VO Aktuelle Forschung in der Biomechanik Ziel: Kenntnis und kritische Beurteilung der Forschungsmethoden der Biomechanik Kritische Beurteilung ausgewählter Forschungsprojekte und -ergebnisse

Arbeitsaufwand 4 ECTS-Anrechnungspunkte 1 ECTS-AP entspricht 25 Arbeitsstunden  100 Arbeitsstunden gesamt  6,66 Arbeitsstunden pro Woche 5,16 Vorbereitungsstunden pro Woche 3 Prüfungstermine:

Literatur Adresse: http://sport1.uibk.ac.at/lehre/kurt/AFB Basisliteratur: Physik für Mediziner http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-16316-6/page/1 Wick, D., Biomechanische Grundlagen sportlicher Bewegungen. Lehrbuch der Biomechanik, Potsdam 2005, III/2864. Willimczik, K. (Hg.), Biomechanik der Sportarten, Reinbek bei Hamburg 1998, I/ 2211.

Forschungsmethoden der Biomechanik  Grundlagenwiederholung Gleichungssystem Physikalische Grundlagen Vektoren Freischneiden von Körpern Differentialgleichungen, Euler Gleichung

Grundlagen: Gleichungssysteme  Wie löst man eine Gleichung? Man kann Gleichungen analytisch (durch Äquivalenzumformungen) lösen, oder, falls dies nicht möglich ist, auch grafisch oder numerisch.

Grundlagen: Gleichungssysteme  

Grundlagen: Gleichungssysteme  

Grundlagen: Gleichungssysteme Beispiele: Suchbegriff: Beispiele Gleichungssysteme Mathematik online http://www.mathe-online.at/mathint/gls/i.html https://de.wikibooks.org/wiki/Mathematik:_Schulmathematik:_Gleichungssysteme Stromaufwärts legt ein Schwimmer in einer gewissen Zeit 5 km zurück. In der gleichen Zeitspanne würde er stromabwärts 7,5 km zurücklegen. Die Geschwindigkeit des Stroms beträgt 0,5 km/h. Welches ist die Eigengeschwindigkeit des Schwimmers?

Grundlagen: Griechisches Alphabet Α α Alpha Β β Beta Γ γ Gamma Δ δ Delta Ε ε Epsilon Ζ ζ Zeta Η η Eta Θ θ Theta Ι ι Iota Κ κ Kappa Λ λ Lambda Μ μ My Ν ν Ny Ξ ξ Xi Ο ο Omikron Π π Pi Ρ ρ Rho Σ σ Sigma Τ τ Tau Υ υ Ypsilon Φ φ Phi Χ χ Chi Ψ ψ Psi Ω ω Omega

Grundlagen: Physikalische Grundlagen Einfache Beschreibung

Grundlagen: Physikalische Grundlagen Exakte mathematische Beschreibung (Wikipedia)

Grundlagen: Vektoren 𝑖 , 𝑗 𝑘 sind Einheitsvektoren im kartesischen Koordinatensystem

Grundlagen: Vektoren

Grundlagen: Freischneiden von Körpern Analyse von Belastungen Alle externe Kräfte bestimmen Methode Betrachtung des Körpers ohne Umgebung Alle externe Kräfte bei diesem Körper einzeichnen (Freikörperdiagramm). Wichtig ist dabei, Richtung und Angriffspunkt externer Kräfte zu identifizieren.  

Grundlagen: Freischneiden von Körpern Kraft Richtung Angriffspunkt Gewicht Senkrecht nach unten Körperschwerpunkt Reaktion Senkrecht zur Kontaktfläche Kontaktpunkt Reibung Entlang der Kontaktfläche Strömungswiderstand Entgegen der Geschw.- richtung ca. Flächenmittelpunkt Strömungsauftrieb Normal zur Geschw.- richtung ca. Flächenmittelpunkt

Freischneiden von Körpern Gewichtskraft ….vertikal nach unten Bodenreaktionskraft … normal zum Boden Reibungskraft …parallel zum Boden

Freischneiden von Körpern Gewichtskraft ….vertikal nach unten Bodenreaktionskraft … normal zum Boden Reibungskraft …parallel zum Boden

Freischneiden von Körpern 1. Einzeichnen der extern wirkenden Kräfte

Freischneiden von Körpern Gewichtskraft ….vertikal nach unten Bodenreaktionskraft … normal zum Boden Reibungskraft …parallel zum Boden Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern KSP FHand,R FFuß,R FG FFuß,v FHand,v Kräftegleichgewicht erstellen für horizontale und vertikale Kräfte, d.h. die Summe der vertikalen und horizontalen Kräfte muss Null ergeben (statischer Fall) Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern KSP FHand,R FFuß,R FG FFuß,v FHand,v ∑F=0 sowohl für die horizontale wie auch vertikale Richtung Hor. R.: FHand,R - FFuß,R = 0  FHand,R = FFuß,R Vert. R.: FHand,v + FFuß,v - FG = 0  FHand,v + FFuß,v= FG Freischneiden von Körpern

Körperschwerpunkt befindet sich nicht in der Mitte KSP l1 l2 F1 F2 ∑M = 0 = F1·l1 - F2·l2  F1 / F2 = l2 / l1 Summe aller Drehmomente ist Null angenommener Drehpunkt

∑M = 0 = F1·(l1+l2) - FG·l2  F1 = FG · l2 / (l1 + l2) Körperschwerpunkt befindet sich nicht in der Mitte KSP l1 l2 FG F1 ∑M = 0 = F1·(l1+l2) - FG·l2  F1 = FG · l2 / (l1 + l2) Summe aller Drehmomente ist Null angenommener Drehpunkt

Freischneiden von Körpern Besteht ein Unterschied für das Drehmoment in der Schulter ob eine Reibungskraft wirkt oder nicht? KSP FHand,R FHand,v Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern lSchulter KSP FHand,R FHand,v Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern KSP FHand,v Zeichnerische Bestimmung von MSchulter (keine Reibungskraft vorhanden) Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern l1 KSP FHand,v MSchulter = FHand,v * l1 Freischneiden von Körpern

Bestimmung des Drehmoments bei der Lendenwirbelsäule

Bestimmung des Drehmoments bei der Lendenwirbelsäule FBein l2 F2 l1

Freischneiden von Körpern KSP KSP Warum ist es leicht „nur“ an den Ringen zu hängen (Arme in Hochhalt) und „fast unmöglich“ den Kreuzhang (Arme in Seithalt) einzunehmen? Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern l1 KSP MSchulter = FHand,v * l1 = 350 N * 0,4 m = 140 Nm Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern 2 Punkte Sicherung beim Klettern Wie groß ist die Seilkraft ? F2 F2 F1 F1 Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern 2 Punkte Sicherung beim Klettern Wie groß ist die Seilkraft ? F3,v F2,v F3 F2 F1 ∑Fv= 0 = F2,v + F3,v + (-) F1  F2,v = ½ F1 Freischneiden von Körpern

Freischneiden von Körpern 2 Punkte Sicherung beim Klettern Wie groß ist die Seilkraft ? F2,h F2,h F2,v F2,v F2 F2 α α F2= F2,v / cos α F1 = 1000N ; α = 80° F2 = 500N / cos (80°) = 2879N Freischneiden von Körpern

40 cm 45°

Bewegungsgleichung Wie wird eine Bewegungsgleichung erstellt (meist eine Differentialgleichung), wenn ein physikalisches Modell gegeben ist?

+ FG FG … Gewichtskraft Orientierung definieren Bewegungsgleichung – Freier Fall ohne Luftwiderstand 1. Freischneiden FG … Gewichtskraft Orientierung definieren FG +

+ Fa FG m a = m g Bewegungsgleichung: 3. Beschleunigungskraft berechen

Bewegungsgleichung: 4. Kräftegleichung nach a auflösen m · a = m · g a = g 5. a, v und s schrittweise berechnen Indezierung hinzufügen a0 …Anfangsbeschleunigung s0 …Anfangsweg v0…Anfangsgeschwindigkeit Vereinfacht

Bewegungsgleichung: zB. Federpendel Die Elongation y(t) zu einem Zeitpunkt t gibt den momentanen Wert der Größe y an. y… vertikale Höhe vom braunen Körper http://de.wikipedia.org/wiki/Federpendel

+ FF FG FG … Gewichtskraft FF … Federkraft Orientierung definieren Bewegungsgleichung: 1. Freischneiden FG … Gewichtskraft FF … Federkraft Orientierung definieren FF + FG

+ s2 +FF,Druck sF s1 Δs Δs -FF,Zug Bewegungsgleichung: 2. Äußere Kräfte definieren Koordinaten Nullpunkt s2 +FF,Druck sF s1 + Δs Δs -FF,Zug Länge der Feder bei der keine Federkraft wirkt (FF = 0; neutrale Position) Federlänge größer als neutrale Position (Zug) Federlänge kleiner als neutrale Position (Druck)

sF s Δs FF,Zug Bewegungsgleichung: 2. Äußere Kräfte definieren Federkraft: FF = k • (-)Δs = FF = k • (-)(s – sF) = FF = k • (sF – s) sF s Δs FF,Zug Δs… Längenveränderung zur neutralen Federlänge k… Federkonstante sF… neutrale Federlänge (FF = 0) Hookesches Gesetz: Federkraft ist proportional zur Längenveränderung. Es entsteht sowohl eine Zug- (s>sF) als auch Druckkraft (s<sF).

+ FF Fa FG ∑F = Fa = FG + FF m a = m g + k (sF - s) Bewegungsgleichung: 3. Beschleunigungskraft berechen + dynamischer Fall: Summe aller Kräfte ergibt die Beschleunigungskraft ∑F = Fa = FG + FF m a = m g + k (sF - s) FF Fa FG

Bewegungsgleichung: 4. Kräftegleichung nach a auflösen m · a = m · g + k · (sF - s) 5. a, v und s schrittweise berechnen Indezierung hinzufügen a0 …Anfangsbeschleunigung s0 …Anfangsweg sF …neutrale Federlänge v0…Anfangsgeschwindigkeit

s0 v0 a0 ……..Anfangsbedingungen Bewegungsgleichung: Indizierung um 1 erhöhen s0 v0 a0 ……..Anfangsbedingungen v1 s1 a1 ……..Bedingungen nach dem ersten Zeitintervall v2 s2 a2 …….. zweiten v3 s3 a3 ……. dritten

2. Äußere Kräfte definieren 3. Beschleunigungskraft berechen Bewegungsgleichung: numerische Lösung 1. Freischneiden 2. Äußere Kräfte definieren 3. Beschleunigungskraft berechen 4. a, v und s schrittweise berechnen

Für s0 > sF Für s0 < sF Bewegungsgleichung: Gummiseil Feder: Zug  lineare Zugkraft Druck  lineare Druckkraft Gummiseil: Zug  lineare Zugkraft Druck  keine Kraft Für s0 > sF Für s0 < sF

+ FL v Bewegungsgleichung: Gummiseil und Luftreibung Luftwiderstand wirkt entgegen der Geschwindigkeitsrichtung, deshalb (-v0) mal Betrag von v0 FL Gummiseil ist gespannt: s0 > sF) v Gummiseil ist entpannt: s0 < sF)

Konstanten Freie Schwingung.xls Schwingung: Numerische Lösung in Excel programmieren a0 v0 s0 a1 v1 s1 a2 v2 s2 Konstanten Freie Schwingung.xls

Bewegungsgleichung: Skifahrer - Gleiten gegeben: Masse, Gleitreibungskoeffizient, schädliche Fläche, Hangneigung Anteil der Gewichtskraft parallel zum Hang FH Reibungskraft FR Strömungswiderstand (Drag) D D FH FG FR

Bewegungsgleichung in Hangrichtung lösen Bewegungsgleichung: Skifahrer - Gleiten Bewegungsgleichung in Hangrichtung lösen Fges = FH – FR – D = FGew·sin(α) – µ·FGew·cos(α) – ½ cd·A·ρ·v²

Bewegungsgleichung: Skifahrer - Flugphase gegeben: Masse m, schädliche Fläche cDA; D (Drag area) Luftauftriebsfläche cLA; L (Lift area) Gewichtskraft Drag Lift Geschwindigkeit

Bewegungsgleichung: Skifahrer - Flugphase α α α FD FGew Bewegungsgleichung für horizontale und vertikale Richtung lösen Horizontal: Fx,ges = – FD · cos(α) – FL · sin(α) Vertikal: Fy,ges = – FGew – FD · sin(α) + FL · cos(α) Diese Bewegungsgleichung kann auch für den Weitsprung und den Skisprung verwendet werden.

Bewegungsgleichung: Beispiele Bestimmung von Lift und Drag bei Sprüngen in der alpinen Abfahrt.

Freischneiden A B vB vA Skizze 1: Anfangssituation des Sturzvorganges Sachverhalt: Skifahrer A fährt hangabwärts, zur gleichen Zeit quert Skifahrer B den Hang. Dabei fährt Skifahrer B dem Skifahrer A über den hinteren Teil vom Ski.

FHR = ∑ FH, FD, FR FNHR= ∑ FN, FB Freischneiden von Skifahrer A Kräfte in Hangrichtung: FHR = ∑ FH, FD, FR Kräfte normal zur Hangrichtung: FNHR= ∑ FN, FB FL + FR > FH  bremsende Wirkung FL + FR < FH  beschl. Wirkung FB > FN …. FD FH FR FN FG FB

Freischneiden FD + FR > FH  bremsende Wirkung FR greift nicht am KSP an  Drehmoment im Uhrzeigersinn FD FH KSP FR FN FG FB

Freischneiden   Beim „normalen“ Skifahren wird meist eine Position gewählt, bei der das Drehmoment im Sprunggelenk gering ist. Dies kann durch eine Vor- oder Rückverlagerung erreicht werden. Das gesamte Drehmoment im Sprunggelenk wird von Strömungswiderstand (Drag), Reibungs- und Gewichtskraft beeinflusst. Wird nun die Reibungskraft plötzlich erhöht, entsteht ein vorwärts gerichtetes Drehmoment. Die Größe dieses Drehmomentes ist abhängig von der Reibungskraft und dem Normalabstand zum KSP. Um wieviel sich die Reibungskraft beim Unfallhergang erhöhen kann, wird für folgende Möglichkeiten erläutert:

Ski von Fahrer A+B ist nicht aufgekantet A B Ski nicht aufgekantet  Ski ist nicht durchgebogen  Der größte Druck wirkt im Bereich unter dem Skischuh, hingegen ist der Druck unter der Skischaufel und dem Skiende gering. * Skischaufel B drückt auf hinteren Ski A  geringer Druck  geringe Reibungserhöhung  kein Sturz * Skimitte B drückt auf hinteren Ski (nur möglich wenn B doppelt so schnell wie A)  Ski-Schnee -Reibung von A um ca. 160 bis 200% erhöht ; Reibung zwischen Ski A und Ski B mindestens so groß wie Ski-Schnee Reibung  evtl. Drehsturz nach vorne von A. B wahrscheinlich kein Sturz A B vB vA

Ski vom Fahrer B ist leicht aufgekantet vB vA   Ski vom Fahrer B ist leicht aufgekantet Druck bei aufgekantetem Ski bei Skischaufel und Skiende deutlich größer wie zuvor durch die Durchbiegung vom Ski (je mehr der Ski aufgekantet ist  desto größer die Durchbiegung  desto mehr Druck auf Skischaufel und Skiende) b) Reibungskoeffizient zwischen Kante und Ski ist hoch Durch den hohen Reibungskoeffizienten bedarf es keiner großen Druckkraft um eine relativ große Reibungskraft zwischen Ski A und Ski B zu erzeugen. Dies hat zur Folge, dass der Ski B richtiggehend „fixiert“ auf dem Ski A wird. Bei dieser Situation sind zwei Sturzvorgänge möglich: a)  B fährt relativ langsam über Ski von A  B stürzt evtl. da seine Skispitzen talwärts „gezogen“ werden b)   B fährt doppelt so schnell wie A  die Skier von B drehen sich nur gering  kein Drehsturz von B  B befindet sich mit Skischuh über Skiende von A  evtl. A Drehsturz nach vorne und B fällt zur Seite vB vA

3d - Bewegungserfassung http://de.wikipedia.org/wiki/Bewegungserfassung

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Bildkoordinaten der Markierungspunkte werden Bild für Bild unter Verwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen voll oder zumindest teilautomatisch berechnet und getrackt. Der Begriff Tracking (dt. Nachführung) umfasst alle Bearbeitungsschritte, die der Verfolgung von (bewegten) Objekten dienen. (vgl. Wikipedia)

3d – Bewegungserfassung: Subpixel Ein Subpixel (etwa „Teilbildpunkt“) ist eine Untereinheit bei der Unterteilung eines Pixels. Durch Interpolation ist es möglich, Information über die Lage eines Bildinhalts zu erhalten, wobei die durch die Pixel vorgegebene Auflösung übertroffen wird. Hier spricht man von Subpixel-Information. http://de.wikipedia.org/wiki/Subpixel

3d – Bewegungserfassung: Subpixel Rotwerte

3d – Bewegungserfassung: Subpixel

3d – Bewegungserfassung: Subpixel Falls die Rotwerte von jedem Pixel genau gegeben sind, und die Form des Markers kugelförmig ist, kann die Position des Markers subpixelgenau angegeben werden. Die exakten Rotwerte eines Pixel können nur vorliegen, falls keine Komprimierung vorgenommen wurde. Deshalb ist auf das Grafikformat zu achten, z.B. werden JPG Bilder meist komprimiert. vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Grafikformat

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode DLT steht für „Direct Linear Transformation“ = mathematische Transformation zwischen 2D- Bildkoordinaten (u,v) und den 3D-Raumkoordinaten (X,Y,Z) eines Punktes Die Transformation ist charakterisiert durch 11 Kameraparameter

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode Die DLT-Gleichungen lauten: u, v… Bildkoordinaten L1, L2 …L11… Kameraparameter x, y, z …Realkoordinaten

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode Zur Bestimmung der Kameraparameter L1, L2 …L11 sind mind. sechs Kalibrierpunkte mit bekannten Raumkoordinaten (X,Y,Z) und entsprechenden Imagekoordinaten (u,v) erforderlich. (Warum?) Falls die Parameter aller Kameras bekannt sind, können Raumkoordinaten (X,Y,Z) der Markerpunkte aus den (u,v) Bildkoordinaten zweier oder mehrerer Kameras bestimmt werden. Genaue mathematische Beschreibung (nur zur Info): http://www.kwon3d.com/theory/dlt/dlt.html

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode Die Kameraparameter können in äußere und innere Parameter unterteilt werden.

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode Abbildung eines „Calibration Target“ auf die Bildebene der Kamera. W…3d- Weltkoordinaten (Raumkoordinaten) C…2d-Bildkoordinaten

3d – Bewegungserfassung: DLT Methode Zur Bestimmung der inneren Kameraparameter für eine bestimme Brennweite wird ein ebener Raster mit bekannten Maßen verwendet. Bei besseren Kameras wird meist nur die radiale Verzerrung berücksichtigt. (vgl. http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/372916M-01/nivisionconcepts/spatial_calibration_indepth/ ) Barrel Distortion Pincushion Es gibt bereits Kameras, die selbstständig die Kameraverzerrung berechnen und das unverzerrte Bild darstellen. Dadurch müssen bei einer Rekon-struktion nur noch die äußeren Parameter bestimmt werden, wodurch die Rekonstruktion der 3D-Koordianten deutlich vereinfacht wird. Neben der radialen Verzerrung gibt es noch die tangentiale Verzerrung.

3d – Bewegungserfassung: Beispiel passives System http://www.vicon.com

3d – Bewegungserfassung: Beispiel passives System VICON „The Vicon MX system is quite simply the most advanced optical motion capture system available. MX delivers greater precision, greater performance and greater practicality than has ever been available before.“ https://www.vicon.com http://www.youtube.com/vicon100 Google Scholar: Vicon-36.000 Einträge; Vicon biomechanic- 1 Beispiel: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968016017300017 Gender differences in the restoration of knee joint biomechanics during gait after anterior cruciate ligament reconstruction. Makoto Asaeda et al. 2017

Vicon Cameras HIGH RESOLUTION 16 MEGAPIXELS The T160 boasts a resolution of 16 megapixels, captures 10-bit grayscale using 4704 X 3456 pixels and can capture speeds of up to 2,000 frames per second. 10 bit = 210 = 1024 120 FPS FULL FRAME Capable of capturing 120 frames per second at full frame resolution (16 Megapixels), the T160 delivers a significant performance increase over the previous MX cameras. Even at 240 fps, its resolution is 4704 X 1728.

Vicon Cameras Beispiel: 16 000 000 Pixel entspricht 4000 * 4000 Pixel 100m / 4000 = 0,025m (2,5cm) Bei Subpixel ca. 1cm Genauigkeit FULL MARKER GRAYSCALE Vicon cameras use every pixel of grayscale information to locate the marker's 2D center and calculate its radius - not just edge grayscale information. By using every pixel of information, Vicon cameras fit a circle more precisely around the marker image significantly improving system accuracy. Was sind „edge grayscale information“ ?

Vicon Cameras POWERFUL STROBES Powerful strobes give an even spread of light across the capture volume meaning smaller markers in larger volumes are easily identified. This is particularly useful if you’re capturing markers on the face or hands. More powerful light output also means the cameras are less sensitive to uncontrollable ambient lighting in your studio or lab. Ein Stroboskop (griechisch strobos = Drehen, (Herum)wirbeln, skopein - betrachten) ist ein Lichtblitzgerät, das Lichtblitze in sehr regelmäßigen zeitlichen Abständen abgibt, wodurch bei dunkler Umgebung Bewegungen abgehackt als eine Abfolge von stehenden Bildern erscheinen.

A MODEL-BASED IMAGE-MATCHING TECHNIQUE FOR 3D MOTION RECONSTRUCTION FROM UNCALIBRATED VIDEO SEQUENCES – APPLICATION TO ACL INJURY SITUATIONS 2005 Tron Krosshaug and Roald Bahr, Oslo INTRODUCTION: Knowledge about injury mechanisms is essential to prevent injuries. For obvious reasons, injury situations cannot be reconstructed in a lab setting. As video sequences are often the only objective source of information from the injuries, special interest lies in utilizing video material. The purpose of this project is to develop a model-based image-matching technique to reconstruct injury situations for later 3D biomechanical analyses. The method will be used to describe the injury mechanisms for non-contact ACL injuries in sports.

Einleitung 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Was sind unkalibrierte Videosequenzen? Bei welcher alpinen Sportart gibt es eine große Anzahl von Videoaufnahmen von Verletzungsvorgängen? „Knowledge about injury mechanisms is essential to prevent injuries“ Ist genügend Wissen im alpinen Skisport über Verletzungsvorgänge vorhanden? Welche technische Hilfsmittel gibt es derzeit im alpinen Skisport zur Vermeidung von Verletzungsvorgängen? Was ist eine „electronic release Bindung“? Was ist eine „non contact ACL injurie“? (Ligamentum cruciatum anterio)

Methode 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme An interactive model-based image-matching method is used for the estimation of 3D motion from one or more (manually synchronized) 2D video sequences. The 3D modeling program Poser® provides the environment for image matching. The matching procedure consists of the following steps: Measuring the anthropometry of the subject and building a customized computer-model (e.g. by changing segment dimensions of an existing model).

Methode Measuring landmarks (e.g. floor, walls, lines, objects) in the background and building a virtual environment similar to the original. Importing the video sequence(s) in Poser as background for the virtual environment and model. “Calibrating” the Poser-cameras at each time step (e.g. adjust the translation, orientation and focal length parameters to make them similar to the original), by matching the virtual environment to the background reference (Falls Kamerabilder bereits entzerrt wurden, müssen nur 3 Rotationen (bei Verwendung eines Stativs nur 2) und der Skalierungsfaktor bestimmt werden) Methode) Matching the model to the background person, starting at the pelvis.

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme

Methode 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Warum wird eine manuelle Synchronisation bei Fernsehaufnahmen benötigt? Wie groß ist der Aufwand der vorgestellten Methode bei einem alpinen Skirennen? Messen von anthropometrischen Daten und anfertigen eines angepassten Computermodells Vermessung von Markerpunkten und bilden eines virtuellen Hintergrundes Importieren der Videosequenzen Kalibrierung – Warum bei jedem Bild? Matching (anpassen) des Modells Aufwand pro Sturz

Methode 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Trials of running and side-step cutting were recorded by three ordinary video cameras. We then used the described matching technique to reconstruct the 3D motion from respectively one, two, and finally - all three cameras. A lab validation of the method was done by comparing the results from this method to the ones given by a 7-camera, infrared, 240Hz reflective marker based system (ProReflex, Qualisys Inc.), and two AMTI force platforms. Mit welchem Messsystem wurde diese Methode überprüft? Könnte diese Methode auch in „unserem“ biomechanischen Labor überprüft werden? Wenn ja, mit welchen Messsystemen?

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme RESULTS: Preliminary analyses were done for the cutting maneouvre. Table 1 below gives the range of RMS errors in joint angles for the support leg during the stance (plus 0.04s before and after ground contact) for all the seven matchings. Table 2 gives velocity and acceleration RMS and max errors for the Center Of Mass (COM).

Force plate (960 Hz) Poser (Matching technique) triple camera matching Pro Reflective (240 Hz) 6 Bilder bei Poser

Ergebnisse 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme „Knee Varus“ – Welche Bewegung ist damit gemeint AP Velocity und ML Velocity? Was ist ein RMS Fehler? Wurden die Ergebnisse der Kraftmessplatte betrachtet?

Varus-/Valgus Valgus Varus Als Valgusstellung (von lat. valgus - schief) bezeichnet man im Zusammenhang mit Gliedmaßen eine Fehlstellung, bei der der körperfernere Teil über das Normalmaß hinaus von der Mittellinie weg weist. Als Varusstellung (lat varus "auswärtsgebogen") ….in Richtung Mittellinie weist. Valgus Varus

Als Kollateralbänder bezeichnet man die seitlich, d. h Als Kollateralbänder bezeichnet man die seitlich, d.h. medial und lateral an einem Gelenk bzw. in der Gelenkkapsel verlaufenden Bandstrukturen. http://www.sportschau.de/sp/allgemein/sportverletzungen/innenbandverletzungen_5.php5

Funktion und Biomechanik der Kollateralbänder Die Kollateralbänder schränken Varus-Valgus-Bewegungen und die Rotation um die Tibialängsachse ein. Das Lig. collaterale laterale ist in Streckung gespannt und in Flexion entspannt. Das mediale Kollateralband besteht funktionell aus zwei Anteilen. Bei Extensionsstellung erlauben die Kollateralbänder aufgrund ihrer Spannung keine Varus-Valgus-Bewegungen, während sie in Flexion eine geringe Beweglichkeit in dieser Ebene zulassen. Eine Außenrotation der Tibia wird sowohl in Streckung als auch in Beugung verhindert. (VASSEUR u. ARNOCZKY, 1981). The Root Mean Square (RMS) error Wurzel aus der durchschnittlichen quadratischen Abweichung

Diskussion 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Flexion angles were quite consistent for the triple, double as well as single camera matchings. Error analyses for the individual segments showed that the major reason for the inaccuracies originated from erroneous matching of the pelvis. This lead to a shift in hip abduction of about 15 degrees for all the matchings. The femur orientation was generally better, while the tibia was best. The velocity estimates were generally good as long as the movement was not in the depth direction for the camera view. The matchings where 2 perpendicular cameras were available additionally produced good accelerations. These results indicate that inverse dynamics estimations may be feasible in situations where we have two camera views, at least for the knee.

Vom Artikel: We were not able to capture the high frequent dynamics of the impact, mainly because of the limited video frame rate (50 Hz). By down-sampling the original Pro Reflex recording from 240 to 50 Hz, the RMS acceleration error increased by 48%, 28% and 56% in the anterioposterior, medio-lateral and vertical directions, respectively, resulting in an acceleration estimate very similar to what was produced with the model-matching technique. The vertical impact force peak from the heel strike was, likewise, no longer detectable. Even though we have not made any attempts to calculate inverse dynamics in this study, it seems clear that this would require a minimum of two camera views. If the motion does not appear correct, and corrections must be made at one point, the consequence is often that adjustments also must be made at different time-points in order to produce smooth, consistent motion patterns. This means that matching a video sequence of 50 frames can take more than 150 h independent of the number of camera views, even for an experienced operator.

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Even though we have compared this model-based image-matching method to an assumed gold standard, we are fully aware that skin marker-based optical systems may be compromised by errors—especially during high-impact motion. Skin markers can give errors of almost 15° in thigh orientation angles during slow speed running (Reinschmidt et al., 1997). From the video recordings, we observed what seemed to be quite substantial thigh marker motion relative to the underlying bone, especially at foot strike. We also measured up to 25° of varus in the right knee during the support phase (of the left leg), an unlikely result in a non-injury situation, most likely resulting from a lack of external rotation of the soft tissue of the thigh relative to the underlying bone.

Diskussion 3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Warum treten derart große Fehler bei der Winkelbestimmung auf? Ist diese Messmethode ausreichend genau, um Kniekräfte und Kniemomente zu bestimmen? Sind die Ergebnisse der guten Übereinstimmung der Beschleunigungsdaten in den Ergebnissen aufgelistet? Was wird als Hauptgrund für den großen Fehler bei der Beschleunigung angegeben? Wurde ein Vergleich mit „DLT-Methode mit manuellem digitalisieren“ durchgeführt?

Biomechanical analysis of anterior cruciate ligament injury mechanisms: three-dimensional motion reconstruction from video sequences 2007 T. Krosshaug, J. R. Slauterbeck, L. Engebretsen, R. Bahr Background: Methods for analyzing the mechanisms of injuries in sports from video sequences of injury situations are so far limited to a simple visual inspection, which has shown poor accuracy. Purpose: To investigate whether a new model-based image-matching technique could successfully be applied to estimate kinematic characteristics of three typical anterior cruciate ligament (ACL) injury situations. Methods: A four-camera basketballvideo, a three-camera European team handball video and a single-camera downhill skiing video were imported into the program Poser s 4, where a skeleton model and a model of the surroundings were matched to the background image frame by frame. When the match was considered satisfactory, joint angles as well as velocity and acceleration of the center of mass were calculated using Matlabs. Videos werden von 50 Hz auf 120 Hz hochgerechnet Matching a 1-s video sequence can be expected to take an experienced operator approximately 1–2 months.

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme

Results: In the basketball and handball matchings, the skeleton and surrounding models were successfully matched to the background through all frames in all camera angles. Detailed time courses for joint kinematics and ground reaction force were obtained, while less information could be acquired from the single-view skiing accident. Conclusion: The model-based image matching technique can be used to extract kinematic characteristics from videotapes of actual ACL injuries, and may provide valuable information on the mechanisms for ACL injuries in sports. Können mit diesen Resultaten Kniegelenkskräfte analysiert werden?

Kinematics of ACL Ruptures in World Cup Alpine Skiing 2012 Tone Bere, Kam-Ming Mok, MPhil, Hideyuki Koga, Tron Krosshaug, Lars Nordsletten, Roald Bahr Figure 1. A slip-catch situation (anterior cruciate ligament injury to the right knee). (A) At –400 milliseconds, the skier is out of balance backward and inward in the steering phase out of the fall line. (B) At –120 milliseconds, as the skier tries to regain snow contact with the unweighted outer ski, he extends his right knee. (C) In the index frame, the outer ski catches the inside edge abruptly. (D) At 1200 milliseconds, the skier falls backward to his right. Figure 2. A slip-catch situation (anterior cruciate ligament injury to the left knee). (A) At –300 milliseconds, the skier is out of balance backward and inward in a right-hand turn. (B) At –160 milliseconds, she loses pressure on the outer ski, which drifts away from the body’s center of mass. (C) In the index frame, the outer ski catches the inside edge abruptly. (D) At 1140 milliseconds, the skier falls backward to her left.

Kinematics of ACL Ruptures in World Cup Alpine Skiing 2012 Tone Bere, Kam-Ming Mok, MPhil, Hideyuki Koga,Tron Krosshaug, Lars Nordsletten, Roald Bahr Results: Within 60 ms, the knee flexion angle increased rapidly from 26° to 63° in case 1 and from 39° to 69° in case 2. In the same period, we observed a rapid increase in internal rotation of the tibia with a peak of 12° and 9°, respectively. The knee valgus angle changed less markedly in both cases. We also observed a rapid increase of hip flexion as well as substantial hip internal rotation. Conclusion: Knee compression and knee internal rotation and abduction torque are important components of the injury mechanism in a slip-catch situation. Ist die Geschwindigkeit für eine Bandbelastung entscheidend?

An ankle joint model-based image-matching motion analysis technique 2011 Kam-Ming Moka,b,1, Daniel Tik-Pui Fong a,b,*, Tron Krosshaug c, Aaron See-Long Hung a,b, Patrick Shu-Hang Yung a,b,d, Kai-Ming Chan a,b Abstract This study presented a model-based image-matching (MBIM) motion analysis technique for ankle joint kinematic measurement. Five cadaveric below-hip specimens were manipulated through a full range of ankle joint motions in bare-foot and shoed conditions. The ankle motions were analyzed by bone-pin marker-based motion analysis and MBIMmotion analysis techniques respectively. The root mean square errors of all angles of motion were less than 3°. The average Intraclass Correlation Coefficients (ICCs) for the intra-rater reliability were greater than 0.928 and the average ICCs for the inter-rater reliability were greater than 0.948 for all angles of motion. Excellent validity, intra-rater reliability and inter-rater reliability were achieved for the MBIM technique in both bare-foot and shoed conditions. The MBIM technique can therefore provide good estimates of ankle joint kinematics.

Interrater-Reliabilität An einem bestimmten Objekt wird durch zwei unterschiedliche Messinstrumente dieselbe Messung vorgenommen. Die Ergebnisse sollten gleich sein. Bsp: Die Länge eines Körpers wird mit einem Läserdistanzgerät und einem Maßband bestimmt. Die dabei u.U. auftretenden Abweichungen werden über die Interrater-Reliabilität prozentual ermittelt. Intrarater-Reliabilität An einem bestimmten Objekt wird durch ein Messinstrument zweimal dieselbe Messung vorgenommen. Die Ergebnisse sollten gleich sein. Bsp: Ein Proband wird von einem Interviewer zweimal und zu unterschiedlichen Zeitpunkten befragt. (vgl. Wikipedia)

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme cadaveric below-hip specimens with bone-pin marker

3d – Bewegungserfassung: Videobasierte Offlinesysteme Skin-marker based motion analysis is presently the most common approach to investigate joint kinematics. Previous studies comparing skin markers to bone-pin markers gave RMS error of 4.7° for plantarflexion/ dorsiflexion angle, 4.6° for inversion/eversion angle and 3.6° for internal/ external rotation angle under slow speed running [11]. For the MBIM motion analysis technique, the RMS errors of the three angles of motion were less than 3° for all the testing motions (Table 2)

http://en.wikipedia.org/wiki/Anatomical_terms_of_motion#mediaviewer/File:Braus_1921_306.png Bewegungsformen Im oberen Sprunggelenk (OSG) sind folgende Bewegungen möglich: Dorsalflexion („beugen zum Füßrücken“) des Fußes bis 20° Plantarflexion („beugen zur Fußsohle“)des Fußes bis 30° Supination (Heben des medialen Fußrandes bei gleichzeitiger Senkung des lateralen Fußrandes) bis 50° Pronation (Heben des lateralen Fußrandes bei gleichzeitiger Senkung des medialen Fußrandes) bis 30° Inversion (Supination & Plantar-Flexion & Adduktion zusammen) Eversion (Pronation & Dorsal-Extension = Plantar-Flexion & Abduktion zusammen)

bespoke surface-marker Design and validation of surface-marker clusters for the quantification of joint rotations in general movements in early infancy 2011 Luc Berthouze a,b,n, Margaret Mayston b Abstract Lack of complexity in general movements in early infancy is an important marker of potential motor disorders of neurological origin, such as cerebral palsy (zerebrale Kinderlähmung). Quantitative approaches to characterising this complexity are hampered by experimental difficulties in recording from infants in their first few months of life. bespoke surface-marker

The aim of this study was to design and validate bespoke surface-marker clusters to facilitate data acquisition and enable full quantification of joint rotations. The clusters were validated by recording the controlled movements of a soft-body dummy doll simultaneously with an optical (Qualisys) and inertial (XSens) motion capture system. The angles estimated from the optical system were compared with those measured by the inertial system. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines an der Oberfläche angebrachten maßgeschneiderten Markermusters für eine erleichterte Datenerfassung, um die Rotationsbewegungen von Babys exakt zu erfassen. Mit einem optischen Bewegungserfassungssystem (Qualisys) und einem inertialen Bewegungserfassungssystem (Xsens) wurde die Überprüfung durchgeführt.

Comparison between marker-cluster based method (black) and inertial sensor based method (green) during rotation in abduction/adduction for the hip joint. X: flexion/extension, Y: abduction/adduction, Z: internal/external rotation) are shown with the corresponding histograms of differences.

3d – Bewegungserfassung:

3d – Bewegungserfassung: 4. Conclusion The use of clusters was shown to yield robust estimates of joint rotational elements, including the hip complex, even in a soft-body dummy doll. The design of the clusters mitigates the limitations normally associated with optical tracking of stand-alone markers in infants. The Velcro(Klettband) enables easier application of the markers that takes only a short time to complete, and the markers within the holders are less easily accidentally removed by the infants’ movements. This approach makes it possible to exploit the full power of 3D motion analysis in a clinical environment because it is notprone to interferences in the presence of metallic objects, to drifts over long periods of recording, or to slow response on ground contact