3 Eksperyment
3.2 Aparatura pomiarowa
Tab. 2 Liczebność powtórzeń poszczególnych aktywności ruchowych dla każdego
z wolontariuszy (W1 ÷ W20) 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b W1 30 30 28 28 31 31 36 36 30 30 19 19 W2 30 30 31 31 30 30 30 30 30 30 25 25 W3 30 30 32 32 30 30 30 30 30 30 31 31 W4 28 28 31 31 30 30 46 46 40 40 28 28 W5 29 29 30 30 30 30 31 31 30 30 27 27 W6 31 31 30 30 33 33 30 30 30 30 21 21 W7 29 29 30 30 31 31 30 30 31 31 22 22 W8 27 27 30 30 29 29 28 28 30 30 23 23 W9 30 30 30 30 31 31 30 30 31 31 24 24 W10 29 29 32 32 30 30 33 33 33 33 28 28 W11 30 30 29 29 30 30 31 31 37 37 29 29 W12 30 30 33 33 30 30 29 29 30 30 29 29 W13 30 30 30 30 32 32 31 31 37 37 29 29 W14 30 30 30 30 30 30 30 30 41 41 35 35 W15 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 32 32 W16 29 29 29 29 30 30 30 30 29 29 30 30 W17 30 30 21 21 32 32 30 30 30 30 28 28 W18 30 30 30 30 31 31 30 30 30 30 40 40 W19 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 40 40 W20 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 35 35
3.2 Aparatura pomiarowa
A. System Motion Capture – Optotrak Certus firmy NDI służy do
pozycjonowania i rejestracji obiektu (ciała człowieka) w ruchu poprzez optyczne śledzenie umieszczonych na nim uprzednio markerów. Dzięki temu, iż w systemie tym markery są postaci diod światła podczerwonego (tzw. markery aktywne) (rys. 5), ich identyfikacja realizowana jest w sposób automatyczny poprzez sekwencyjną aktywację, co oznacza, że tylko jeden marker jest aktywny (świeci) w danej chwili czasowej. W rozwiązaniu tego typu nie ma niebezpieczeństwa zaistnienia sytuacji, kiedy raz zidentyfikowane markery stawałyby się anonimowe na kolejnych klatkach filmu lub gdy markery położone blisko siebie zostałyby zamienione miejscami (krzyżowanie trajektorii markerów). Stanowi to ogromną zaletę w stosunku do systemów wykorzystujących markery bierne – odblaskowe, w których niestety problemy identyfikacyjne nie należą do rzadkości, zwłaszcza w przypadku rejestracji ruchów o bardziej złożonej charakterystyce, odznaczających się większymi wartościami wielkości kinematycznych, takich jak
34 prędkość czy przyspieszenie. W systemach z markerami biernymi z pomocą przychodzi dedykowane do systemu oprogramowanie, w którym w sposób semiautomatyczny korzystając z określonych informacji (wzajemne statyczne umiejscowienie markerów na obiekcie, podobieństwo trajektorii różnych markerów) dokonywać można aproksymacji danych trajektorii ruchu markerów. W systemach z markerami aktywnymi, jak zastosowany NDI Optotrak Certus, łatwość ich identyfikacji okupiona jest niedogodnością w postaci konieczności zasilania i połączenia markerów kablami, co może w jakimś stopniu ograniczać swobodę wykonywania ruchów objętych badaniem.
Rys. 5 Aktywne markery połączone kablami i Rigid Bodies systemu NDI Optotrak
Certus (Z4)
Czujnik pozycyjny NDI, który ma za zadanie śledzić markery, złożony jest z trzech kamer czułych na światło podczerwone. W zależności od pożądanej w danym doświadczeniu geometrii przestrzeni pomiarowej, może on być umiejscowiony pionowo bądź też poziomo (rys. 6). W opisywanych badaniach wykorzystano konfigurację pionową z uwagi na wymóg większej szerokości aniżeli
35 wysokości przestrzeni badawczej, szczególnie podczas rejestracji swobodnego chodu (rys. 7).
Rys. 6 Czujnik pozycyjny systemu NDI Optotrak Certus w konfiguracji odpowiednio od lewej: poziomej i pionowej (Z5)
36 Pojedynczy czujnik pozycyjny stwarza możliwość pomiaru trajektorii markerów w przestrzeni trójwymiarowej, jednak tylko z jednej strony ciała. Jeśli badania wymagałyby pomiaru całej sylwetki człowieka z każdej strony i co za tym idzie na stworzeniu jej biomechanicznego modelu kostno-mięśniowego, należałoby wówczas rozbudować system o dodatkową liczbę czujników oraz zakupić dodatkowe oprogramowanie dedykowane do tego celu (rys. 8).
Rys. 8 Oprogramowanie Visual3D do modelowania ciała człowieka w ruchu (Z7) System ma możliwość podłączenia maksymalnie 512 markerów i 8 czujników pozycyjnych jednocześnie. Bardzo użyteczną funkcją systemu NDI, dostępną w podstawowym zestawie, jest opcja definiowania nierzeczywistych markerów (ang. Imaginary Markers) i ciał sztywnych (ang. Rigid Bodies). Pierwsze z nich są stosowane, gdy istnieje potrzeba śledzenia miejsca na obiekcie, gdzie nie jest możliwe umiejscowienie markera, drugie natomiast służą do pomiarów rotacji segmentów badanych obiektów. Ciała sztywne tworzą trzy markery usytuowane w stałych od siebie odległościach w jednej płaszczyźnie na specjalnej trójkątnej plastikowej podkładce (rys. 5). Ogromną zaletą systemu NDI wyróżniającą go
37 spośród innych systemów Motion Capture dostępnych na rynku są jego parametry techniczne:
dokładność pozycjonowania i śledzenia markerów – 0,1 mm,
rozdzielczość – 0,01 mm,
maksymalna częstotliwość próbkowania (zależna od liczby podłączonych markerów) – 4600/(liczba markerów + 2,3).
B. Wzmacniacz ME6000 Biomonitor firmy Mega Electronics (rys. 9)
oferuje telemetryczny pomiar sygnałów bioelektrycznych (EMG, EKG) za pomocą bezprzewodowej sieci lokalnej (WLAN), a także w dodatkowym zestawie – sygnałów goniometrycznych, akcelerometrycznych, inklinometrycznych, żyrometrycznych, jak również momentów sił czy szybkości przewodnictwa nerwowo-mięśniowego. Urządzenie to łączy w sobie cechy specjalistycznego sprzętu medyczno-badawczego i przenośnego, łatwego w użyciu rejestratora najbardziej pożądanych sygnałów biomechanicznych. Umożliwia jednoczesną rejestrację do 8 kanałów pomiarowych w czasie rzeczywistym online (z trybem transmisji natychmiastowej do odbiorcy sieciowego) lub offline (z trybem zapisu na karcie pamięci). Maksymalna dostępna częstotliwość próbkowania sygnału EMG ściśle zależy od ilości rejestrowanych kanałów, jak i od ustawionego trybu i wynosi: 2 kHz (8 kanałów, online), 5 kHz (4 kanały, online), 10 kHz (2 kanały, online), 2 kHz (8 kanałów, offline), 5 kHz (6 kanałów, offline), 10 kHz (4 kanały, offline).
38 Rys. 9 ME6000 Biomonitor (Z8)
C. System ParoLogg (rys. 10) służy do bezprzewodowego pomiaru offline
nacisku stóp człowieka (z częstotliwością próbkowania do 300 Hz) przy użyciu technologii Hydrocell. Opiera się ona na wykorzystaniu piezorezystywnych czujników ciśnienia umieszczonych w silikonowych „komórkach” (ang. cells). Konfiguracja taka pozwala na pomiar wypadkowych sił działających na sensor: kompresyjnych (wertykalnych) i ścinających (przednio-tylnych i przyśrodkowo-bocznych). Pojedynczy sensor działa na zasadzie mostka rezystywnego, który jest odporny na zewnętrzne interferencje elektryczne czy też fluktuacje temperaturowe.
System ParoLogg składa się ze:
stacji roboczej podłączanej kablem sieciowym do komputera; stacja pośredniczy w przesyle danych pomiarowych oraz w ładowaniu akumulatorów zasilających pilota i 2 urządzeń pomiarowych Sync-box,
pilota, za pomocą którego jest możliwe zdalne sterowanie pomiarem,
2 urządzeń pomiarowych Sync-box, umieszczanych na kończynach dolnych (podudziach) osoby badanej, podłączanych bezpośrednio do wkładek,
pary wkładek z sensorami (32 na każdą wkładkę); w zestawie są dostępne 4 rozmiary wkładek 37-38, 39-40, 41-42, 43-44; zakres pomiaru sensorów sięga do 62,5 N/cm2,
w dodatkowym zestawie – 2 akcelerometrów umieszczanych na grzbietach stóp, podłączanych bezpośrednio do urządzeń pomiarowych Sync-box.
39 Rys. 10 System ParoLogg: wkładki z sensorami, stacja robocza z pilotem i urządzeniami do zbierania danych pomiarowych (Sync-box), akcelerometry (Z9)
D. System Revitus firmy ITAM stanowi połączenie 2-kanałowego
wzmacniacza sygnału EKG oraz 3-osiowego akcelerometru umieszczonego we wnętrzu urządzenia (rys. 11). Rejestrator umożliwia zarówno wykonywanie pomiaru online (Bluetooth), jak i pomiaru zapisywanego na wewnętrznej karcie pamięci. Częstotliwość próbkowania sygnału EKG jest ustalona przez producenta i wynosi 1000 Hz, natomiast sygnału przyspieszenia – 100 Hz.
40
E. Kamera cyfrowa firmy Sony HDR-FX7E posłużyła w badaniach do
rejestracji obrazu całej sylwetki człowieka z boku (z lewej strony). Częstotliwość próbkowania wynosiła 25 klatek na sekundę, przy rozmiarze klatki 720 x 576 pikseli, zgodnie z formatem DV-PAL.