A New Experimental Error Reduction Method for Three-Dimensional Human Motion Analysis

  • Mun, Joung-Hwan (The Department of Biomedical Engineering, The Uiversity of Iowa, Iowa City, Iowa, 52242, U. S. A.)
  • 발행 : 2001.10.01

초록

Average Coordinate Reference System (ACRS) 방법은 인체 보행 분석 시 발생하는 실험오타를 줄이기 위해서 개발되었다. 실험적으로 측정되어지는 운동학 데이터가 인체 모델링 분석을 수행하기 위해서 사용되어지며. 그 모델의 정확성은 그 측정된 데이터에 직접적인 연관 관계가 있다. 그러나, 인체가 보행하는 동안에 피부의 움직임과 골격구조의 변형이 발생하고 또한 운동 분석 실험장비 자체가 가지고 있는 여러 가지의 한계 때문에. 그 실험 데이터에 정확도는 의문시되어 진다 개발된 ACRS 방법은. 인체 운동분석을 수행하는 여러 종류의 시스템에 적용할 수 있는데. 본 연구에서는 ACRS 방법을 광학적으로 추적이 되는 표적을 인체의 각 세그멘트에 붙인 시스템에 적용하였다 ACRS 방법에서는. 각 세그멘트에 붙어있는 각각의 표적들이 독립적으로 그 세그멘트 안에서 국부좌표계의 원점으로 취급되어질 수 있다. 실험 과정에서 발생하는 본래부터의 오타 때문에. 각 원점에서 계산된 Euler angle은 서로 상이한 값을 갖는다 실험 초기에 측정한 보정 세그멘트 기준 프레임의 지식을 이용하면, 각 표적 위치에서 계산된 Euler angles들의 평균값을 계산할수 있고, 그 평균값은 피부의 확장과 회전의 영향을 최소화한 값이다. 운동분석에 일반적으로 적응되는 Euler angle 방법과 개발된 ACRS 방법을 비교하여 보면. ACRS 방법을 사용하였을 때 오차가 줄어들었다 만약에, 보행 실험 데이터에 오타가 존재하지 않는다면, 절대좌표계를 사용한 무릎 관절의 분리와 관통된 거리는 일회 보행구간 동안에 제로가 될 것으로 생각된다. 일반적으로 적용되는 Euler angle 방법을 적용하였을 때, 분리와 관통된 거리는 약 18 mm 가지 분포가 되었고, 개발된 ACRS 방법을 사용하였을 시에는 약 12 mm 까지 분포가 되었다.

The Average Coordinate Referenee System (ACRS) method is developed to reduce experimental errors in human locomotion analysis. Experimentally measured kinematic data is used to conduct analysis in human modeling, and the model accuracy is directly related to the accuracy of the data. However. the accuracy is questionable due to skin movement. deformation of skeletal structure while in motion and limitations of commercial motion analysis system . In this study. the ACRS method is applied to an optically-tracked segment marker system. although it can be applied to many of the others as well. In the ACRS method, each marker can be treated independently. as the origin of a local coordinate system for its body segment. Errors, inherent in the experimental process. result in different values for the recovered Euler angles at each origin. By employing knowledge of an initial, calibrated segment reference frame, the Euler angles at each marker location can be averaged. minimizing the effect of the skin extension and rotation. Using the developed ACRS methodology the error is reduced when compared to the general Euler angle method commonly applied in motion analysis. If there is no error exist in the experimental gait data. the separation and Penetration distance of the femoraltibial joint using absolute coordinate system is supposed to be zero during one gait cycle. The separation and Penetration distance was ranged up to 18 mm using general Euler angle method and 12 mm using the developed ACRS.

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참고문헌

  1. Human Movement Science v.16 A comparison of lower-extremity skeletal kinematics measured using skin- and pin-mounted markers J. Fuller;L.J. Liu;M. Liu;C Murphy;R.W. Mann
  2. Human gait analysis using multi-body dynamics and contact modeling J.H. Mun
  3. Gait & Posture v.9 no.Sup. 1 A statistical data reduction method for application in human knee joint during gait J.H. Mun;J.S. Freeman;K. Rim
  4. J. of Orthopedic Research v.12 no.6 Measurement of lower extremity kinematics during level walking M.P. Kadaba;H.K. Ramakrishan;M.E. Wootten
  5. Human Movement Science v.10 Three-dimensional analysis of human walking;Experimental methods and associated artifacts A. Cappozzo
  6. J. of Biomechanics v.28 A solidification procedure to facilitake kinematic analysis based on video system data L. Cheze;B.J. Fregly;J. Dimnet
  7. Human Movement Science v.16 Multiple anatomical landmark calibration for optimal bone pose estimation A. Cappello;A. Cappozzo;P.F.L. Palombara;L. Lucchetti;A. Leardini
  8. J. of Biomechanics v.31 Skin movement artefact assessment and compensation in the estimation of knee-joint kinematics L. Lucchetti;A. Cappozzo;A. Cappello;U.D. Croce
  9. J. of Biomechanics v.30 Effect of skin movement on the analysis of skeletal knee joint motion during running C. Reinschmidt;A.J. van den Bogert;B.M. Nigg;A. Lundberg;N. Murphy
  10. J. of Biomechanics v.9 Investigation of the error caused by human knees T. Teager;J.H. Somerset
  11. J. of Orthopaedic Research v.11 Posture affects motion coupling patterns of the upper cervical spine M.M. Panjabi;O. Takeori;J.J. Crisco Ⅲ;J. Dvorak;D. Grob
  12. J. of Biomechanics v.26 Determining the movements of the skeleton using well-configured markers I. Soderkvist;P. Wedin
  13. J. of Biomechanics v.13 Justification of triaxial goniometer for the measurement of joint rotation E.Y.S. Chao
  14. J. of Biomechanical Engineering v.105 A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions;application to the knee E.S. Grood;W.J. Suntay
  15. Human Movement Science v.10 Representation and calculation of 3-D joint movement H.J. Woltring
  16. Spine v.20 Quantification of three-dimensional vertebral rotations in scoliosis;What are the true values? W. Skalli;F. Lavaste;J.L. Descrimes
  17. Computer-aided analysis of mechanical systems P.E. Nikravesh
  18. Comparison of knee kinematics and kinetics of ACL deficient subjects performing straight-ahead and crossover-cutting activities J.S. Houck
  19. J. of Biomechanics v.18 Geometry and motion of the knee for implant and orthotic design H. Kurosawa;P.S. Walker;S. Abe;A. Grag;T. Hunter
  20. Gait & Posture v.5 A three-dimensional geometric model of the knee for the study of joint forces in gait D.R. Wilson;J.J. O'Connor