Desarrollo y validación de un sistema de análisis del movimiento del cuello basado en marcadores ARUCO

Abstract

[ES] El análisis cinemático del movimiento del cuello es un tema muy relevante en el ámbito de la biomecánica, por sus aplicaciones clínicas (valoración de secuelas en accidentes de tráfico) o en el desarrollo de modelos del cuerpo humano. La técnica estándar para el análisis de movimientos humanos es la videofotogrametría. Esta técnica es muy precisa, pero también compleja y costosa, lo que limita sus aplicaciones a los laboratorios de investigación en universidades y grandes hospitales. Recientemente se han empezado a desarrollar otras técnicas de bajo coste, como las basadas en sensores inerciales, que presentan algunos problemas y cuya validez en el ámbito clínico está sin determinar. Otra alternativa pueden ser las técnicas de análisis de movimientos basadas en la visión por computador y marcadores o patrones geométricos, que se vienen usando desde hace algunos años en el campo de la robótica. En particular, recientemente se han desarrollado algoritmos muy eficientes para el posicionamiento de patrones geométricos planos que constituyen los denominados marcadores de realidad aumentada, como los marcadores ARUCO. Se trata de un sistema muy eficiente que funciona en tiempo real y con una precisión que puede ser suficiente para muchas aplicaciones. Sin embargo, esta tecnología todavía no se ha usado en el campo de la biomecánica. El objetivo de este TFG es desarrollar y validar un sistema de análisis de movimientos de la cabeza basado en marcadores ARUCO utilizando una única webcam para la captura del movimiento. Las tareas a desarrollar en el proyecto son las siguientes: 1) Revisión de software en OpenCV y ARUCO y aplicaciones en el campo de la biomecánica y el análisis de movimientos. 2) Puesta a punto de software para calibración de la cámara y adquisición de la posición de marcadores 3) Puesta a punto de software para el análisis de movimientos humanos mediante las posiciones y orientaciones proporcionadas por el sistema de marcadores 4) Definición de un protocolo de medida del movimiento de la cabeza 5) Validación del sistema de medida.

[EN] The analysis of the movement of the neck is a very relevant issue in the field of biomechanics, due its clinical applications (assessment of sequelae in traffic accidents) as well as in the development of models of the human body. The standard technique for the analysis of human movements is videophotogrammetry. This technique is very precise, but complex and expensive, which limits its applications to research laboratories in universities and big hospitals. Recently, other low-cost techniques are been developed, such as those based on inertial sensors, which present some problems and whose validity in the clinical field is unknown. An alternative are the techniques of motion analysis based on computer vision and geoometrical markers, which have been used for some years in the field of robotics. In particular, very efficient algorithms have been recently developed for the positioning of flat geometrical patterns that constitute the so-called augmented reality markers, such as the ARUCO markers. It is a very efficient system that works in real time and whose precision can be enough for many clinical applications. However, this technology has not yet been used in the field of biomechanics. The objective of this TFG is to develop and validate a head movement analysis system based on ARUCO markers using a single webcam to capture the movement. The tasks to develop in the project are the following: 1) Software review in OpenCV and ARUCO and applications in the field of biomechanics and movement analysis. 2) Development of softwware to calibrate the camera and register the position of markers. 3) Development of software for the analysis of human movements from the location and orientations provided by the marker system. 4) Definition of a measurement protocol for the movement of the head. 5) Validation of the measurement system: validity and reliability analysis