Diagnoza wybranych nieprawidłowości chodu na podstawie wielomodalnej analizy ruchu

Diagnoza wybranych nieprawidłowości chodu na podstawie wielomodalnej analizy ruchu

  • Kierownik projektu: dr inż. Adam Świtoński, Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych w Warszawie; Wydział Zamiejscowy Informatyki w Bytomiu
  • Tytuł projektu: Diagnoza wybranych nieprawidłowości chodu na podstawie wielomodalnej analizy ruchu
  • Konkurs: OPUS, ogłoszony 15 marca 2011 r.
  • Panel: ST 6
Analiza ruchu. Na pierwszym planie mężczyzna ubrany w czarny kombinezon z podłączonymi czujnikami podnosi zgiętą w kolanie prawą nogę, równocześnie szeroko rozkładając ręce na boki. W głębi sali inny mężczyzna, ubrany zwyczajnie, demonstruje tę samą pozę. Obok niego stoi kobieta w laboratoryjnym fartuchu.

Laboratorium Pomiaru Ruchu (HML) Polsko-Japońskiej Wyższej Szkoły Technik Komputerowych umożliwia jednoczesny i synchroniczny pomiar ruchu jednej osoby, na który składają się dane pochodzące z czterech następujących podsystemów: kinematyki ruchu, elektromiografii dynamicznej (EMG), reakcji sił podłoża oraz wideo. Dane pochodzące z wymienionych podsystemów w postaci wysoko wymiarowych serii czasowych są obszerne, dokładne i uniwersalne, pozwalają więc na wieloaspektową analizę ruchu.

Jednymi z najczęstszych przyczyn pojawiających się zaburzeń chodu są choroby zwyrodnieniowe stawów biodrowych, kręgosłupa oraz niedowład ruchowy związany ze stanami poudarowymi mózgu. Prawidłowa i wczesna diagnostyka tego typu nieprawidłowości ma istotne znaczenie dla skuteczności dalszego leczenia i prowadzonej rehabilitacji.

Chód jest wynikiem współdziałania wielu elementów ruchowych, na które składają się: wytrzymałość układu kostnego, sprawność układu nerwowego, mięśniowego, w tym praca i odpowiednia siła mięśni tułowia, miednicy, pośladków i kończyn dolnych. Sama czynność generowana jest przez OUN ludzkiego mózgu, a informacja o ruchu przekazywana jest do mięśni przez układ piramidowy drogą korowo-rdzeniową. Tak więc analiza chodu nie jest zadaniem trywialnym i stanowi złożony element badania i oceny funkcjonalnej chorych. Oczekuje się, że zastosowanie precyzyjnej wielomodalnej akwizycji ruchu na podstawie zaproponowanych wzorców chodu, pozwoli na lepsze zrozumienie mechanizmów powstawania nieprawidłowości chodu, a także będzie prowadziło do interesujących obserwacji i analiz medycznych w schorzeniach coxartrozy oraz stanach poudarowych mózgu.

Analiza ruchu. Na pierwszym planie widać monitor komputera. Na ekranie wyświetlony jest schematyczny model sylwetki człowieka, stojącego na jednej nodze i unoszącego drugą, ugiętą w kolanie, do góry. W głębi sali widać mężczyznę w kombinezonie z podłączonymi czujnikami, stojącego na jednej nodze i podnoszącego drugą, zgiętą w kolanie, do góry. Przed mężczyzną stoi kobieta w białym laboratoryjnym fartuchu, podtrzymująca mężczyznę za ręce.

Głównym celem projektu jest rozwój metodologii wykorzystującej wielomodalne dane ruchu, w zestawieniu eksperymentalnym zawierające zsynchronizowane dane kinematyczne, sił reakcji podłoża, elektromiografii dynamicznej (EMG) oraz wideo, wzbogacone o odpowiednie algorytmy komputerowego przetwarzania i rozpoznawania dla potrzeb wspomagania diagnostyki nieprawidłowości chodu. Prowadzone badania skupione są wokół: 1) oceny jakości pozyskanych danych, 2) przetwarzania danych wielomodalnych w celu uzyskania cech wspomagających diagnostykę rozpatrywanych schorzeń, 3) rozwoju algorytmów analizy i klasyfikacji wielomodalnych wzorców ruchu, 4) oceny statystycznej związków pomiędzy cechami danych wielomodalnych oraz klinicznym stanem pacjenta dla rozpatrywanych nieprawidłowości chodu.

Spośród stosowanych metod informatycznych wspomagających analizę dyskryminacyjną można wymienić techniki redukcji wymiarowości w odniesieniu do przestrzeni wektorowych i tensorowych, ekstrakcji i selekcji cech w zastosowaniu do serii czasowych, normalizacji prowadzonej w dziedzinie czasu na bazie dynamicznego skalowania czasu oraz rozpoznawania bazującego na niejawnych modelach Markowa. Interesujący i nowatorski aspekt prowadzonych prac badawczych związany jest między innymi z kwaternionową analizą kinematycznych danych ruchu, pozwalającą na komplementarną ocenę rotacji stawów zadanego modelu szkieletowego.


dr Adam Świtoński

Trójka badaczy - dwóch mężczyzn i kobieta - siedzi przed sześcioma ekranami komputera. Mężczyzna siedzący po prawej wyciąga rękę w stronę jednego z ekranów, wskazując na wyświetlony tam obraz.

Doktor nauk technicznych w zakresie informatyki. Jego zainteresowania badawcze związane są z obszarami zastosowań obrazowania wielo- i hiperspektralnego na potrzeby diagnozy fotodynamicznej i diagnostyki chorób dna oka oraz zagadnieniami klasyfikacji wielomodalnych danych ruchu w problemach identyfikacji osobniczej i oceny nieprawidłowości chodu. Specjalizuje się w technikach nadzorowanego i nienadzorowanego uczenia maszynowego. Jest wykładowcą Politechniki Śląskiej i Polsko-Japońskiej Wyższej Szkoły Technik Komputerowych na studiach pierwszego, drugiego i trzeciego stopnia.