечная точка. Важно получить достаточную выборку, чтобы учесть эффект параллакса.[10]

Выполните предварительный просмотр и анализ видеозаписи с пациентом, чтобы убедиться, что видео записано хорошо и нет ошибок в видеосъемке. Убедите пациента, что это только предварительный просмотр, и углубленный анализ будет выполнен после визита, а результаты будут сообщены при следующем визите. Начальный анализ можно провести, используя стандартную функцию воспроизведения видео, дополняемую функцией «scrubbing», доступной на большинстве смартфонов/планшетов. Scrubbing включает регулировку скорости воспроизведения при помощи точки/кнопки на ползунке и позволяет выполнить начальный анализ в замедленном режиме.

Функция Scrubbing

Использование функции scrubbing: [10]

  • При воспроизведении видео, нажмите и удерживайте точку/кнопку на ползунке, затем перемещайте её влево или вправо, чтобы промотать назад или вперёд с медленной или быстрой скоростью
  • Чтобы изменить скорость scrubbing, перемещайте палец вверх/вниз по ползунку, удерживая точку
  • Дисплей изменится, показывая скорость scrubbing. Опции включают стандартную, ½ скорость, ¼ скорость и Fine

Приложения для редактирования видео

Анализ движений на видео может также проводиться с использованием программного обеспечения для редактирования видео, которое позволяет выполнять и другие функции. При выборе приложения для редактирования видео, желательные функции или возможности для выполнения анализа в замедленном режиме включают:[10]

  • Возможность анализа кадр за кадром и захвата неподвижных изображений [7][18]
  • Функция разделенного экрана
  • Функция рисования линий
  • Функция увеличения в программном обеспечении
  • Возможность конвертации формата файла с одной операционной системы на другую (Windows, iOS, Android)

Из многого программного обеспечения для редактирования видео особенно полезными являются Kinovea (open-source) и функция Slow Motion Video (см. изображение ниже).[1][4][10]

Начальный анализ видео

Полезно проводить первичное обследование с пациентом в реальном времени, стараясь вовлечь пациента с помощью вопросов. Помните рамку "пауза - подсказка - похвала" при просмотре видео с пациентом.[10]

  • Пауза - “Что вы видите?”
  • Подсказка пациенту с помощью вопросов
    • “Видите ли вы…?”
    • “Что, по вашему, вы можете изменить?”
    • “Какие идеи у вас есть, чтобы изменить свой способ ходьбы/бега?”
    • “Насколько это важно?”
  • Похвала - Дайте положительную обратную связь, даже когда выявляются слабости/проблемы

Повышение надежности анализа

Второй вопрос, заданный Виндтом и др.[9] - “Можно ли верить предоставленной информации?”. Следующие факторы играют роль в повышении надежности видеоанализа:[10]

1. Разработайте систему рабочего процесса, которая будет последовательной, тщательной и систематической.[1][15]

  • Просматривайте и анализируйте с головы до ног
  • Просматривайте как с правой, так и с левой стороны тела
  • Просматривайте незадействованную сторону (предполагается, что она менее отклонена)
  • Просматривайте задействованную сторону


2. Определите стандартную точку или время, когда наблюдаются и измеряются движения.

  • Когда пациент/изображение находится под прямым углом к камере
  • Когда провоцируется боль, например, во время фазы опоры
  • Когда пациент достаточно устал
  • Когда пациент двигается достаточно быстро
  • Когда происходит отклоненное движение


3. Используйте процессы улучшения качества - видеоданные позволяют многократно наблюдать и анализировать движение без утомления пациента или создания дополнительной боли/травмы, что позволяет врачу определить надежность анализа. Процессы улучшения качества включают:

  • Саморефлексию
  • Рецензии коллег - просмотр видео между врачами
  • Повторные видеонаблюдения в разные временные рамки одним врачом

4. Будьте осведомлены о влиянии подтверждающих предубеждений - наши подтверждающие предубеждения могут влиять на наше восприятие изображений. Совместное использование изображений/видео с коллегами может помочь устранить возможность предвзятости отдельного врача. На изображении ниже приведен пример различий в восприятии, когда некоторые люди видят утку, а другие - кролика.[10]

Загрузка и передача видеоданных

Некоторые факторы, которые следует учитывать при загрузке/передаче записанных видеоданных, включают:

  • Необходимое оборудование для передачи данных с камеры на хранение - USB-кабель/разъем для карты на компьютере/адаптер USB для карты/ Wi-Fi
  • Программное обеспечение для передачи видео со смартфона в электронную медицинскую карту пациента[19] - появляются специализированные приложения для клинического анализа изображений:
    • WABA Medical Pics
    • Secure Image Transfer
    • Clinical Uploader
    • PicSafe

хранение и извлечение видеоданных

После записи изображения и проведения начального анализа, важно установить способ хранения и извлечения видеофайла, как это делается с рентгеновскими снимками. Факторы, которые следует учитывать, включают:[10]

  • Где хранить? В облаке, на жестком диске или, возможно, даже обоих
  • Если используется личная камера, храните файл в отдельной папке от личных изображений
  • Хранение требует конфиденциальности, безопасности, шифрования и защиты паролем[19]
  • Переименуйте видеофайл с присвоенного номера файла на номер медицинской карты пациента и укажите дату записи
  • Пакеты для редактирования видео также позволяют добавлять "теги" ключевых слов: активность, диагноз, вид, первоначальное предпочтительное движение, измененное интервенционное движение, другая информация
  • Храните необработанные видеоданные и данные о интерпретации анализа
  • Используйте процессы "обрезки" - удаление или сохранение аудиозаписи, изменение размеров изображений
  • Иметь системную процедуру резервного копирования

[20]

Ссылки

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Parks MT, Wang Z, Siu KC. Текущие недорогие варианты видеоанализа движений для клинической реабилитации: систематический обзор. Физическая терапия. 28 октября 2019; 99(10):1405-25.
  2. ↑ 2.0 2.1 Peart DJ, Balsalobre-Fernández C, Shaw MP. Использование мобильных приложений для сбора данных в спорте, здравоохранении и науке о физических упражнениях: нарративный обзор. Журнал исследований силы и кондиционирования. 1 апреля 2019; 33(4):1167-77. 
  3. ↑ 3.0 3.1 Colyer SL, Evans M, Cosker DP, Salo AI. Обзор эволюции видеоанализа движений и интеграции методов продвинутого компьютерного зрения с целью разработки системы без маркеров. Открытая спортивная медицина. Декабрь 2018; 4(1):1-5.
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 Dingenen B, Barton C, Janssen T, Benoit A, Malliaras P. Tест-ретест надежности двумерного видеоанализа при беге. Физическая терапия в спорте. 1 сентября 2018; 33:40-7. 
  5. ↑Numata H, Nakase J, Kitaoka K, Shima Y, Oshima T, Takata Y, Shimozaki K, Tsuchiya H. Двухмерный анализ движений динамического вальгуса колена выявляет девушек-спортсменок старших классов, находящихся в зоне риска разрыва передней крестообразной связки без контакта. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2018 Feb;26(2):442-7.
  6. ↑ 6.0 6.1 Alahmari A, Herrington L, Jones R. Сопутствующая валидность двухмерного видеоанализа фронтальной плоскости движения нижних конечностей во время многонаправленной посадки на одну ногу. Physical Therapy in Sport. 2020 Mar 1;42:40-5.  
  7. ↑ 7.0 7.1 Finkbiner MJ, Gaina KM, McRandall MC, Wolf MM, Pardo VM, Reid K, Adams B, Galen SS. Анализ движений на видео с использованием смартфонов (ViMAS): пилотное исследование. Journal of visualized experiments: JoVE. 2017(121).
  8. ↑ Hendricks S, Till K, Den Hollander S, Savage TN, Roberts SP, Tierney G, Burger N, Kerr H, Kemp S, Cross M, Patricios J. Консенсус по структуре видеоанализа описаний и определений, составленный Консенсусной группой по видеоанализу регби. British journal of sports medicine. 2020 May 1;54(10):566-72.   
  9. ↑ 9.0 9.1Windt J, MacDonald K, Taylor D, Zumbo BD, Sporer BC, Martin DT. “Внедрять или не внедрять технологии?” Критическая система принятия решений для внедрения технологий в спорт. Journal of Athletic Training. 2020 Sep;55(9):902-10.
  10. ↑ 10.00 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 10.07 10.08 10.09 10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 Howell D. Техники двухмерного анализа видеоданных с замедленным движением. Plus, 2022.
  11. ↑ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 Payton C, Bartlett R. Eds. Биомеханическая оценка движения в спорте и физических упражнениях: Руководство Британской ассоциации спортивных и физических наук. Routledge; 2008.
  12. ↑ 12.0 12.1 12.2 Stephens J, Bostjancic M, Koskulitz T. Исследование ошибки параллакса в видеоанализе. The Physics Teacher. 2019 Mar;57(3):193-5.
  13. ↑ 13.0 13.1 13.2 Camerapedia Fandom. Параллакс. [По состоянию на 9 ноября 2021].
  14. ↑ Wikipedia. Параллакс. Доступно по ссылке https://en.wikipedia.org/wiki/Parallax [по состоянию на 9 ноября 2021].
  15. ↑ 15.0 15.1 15.2 Souza RB. Обоснованный видеозаписанный анализ биомеханики бега. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics. 2016 Feb 1;27(1):217-36.
  16. ↑ van der Kruk E, Reijne MM. Точность систем захвата человеческого движения для спортивных приложений; обзор современных решений. European Journal of Sport Science. 2018 Jul 3;18(6):806-19.
  17. ↑ Kellan Reck. Объяснение частот кадров видео. Опубликовано 18 апреля 2018 г. Доступно по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=Iwog2NN6iBw [последний доступ 12 ноября 2021 г.].
  18. ↑ Puig-Diví A, Escalona-Marfil C, Padullés-Riu JM, Busquets A, Padullés-Chando X, Marcos-Ruiz D. Валидность и надежность программы Kinovea при получении углов и расстояний с использованием координат в 4 перспективах. PloS one. 2019 Jun 5;14(6):e0216448.
  19. ↑ 19.0 19.1 Chandawarkar R, Nadkarni P. Безопасная клиническая фотография: руководящие принципы управления рисками и их смягчения. Archives of Plastic Surgery. 2021 May;48(3):295.
  20. ↑ Let’s Teach Science. Соображения по видеоклиническому анализу. Опубликовано 30 августа 2020 г. https://www.youtube.com/watch?v=4SW0D_ywZYQ [последний доступ 12 ноября 2021 г.].

Вопросы и комментарии