نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استادیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک / هسته‌ی علمی سامانه‌های پشتیبان در توسعه‌ی سلامت، دانشگاه یزد، یزد، ایران

3 دکتری بیومکانیک ورزش، هسته‌ی علمی سامانه‌های پشتیبان در توسعه‌ی سلامت ، دانشگاه یزد، یزد، ایران

10.22041/ijbme.2021.128760.1599

چکیده

یافتن موقعیت مرکز دوران برای تعریف محور آناتومیکی سیستم اسکلتی و در مطالعات بیومکانیکی برای محاسبه­ی کینماتیک مفاصل ضروری است. برای این منظور می­توان از روش­های پیش­بین و عمل‌کردی استفاده کرد. در روش­های پیش­بین از معادلات رگرسیونی حاصل از اندازه­گیری­های آنتروپومتریکی و در روش­های عمل‌کردی از حرکت نسبی اندام­های مجاور مفصل برای یافتن مرکز آنی دوران استفاده می­شود.­ هدف از این مطالعه فرموله کردن الگوریتم برازش دایره به عنوان روشی عملیاتی با دو روش حل تحلیلی و بهینه­سازی است. به منظور ارزیابی الگوریتم، تحلیل خطا به دو روش تحلیلی و عددی انجام شده و عوامل موثر در خطای تخمین موقعیت مرکز دوران مانند انحراف از معیار خطای سیستم داده­برداری (σ)، زاویه­ی دوران (α) و فاصله‌ی نشان­گر از مرکز دوران (r) مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از وجود همبستگی بالا (99/0=r) بین دو روش حل تحلیلی و عددی بوده که صحت تحلیل خطا را اثبات کرده است. از بین دو روش حل تحلیلی و بهینه­سازی که در این مطالعه بررسی شده است، روش بهینه­سازی با توجه به دقت تخمین مطلوب­تر در مقادیر پایین α، تاثیرپذیری کم‌تر در مقادیر بالای σ و سرعت بالا در حل مساله، می­تواند در مطالعات بیومکانیکی برای بازسازی حرکات انسان مورد توجه قرار گیرد. با گسترش استفاده از روش­های عمل‌کردی می­توان نیاز به مارکرگذاری نشانه­های آناتومیکی را از بین برد و زمینه­ساز تحولی جدید در داده­برداری حرکتی ­شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Motion Reconstruction and Error Analysis for Human Planar Motions using at least One Freely-Placed Passive Marker per Segment

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Akbarifar 1
  • Mohammad Hadi Honarvar 2
  • Mostafa Haj Lotfalian 3

1 M.Sc. Student, Faculty of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran

2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering / Center of Excellence for Support Systems in Health Development, Yazd University, Yazd, Iran

3 Ph.D., Center of Excellence for Support Systems in Health Development, Yazd University, Yazd, Iran

چکیده [English]

Finding the center of rotation (COR) is needed for defining the anatomical axis of the skeletal system and for the kinematic calculation of joints in biomechanical studies. For this purpose, predictive and functional methods can be used. In the predictive methods, regression equations obtained from anthropometric measurements are used, and in the functional methods, the relative motion of the two adjacent segments is used to find COR. The purpose of this study is to formulate the circle fitting algorithm as a functional method with two analytical and optimization solutions. In order to evaluate the algorithm, error analysis was performed by both analytical and numerical methods. Also, effective factors in error estimating of COR position such as standard deviation of measurement system error (σ), rotation angle (α) and the distance between marker and COR (r), was evaluated. The results showed a high correlation (r=0.99) between analytical and numerical solution, which proved the accuracy of the error analysis. In this study, optimization method according to the accuracy of better estimates in low quantities α, less influence on high quantities σ and high speed in problem solving, can be taken into consideration to reconstruct human movements in biomechanical studies. Use of functional methods, eliminates the need for attaching markers to anatomical landmarks and provides a new development in motion data acquisition.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Motion Reconstruction
  • Center of Rotation
  • Circle fitting
  • Error Expectation Analysis
  1. Chruscikowski, N.R. Fry, J.J. Nobel, M. Gough, & A.P. Shortland, “Selective motor control correlates with gait abnormality in children with cerebral palsy,” Gait & posture, vol. 52, pp.107-109, February, 2017
  2. van Hal, E. Otten, J.M. Hijmans, & K. Postema, “A new leg prosthesis to improve lateral balance in prosthetic walking,” Gait & Posture, vol. 42, pp. S81-S82, June, 2015.
  3. Attias, A. Bonnefoy-Mazure, L. Cheze, G. DeCoulon, & S. Armand, “Feasibility and reproducibility of using an exoskeleton able to emulate muscle contractures during walking,” Gait & Posture, vol. 42, pp. S82-S83, June, 2015.
  4. Condell & G. Moore, (2009). “HandPuppet3D: Motion capture and analysis for character animation,”Artificial Intelligence Review, vol 31, no. (1-4), pp. 45, June, 2009.
  5. G.M. Meskers, F.C. Van der Helm, L.A. Rozendaal, & P. M. Rozing, “In vivo estimation of the glenohumeral joint rotation center from scapular bony landmarks by linear regression,” Journal of biomechanics, vol. 31, no. 1, pp. 93-96, November, 1997.
  6. Cappozzo, F. Catani, U. Della Croce, & A. Leardini, “Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination,” Clinical biomechanics, vol. 10, no. 4, pp. 171-178, June, 1995.
  7. De Rosario, & A. Besa, “Analytical study of the effects of soft tissue artefacts on functional techniques to define axes of rotation,” Journal of biomechanics, vol. 62, pp. 60-67, Sept., 2017.
  8. Stagni, A. Leardini, A. Cappozz, M.G. Benedett, & A. Cappello, “Effects of hip joint center mislocation on gait analysis results,” Journal of biomechanics, vol. 33, no. 11, pp. 1479–1487, November, 2000.
  9. Song, J., Ding, H., Han, W., Wang, J., & Wang, G. (2018). An X-ray-free method to accurately identify the elbow flexion–extension axis for the placement of a hinged external fixator. International journal of computer assisted radiology and surgery, 13(3), 375-387.
  10. Galetto, M., Gastaldi, L., Lisco, G., Mastrogiacomo, L., & Pastorelli, S. (2014). Accuracy evaluation of a new stereophotogrammetry-based functional method for joint kinematic analysis in biomechanics. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 228(11), 1183-1192.
  11. Gastaldi, L., Lisco, G., & Pastarelli, S. (2015). Evaluation of functional methods for human movement modelling.Acta of bioengineering and biomechanics, 17(4), 31-38.
  12. Halvorsen, “Bias compensated least squares estimate of the center of rotation,” Journal of Biomechanics, vol. 36, no. 7, pp. 999-1008, July, 2003.
  13. Reuleaux, “Theoretische Kinematik: Grundzüge einer Theorie des Maschinenwesens,” References are to the 1963.
  14. J. Spiegelman, & S. L. Y. Woo, “A rigid-body method for finding centers of rotation and angular displacements of planar joint motion,” Journal of biomechanics, vol. 20, no. 7, pp. 715-721, January, 1987.
  15. H. Glenn, “Noise in interferometric optical systems: An optical Nyquist theorem,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 25, no. 6, pp. 1218-1224, June, 1989.
  16. M. Ehrig, W.R. Taylor, & M.O. Heller, “A survey of formal methods for determining the center of rotation of ball joints,” Journal of Biomechanics, vol. 39, no. 15, pp. 2798-2809, January, 2006.
  17. J. Piazza, N. Okita, & P.R. Cavanagh, “Accuracy of the functional method of hip joint center location: effects of limited motion and varied implementation,” Journal of Biomechanics, vol. 34, no. 7, pp. 967-973, July, 2001.
  18. Camomilla, A. Cereatti, G. Vannozzi, & A. Cappozzo, “An optimized protocol for hip joint center determination using the functional method,” Journal of Biomechanics, vol. 39, no. 6, pp. 1096-1106, January, 2006.