Dispositivo y método de captura y análisis de movimiento.

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados a la captura y al análisis de movimiento mediante vídeo,

y más concretamente, a su aplicación al análisis del movimiento de pacientes afectados por enfermedades reumáticas, que comprende, al menos, un medio de grabación de imagen, una pluralidad de marcadores reflectantes destinados a situarse en la superficie del cuerpo móvil estudiado y un medio de captura y análisis de datos del movimiento del cuerpo estudiado, equipado con una combinación de unidades configuradas para el tratamiento y el análisis de las imágenes obtenidas.

Dispositivo y método de captura y análisis de movimiento.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados a la captura y al análisis de movimiento mediante vídeo, y más concretamente a su aplicación al análisis de datos del movimiento de pacientes afectados por enfermedades reumáticas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los dispositivos destinados a la captura y el análisis de movimiento son bien conocidos en el estado de la técnica correspondiente a la biomecánica. Dentro de dicho campo, la captura o medida del movimiento comprende la recopilación y el análisis de datos de un cuerpo móvil, mediante imágenes tomadas por un dispositivo adecuado, ya sean dichas imágenes realizaciones en dos dimensiones (2D) o tres dimensiones (3D) , junto con la representación del movimiento del cuerpo estudiado mediante una combinación de hardware y software (generalmente, configurados en un ordenador) . Los datos de imagen, habitualmente, se obtienen por medio de vídeo-cámaras, vídeo-grabadoras, o cualesquiera otros dispositivos de grabación tanto analógicos como digitales, permitiendo dichos datos, gracias al hardware y software empleados, el cálculo del desplazamiento lineal y angular de los elementos del cuerpo móvil estudiado, así como sus velocidades, aceleraciones, etc.

Dentro del estado de la técnica existen diversos sistemas comerciales de captura de movimiento que, básicamente, se pueden dividir entre sistemas on-line y sistemas off-line. Los sistemas de captura de movimiento on-line se basan, fundamentalmente, en la colocación de marcadores tanto activos (es decir, capaces de emitir señales que puede captar el dispositivo de grabación de imagen) como pasivos (es decir, que no emiten señales, siendo, por ejemplo, marcadores reflectantes) , y donde la descripción del movimiento en el ordenador se obtiene en tiempo real con relación al momento en que se produce el movimiento estudiado. Por otra parte, los sistemas off-line (como es el caso de los sistemas de vídeo-grabadoras) comprenden la grabación de las imágenes del movimiento en secuencias de vídeo, almacenando, por tanto, los datos correspondientes a dicho movimiento. Posteriormente, los datos obtenidos se evalúan por medio de procedimientos de análisis programados en el hardware/software empleado. La presente invención se enmarca dentro de este segundo grupo.

Entre las múltiples aplicaciones que hoy en día presentan los sistemas de captura de movimiento (rendimiento deportivo, ergonomía, biología, industria de maquinaria, animación por ordenador o sistemas de realidad virtual, entre otras) , la presente invención está especialmente orientada para su uso dentro del ámbito de la medicina, y más concretamente para su uso dentro del estudio de pacientes con desórdenes de tipo reumatológico. Para el médico, los sistemas de captura de movimiento proporcionan una valiosa herramienta capaz de analizar de forma precisa y objetiva diversas características motoras de un paciente, traduciéndose dicha información en informes, estudios biomecánicos y estudios comparativos entre pacientes mucho más exactos que los obtenidos mediante evaluación clínica medida por estimación visual, siguiendo los protocolos de evaluación definidos como estándar comúnmente empleados en cada especialidad.

Uno de los campos de la medicina donde la presente invención está especialmente indicada (aunque dicha indicación no resulta, como se verá a lo largo de este documento, limitativa) es en el estudio de pacientes con enfermedades reumáticas. Dentro de dichas enfermedades, una de las que presenta una mayor necesidad de evaluación sistematizada, así como un enorme grado de precisión durante el diagnóstico y la revisión de los pacientes, es la espondilitis anquilosante (EA) . Dicha enfermedad es un trastorno reumático crónico que reduce sensiblemente el rango de movimiento de la espina dorsal, siendo uno de sus aspectos característicos la inflamación y el daño estructural espinal en los pacientes afectados y teniendo el proceso inflamatorio como consecuencia la fusión de las articulaciones vertebrales y del espacio intervertebral.

Según lo anterior, para la determinación del grado de afección de EA en un paciente, la evaluación de la movilidad espinal resulta fundamental para el facultativo, permitiendo estimar el estado de salud del paciente, así como el desarrollo de la enfermedad. De hecho, numerosos estudios científicos demuestran que el avance de la EA en un paciente está estrechamente correlacionado con la reducción de la movilidad espinal.

Para la evaluación de la enfermedad, los especialistas han definido diversos protocolos metrológicos y diagnósticos estándar internacionalmente aceptados. Los organismos internacionales de mayor relevancia en el estudio de la EA como son, por ejemplo, el grupo ASAS (“Assessment of Ankylosing Spondylitis Working Group”) o EULAR (“European League Against Reumatism”) recomiendan el uso del índice BASMI (“Bath Ankylosing Spondyilitis Metrology Index”) como estándar de referencia para el seguimiento de la enfermedad. Dicho índice comprende cinco medidas de movimiento realizadas sobre el paciente mediante instrumentación convencional, basada en cintas de medida (para determinar distancias) o goniómetros (para determinar ángulos) . Si bien los citados instrumentos resultan satisfactorios para la determinación de las medidas realizadas en un único plano, es bien conocido en el estado de la técnica que su uso para la realización de mediciones tridimensionales resulta inconveniente, dado que los valores obtenidos están sometidos a un grado importante de variabilidad e imprecisión, como consecuencia de las lógicas limitaciones que los instrumentos empleados poseen en su aplicación a mano

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sobre el cuerpo de un paciente, así como en la determinación de magnitudes como la velocidad o la aceleración de movimiento. El cálculo de dichas magnitudes, junto con la obtención de la máxima precisión posible en la evaluación global del movimiento espinal del paciente, supone una necesidad, no sólo para el diagnóstico de la enfermedad, sino también para la evaluación del grado de respuesta del paciente ante los tratamientos médicos administrados, siendo dichos tratamientos, en la actualidad, sustancialmente caros de producir, con lo que la limitación del impacto económico para un centro de tratamiento en su suministro resulta, en el plano presupuestario, también de gran importancia, cuando se puede determinar, por ejemplo, si determinado fármaco posee o no los efectos perseguidos en el paciente.

La presente invención está destinada a satisfacer dichas necesidades, mediante un sistema automatizado de captura por vídeo que permite una medición precisa del movimiento humano o animal de forma objetiva y reproducible.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es un dispositivo de captura y análisis de movimiento del cuerpo humano o animal que comprende, al menos:

a) Un medio de grabación de imagen equipado con dos o más cámaras de vídeo.

b) Una pluralidad de marcadores reflectantes destinados a situarse en la superficie del cuerpo móvil estudiado, estando configurados dichos marcadores para su detección por parte del medio de grabación.

c) Un medio de captura y análisis de datos del movimiento del cuerpo estudiado que comprende un ordenador programable, conectado al medio de grabación de imagen, equipado con una combinación de hardware y software configurada con las siguientes unidades:

- unidad de registro de imágenes: comprende la captura y el almacenamiento de las imágenes obtenidas por el medio de grabación de imagen.

- unidad de punteo: comprende el procesado de las imágenes, detectando la posición de los marcadores empleados e indicando, en cada imagen, las coordenadas del dicha posición en el sistema de referencia del plano 2D de las cámaras (x, y) .

- unidad de reconstrucción: comprende la traducción de las coordenadas de posición en el sistema de referencia del plano 2D de las cámaras (x, y) de los marcadores, en cada una de las cámaras empleadas, y el cálculo de las coordenadas espaciales (X, Y, Z) sobre el sistema de referencia 3D del laboratorio.

- unidad de cálculo: comprende la obtención de los valores de variables cinemáticas y dinámicas de los... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de captura y análisis de movimiento del cuerpo humano o animal que comprende, al menos:

a) Un medio de grabación de imagen (1) equipado con dos o más cámaras (2-5) de vídeo.

b) Una pluralidad de marcadores (6) reflectantes destinados a situarse en la superficie del cuerpo móvil estudiado, estando configurados dichos marcadores (6) para su detección por parte del medio de grabación (1) .

c) Un medio de captura y análisis de datos (7) del movimiento del cuerpo estudiado que comprende un ordenador programable (8) , conectado al medio de grabación de imagen (1) , equipado con una combinación de hardware y software configurada con las siguientes unidades:

- unidad de registro (9) de imágenes: comprende la captura y el almacenamiento de las imágenes obtenidas por el medio de grabación de imagen (1) .

- unidad de punteo (10) : comprende el procesado de las imágenes, detectando la posición de los marcadores

(6) empleados e indicando, en cada imagen, las coordenadas del dicha posición en el sistema de referencia del plano 2D de las cámaras (x, y) .

- unidad de reconstrucción (11) : comprende la traducción de las coordenadas de posición en el sistema de referencia del plano 2D de las cámaras (x, y) de los marcadores (6) , en cada una de las cámaras (2-5) empleadas, y el cálculo de las coordenadas espaciales (X, Y, Z) sobre el sistema de referencia 3D del laboratorio.

- unidad de cálculo (12) : comprende la obtención de los valores de variables cinemáticas y dinámicas de los componentes en movimiento del cuerpo estudiado, mediante la definición de puntos y segmentos entre dos o más marcadores (6) y el cálculo de sus velocidades y/o aceleraciones.

- unidad de representación (13) : comprende la generación de conjuntos de datos, figuras basadas en diagramas de alambres, tablas, gráficas, y/o presentaciones de renderizado 3D para su visualización a través de un monitor.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde el medio de grabación de imagen (1) comprende cuatro cámaras (2-5) de vídeo digitales.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde los marcadores (6) utilizados se realizan como semiesferas de poliestireno extruido (styrofoam) blanco de entre 2 y 3 cm de diámetro, recubiertos por un material reflectante.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la fijación de marcadores (6) sobre el cuerpo móvil estudiado se realiza mediante un sistema de pinza y/o adhesivo.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde el medio de captura y análisis de datos (7) comprende, al menos, una conexión entre el ordenador (8) y las cámaras de vídeo (2-5) mediante un puerto de comunicación IEEE 1394.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde la velocidad de captura de las cámaras (25) y la unidad de registro (9) es igual o inferior a 50 Hz.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la unidad de punteo (10) comprende uno

o más algoritmos implementados de visión artificial configurados para detectar los marcadores (6) , segmentar dichos marcadores (6) mediante el análisis de su tamaño y su color, reconocerlos y calcular su centro geométrico.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde la unidad de punteo (10) está configurada para operarse de forma manual.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde el cálculo de posiciones 3D mediante la unidad de reconstrucción (11) está basado en un algoritmo DLT, y donde dicho cálculo está previamente calibrado mediante una distribución de marcadores (6) previamente determinada que sirve como base de normalización para los cálculos posteriores, empleándose los coeficientes DLT obtenidos durante la calibración para la reconstrucción de la posición de los marcadores (6) situados en los cuerpos móviles estudiados.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde la unidad de reconstrucción (11) comprende una o más subunidades de filtrado, configuradas para limitar posibles errores de medida como consecuencia de la inexactitud en la construcción del sistema de calibración, del error humano en la indicación de la posición de los puntos de calibración, de la distorsión de las lentes de las cámaras (2-5) , de la identificación por parte del operador de la posición de la marca en proceso manual, del calculo de la posición de la marca por el proceso automático de seguimiento, de la resolución del vídeo digitalizado o de la inexactitud debida a la falta de sincronización de las cámaras (2-5) .

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11. Método de evaluación de movimiento en un cuerpo humano o animal que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10.

12. Método de obtención de datos útiles para la evaluación del movimiento en pacientes de enfermedades reumáticas, que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10. .

13. Método según la reivindicación 12, donde la enfermedad reumática es espondilitis anquilosante.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, donde se aplica al paciente evaluado un conjunto de, al menos, veintiún marcadores (6) situados en los siguientes puntos del cuerpo: -Cabeza: lateral izquierdo, lateral derecho, región frontal, región posterior.

- Hombro: hombro izquierdo, hombro derecho.

10. Dedo: dedo corazón izquierdo, dedo corazón derecho.

- Cadera: cadera izquierda, cadera derecha.

- Trocánter del fémur: trocánter superior izquierdo, trocánter superior derecho.

- Rodilla: rodilla izquierda, rodilla derecha .

- Talón: talón izquierdo, talón derecho.

- Columna vertebral: vértebra C7, 10 cm bajo vértebra C7, intersección entre las caderas y la columna, 10 cm sobre la intersección entre caderas y columna, punto intermedio entre 10 cm por debajo de C7y 10 cm sobre la intersección entre las caderas y la columna.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11-14, donde la evaluación del movimiento del cuerpo estudiado comprende el estudio de uno o más de los siguientes movimientos: movimiento cervical, movimiento de 20 espalda en flexión frontal, movimiento de espalda en flexión lateral, movimiento de espalda en rotación tronco

lumbar.

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 12-15, donde los movimientos analizados se utilizan para obtener el valor de una o más magnitudes comprendidas para la estimación del índice BASMI.

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FIG. 1

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FIG. 2

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FIG. 3