应用AVT相机实现动作捕捉技术,使整形手术的诊断变得简单

凭借高速的Pike相机和SIMI 动作软件,医生和科学家能研究肌肉骨骼的机能障碍并根据病患的不同需求,提供新的治疗方案。

 

众所周知,动作捕捉技术用于产生电影中的特效和3D动画。然而,这项将演员动作拟合成电脑人像的技术可以被应用到许多其他领域。位于德国慕尼黑的SIMI Reality Motion Systems公司提供用于动作捕捉应用的创新型软件和系统。公司不仅与动画工作室合作,也与运动员、研究人员和需要精确工具来评估动作序列的医疗单位合作。借助SIMI Motion,SIMI开发了一套能精确评估患者动作序列的系统,可用于整形外科或神经诊断和治疗。

诊断和治疗的监督

SIMI Motion 是一款分析系统,用于肌肉骨骼机能障碍的非侵入性诊断和监控。系统分析一台或多台数码相机上的视频数据并生成多种重要数据信息,如关节角度、加速度、轴对称性和关节力矩及压力。数据将与生物医学文献上的标准值对比,以确定是否出现机能障碍。

系统装配一台(2D版本)或多台(3D版本)Allied Vision Technologies公司的Pike F-032B 高速数码相机。相机通过IEEE 1394b FireWire接口或光纤接口与一个普通的台式电脑相连。被测患者在重要关节处装有标记,然后执行一系列动作,如在镜头前正常地走几步路。SIMI Motion软件分析相机上的图像数据并通过标记跟踪关节的运动。

图形方式与方便易用的工具简化了医生的诊断工作。借助这套系统,医生能迅速精确地找到患者身体上的残疾之处。因此,医生可以观察到步行周期和关节运动、转化或旋转等因素的具体细节。就像演员可以通过动画给3D虚拟人像赋予生命,医生也同样可以用系统提供的数据得到一个活动的病患骨骼3D模型,从而更加形象地观察关节压力。

对医生来说最宝贵之处在于系统与其他医疗测量器械同步的能力,如测力板、脚底压力测试仪或肌电图仪(EMG)。收集的数据来自各个体位,故而可以达到更高的精准度。

除了诊断,数据的归档和比较也为治疗提供了宝贵的信息。医生还可以比较手术前和手术后的病患情况,从而判断手术是否成功,并定期测量并记录康复的进展情况。

科学家研究未来的治疗方案

采用AVT Pike相机的SIMI Motion System公司已应用于基础研究。德国耶拿大学附属医院ENT诊所神经科学研究实验室的主任Andrey Irintchev博士研发了一套方法,可以科学地测量、比较并记录实验小鼠运动神经元中断,特别是相应的治愈进程,因此由神经或脊柱损伤引起的机能障碍和可能的治疗方法得到了研究。

借助这一方法,科学家Irintchev博士研究了新的治疗方法,如电刺激对神经再生的影响。而与此同时,Irintchev博士正忙于运动神经元修复的遗传学研究:“我们比较了正常白鼠和那些有突变基因的白鼠,以确认是否有特定的蛋白质加速或减缓修复过程。”

Andrey Irintechev的方法包括拍摄和分析白鼠在横梁上走路的步态。小动物只能朝着一个方向,沿着一根狭窄的吊梁走动,这样就可以重复比较同一动作序列。凭借SIMI 动作分析软件,研究者不用在关节处作标记就可精确分析白鼠的动作序列。Irintchev解释道:“你并不是总能够像操控人一样操控白鼠;白鼠的腿太短且关节太不清晰,再者它们的毛使我们不容易作标记。因此,不作任何标记而得到可靠的结果,这对我们的工作非常重要。”此外,成像的另一个优点在于系统是非侵入性的:动物可以自由并且自然行走,Irintchev说道。

AVT Pike每秒输送200张图像

几年前,当Irintchev和他的团队开始开发视频分析方法的时候,他们应用了一台模拟视频相机和一台传统摄像机。由于图像质量、速度和进一步处理能力无法胜任这一庞大工程,他们把目光转向了专业数码相机。然而,每秒100幅图像已达到了技术的极限。“图像速率和质量是达到精准度的关键。因此,我们最后决定用Allied Vision Technologies的Pike数码相机。它的速率可达每秒200帧,且高质量图像使我们能非常精确地分析白鼠的运动情况。”

SIMI Motion软件分析图像并生成基准数据,如特定的关节角度或加速度,然后对数据进行统计评估。Andrey Irintchev说道:“多亏了SIMI软件和AVT相机,我们能够测量非常细小的偏离值并借助数据以统计学方式解读过去那些纯粹的经验观察结果。对于可靠获得的结果进行的这一统计评估在任何一个科学研究领域都是决定性的。只有这样,研究结果才能得到最后的证实。”