Goethe Nap: A tudomány művészete és a művészet tudománya

2014. november 28-án a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karán működő Goethe Gait Lab elnevezésű mozgásvizsgáló laboratórium munkatársai rendezvényt tartottak, amelyen a szűk szakmán kívül a támogatóikat és az érdeklődő közönséget is vendégül látták. Ez alkalommal a labor közvetlen munkatársai és a laboratóriumban dolgozó hallgatók tartottak érdekes előadásokat aktuális kutatásaikról, terveikről.

Goethe Nap: A tudomány művészete és a művészet tudománya

Az emberek ritkán érnek el sikert abban,
amit nem szívesen csinálnak.

(Goethe)

Bevezetés

Ahogy a folyóirat korábbi számaiban (Steiner Henriette: Mozgástan – mozgásban, Magyar Elektronika 2013/12 és 2014/1-2) már beszámoltunk róla, kutatócsoportunk 2009-ben alakult Goethe Gait Lab néven.
Goethe nevét csapatunk azért választotta, mert egy olyan ember személyét szerettük volna névadónak, aki jól fejezi ki tevékenységünket, és nevét mind hazánkban, mind külföldön könnyen tudjuk használni. Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) eredetileg jogász volt, több nyelven, latinul, franciául, görögül és angolul beszélt kiválóan. Emellett azonban sok minden más is érdekelte: kiválóan rajzolt, foglalkozott zenével, és maga is – akár csak Kodály a maga korában – gyűjtött népdalokat. Weimari évei alatt a barátsága Schillerrel, a másik költőóriással szinte legendás. Ezekben az években – hiszen ekkor Károly Ágost, a weimari herceg támogatta – tovább szélesítette látókörét. Ekkor – amit talán kevesebben tudnak róla – érdeklődése a természettudományok felé fordult, és anatómiát kezdett hallgatni a kor híres professzorainál. Több anatómiai, élettani tárgyú rajzot, rövid írást is készített. Ezekből a kutatásokból született meg két műve: 1799-ben „A növények alakváltozása” (Die Metamorphose der Pflanzen), 1806-ban pedig „Az állatok alakváltozása” (Metamorphose der Tiere) címmel.
Számunkra azonban talán optikai kutatásai voltak a legjelentősebbek. Ez az a téma, amely Goethét igazán foglalkoztatta. Rengeteg kísérletet végzett, maga is figyelemmel kísérte a kor hasonló tárgyú írásait. A newtoni fényelmélettől eltérő elméletet hozott létre, amelyet többszöri átdolgozás után 1832-ben publikált „Színtan” címmel. Goethe számos alkotása közül ezt tartotta élete fő művének.
A kutatócsoport célja, hogy az Ariel Performance Analysis System (APAS) nevű, optikai elven működő, video alapú, számítógéppel vezérelt mozgásanalizáló rendszer segítségével különböző biomechanikai méréseket végezzen, és Európában egyedülálló, mérnöki fejlesztéseket hozzon létre.

A mozgásvizsgálat főbb alkalmazási területei

• Sportkutatások (edzéstervek),

• Mozgással kapcsolatos orvosi kutatások, rehabilitáció,

• Munkaalkalmassági vizsgálatok,

• Ipari alkalmazások (edzőcipő-vizsgálatok stb.),

• Biológiai vizsgálatok (állatok mozgása),

• Törvényszéki vizsgálatok,

• Űrkutatás, anyagtesztek, űrhajósképzés,

• Művészek képzése, mozgások ábrázolása (festészet, szobrászat, film stb.).

A mozgásvizsgálat alkalmassági területei

• Állapotfelmérésre (a teljes test összetett mozgásainak – pl. járás – vizsgálatára, a testrészek egyes ízületi mozgásainak vizsgálata alkalmával az ízületek és a gerinc helyzetének és mozgásterjedelmének, a mozgás sebességének, a mozgás dinamikájának az elemzésére),

• A megfelelő terápia kiválasztására,

• A kezelés(ek) hatásának folyamatos követésére,

• A kezelés végén az állapotváltozás mérésére.

A vizsgálat menete

A vizsgálat teljesen fájdalommentes. A mérés megkezdése előtt a vizsgálni kívánt testrészre a rendszer számára szükséges speciális jelzéseket, ún. markereket helyezünk fel (mérési helyzettől és feladattól függően a bőrre közvetlenül vagy a helyszínen rendelkezésre bocsátott fekete pamut ruházatra). Ezután videokamerákkal rögzítjük a kívánt mozgás kivitelezését. A vizsgálat időtartama egy személy esetében kb. 30 perc (2. ábra).

Vizsgált feladataink területei

• Lovasterápia,

• Down-szindrómások,

• Autisták,

• Látássérültek,

• Csípő mozgásának vizsgálatai gyógytorna hatására,

• Reumatoid arthritis,

• Cerebralis paresis,

• Steady Motion Fitness,

• Karate,

• Endoszkópia.

A laborban eddig 4707 mérést végeztünk, és ebből 668 hallgatók munkája volt. A vizsgálati módszerről hallgatóknak szánt jegyzet is készül. Eddig 65 publikációt adtunk ki. A jövővel kapcsolatosan megtudtuk, hogy az egyetemen egy speciális tantermet is terveznek oktatási célra, továbbá kutatni szeretnénk a gyógyszerek hatásmechanizmusát is.

A rendezvényen Dr. Péceli Gábor rektor úr köszöntőjében (1. ábra) kiemelte, hogy a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem mindig is büszke volt sokszínűségére és arra, hogy szívvel-lélekkel támogatta az új kezdeményezéseket. A köszöntő után beszámoltunk a laboratórium korszerű fejlesztésének eredményeiről. Elhangzott, hogy a fejlesztések során 12 módosítást hajtottunk végre ahhoz, hogy a rendszer pontossága javuljon, ill. alkalmas legyen a normálistól eltérő fejlődésű személyek vizsgálatára is. Amennyiben a mozgás vizsgálata biomechanikai úton megvalósítható, és az alapvetően elkülöníthető mozgásmintázatok nyomon követhetők mind térben mind időben, akkor ezen alkalmazás lehetővé teszi nemcsak a mozgás tudományos igényű vizsgálatát, hanem olyan új eljárások és elrendezések kialakítását is, amelyek a speciális igényű vizsgálati személyek számára akadálytalanul használhatók, és az in vivo vizsgálatok fizikai és pszichológiai megterhelést nem jelentenek.

1. ábra A rendezvényt Dr. Péceli Gábor, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem rektora nyitotta meg

2. ábra A vizsgálat menete

A kutatás célja tehát a fenti kérdéseket megválaszolva egy háromdimenziós adatokat szolgáltató, pontos, szállítható, gyorsan kalibrálható, non invaziv mozgásvizsgáló elrendezés és eljárás kidolgozása, amely alkalmas az egészségestől eltérő fejlődésű vizsgálati személyek fogadására.
A fentebb felsorolt jellemzők közül saját fejlesztéseink a gyorsaságot, a pontosságot és a mobilizálhatóságot vették górcső alá. Jelentős módosítások, fejlesztések történtek e paraméterekben, ill. komplex rendszert dolgoztunk ki a mozgásanalízis adatainak értékeléséhez.
Az Ariel Performance Analysis System (APAS) szoftvert az alábbi elrendezés- és eljárásmódosításokkal láttuk el:

• Automatikus kamerakezelés: négy vagy több kamera online módon, szinkronban történő használata,

• Mérési környezet fejlesztése: a jobb kalibrálhatóság érdekében a kamerák pontos helyzetének meghatározása,

• Kalibrálótestek fejlesztése,

• Automatikus markerfelismeréshez reflektor fejlesztése,

• Automatikus markerfelismeréshez markerek kialakítása,

• Speciális igényű pácienseink részére markerek fejlesztése,

• A környezet biztonságtechnikai kialakítása fogyatékosok számára,

• Teljes testen mérő testmodell módosított markerszettjének összeállítása,

• A testmodell paramétereinek számításához adatbázis és matematikai eljárás kialakítása,

• A páciensek adatnyilvántartásának kidolgozása,

• A rendszerkörnyezet kompatibilitásának kialakítása,

• Adatok kinyerése a mérési környezetből, statisztikai adatfeldolgozás kialakítása.

A nyert adatok alkalmasak arra, hogy a testmodell által meghatározott módon, a vizsgált testpontok és a meghatározott szegmensek helyzete alapján az adott pont helyzetét, sebességét és dinamikáját (a pillanatnyi gyorsulást) tudjuk meghatározni, valamint információt nyerhetünk az ízületek mozgásának szögterjedelméről mindhárom térirányban. Ezen mérések nagy előnye, hogy aktív mozgás közben végezhetjük méréseinket, ezzel az orvosok munkáját nagyban segíthetjük.

A mozgásvizsgálat módszere és technikája

Az embert régóta foglalkoztatja a különböző mozgások részletes megismerése. Ezért alakult ki az optikai követés tudománya, amely a látás modellezésének segítségével gyűjt adatokat a mozgásról. Ezeket az eljárásokat a tudomány és a művészet számos területén használják. Az élettudományok közül az állatok mozgásának kutatása (open field, labirintustesztek), a sport, az űrkutatás (pl. asztronauták képzése), valamint a különböző biomechanikai vizsgálatok emelendők ki.
A mérnöki tudományok esetében az ergonómia, valamint a szimulációs és vizualizációs technikák érdemelnek említést, míg az orvostudományok köréből fontos területek közé tartozik a számítógép-vezérelt terápia, a fogimplantáció, az idegsebészet, az ortopédia és a gerincsebészet.

Az APAS-rendszer felépítése

A rendszer egy nagyteljesítményű számítógépből és négy digitális camcoderből (60 Hz, PAL-videokép) áll. A kettő közötti kommunikációt négy db firewire végzi el. Ily módon lehetőség van a mozgás négy (elöl, hátul és a két oldalsó) nézetből történő rögzítésére, valamint a háromdimenziós mozgáskép létrehozására. A rendszert kiegészíti egy másik nagyteljesítményű számítógép is, amely a felvett adatokat az SPSS 19 elnevezésű statisztikai analizálószoftver segítségével statisztikailag képes elemezni.

Kalibráció

A vizsgálatokhoz 18 pontból álló kalibráló téglatestet használunk. Kijelölünk ezenkívül egy minden nézeten látható fix pontot is, amely lehetővé teszi a képkockák eltolódásainak azonosítását, azaz a sor-oszlopszinkron biztosítását. Miután ezt rögzítjük, a téglatest eltávolítható, hiszen utána már nem változtatunk a kamerák helyzetén. Erre a kalibrációra a háromdimenziós kép transzformálásának hitelessége érdekében van szükség. A 18 pont a tér három irányát képes meghatározni:

• X tengely: haladási (sagitális) irány,

• Y tengely: függőleges (vertikális) irány,

• Z tengely: kitérési (horizontális) irány.

Markerezés

A markerek felhelyezése a megfelelő pontokra kétoldalú ragasztóval történik. A vizsgálati személy pamut anyagú, fekete színű, testhez álló harisnyanadrágot és hosszú ujjú pólót visel, mert így lehet legjobban kiemelni a markerek kontrasztosságát és a feldolgozó egység számára a megfelelő pixelszámot.

Adatgyűjtés

Összesen 4014 mérést rögzítettünk azonos körülmények között. A mozgást négy nézetből (elölről, hátulról, jobb és bal oldalról) automatikusan vettük fel Sony-kamerákkal, 50/60 Hz frekvenciával, PAL-videoképként, Avi-file formátumban.

Vágás

Az APAS-szoftver Trim-modulja lehetőséget ad az analizálni kívánt lépésciklus kiválasztására.

A testmodell felépítése

A test mozgásának követéséhez szükség van arra, hogy a testen kitüntetett pontokat jelöljünk meg. Erre a célra szolgálnak a markerek, amelyek a testre felhelyezett állapotban teljes matematikai rendszert alkotnak: ez a testmodell. Saját rendszerünk a biomechanikában elfogadott Dempster-féle testmodellt alkalmazza, amely 16 pontból áll, de a rendszer megengedi ennek a modellnek a módosítását ún. extra pontokkal (pl. járóbot, járókeret pontjai stb.) történő kiegészítéssel, ill. bizonyos esetekben a pontok számának csökkentését is. A modell adatait a rendszer a globális testtömeg és testmagasság adatai alapján számolja ki. Mivel a vizsgálatok során az egészségestől eltérő személyek mozgását elemeztük, ezért a modell 14 pontból és az őket összekötő szakaszokból állt – a vizsgálati személy antropometriai adataival korrigálva. A korrekciót az APAS-rendszer a benne elhelyezett szoftverrésznek köszönhetően maga végezte el. A fentiek eredményeként a vizsgálatok során egy módosított Dempster-modellt alkalmaztunk (3. ábra).

A mérés technikája logikailag hasonló elveket követ a következő módon:

• Kalibráció: Ez adja meg egy adott 3 dimenziós térben azon síkok halmazát, ahol az adatgyűjtés történik.

• Adatbegyűjtés (Kép file): Több kameraállásból rögzítjük a mozgást.

• Vágás: Kiválasztjuk a feldolgozni kívánt mozgásszakaszt.

• Adatbevitel: Markerek követése, azaz a mozgó emberi testre vagy tárgyakra a követés érdekében markereket helyezünk, amelyek anyaga és nagysága rendszerenként és a mérés céljától függően eltérő. Alapvetően két típusuk van: passzív, amely megvilágítást igényel, és a követés a visszavert fény alapján történik; valamint aktív, amikor a marker saját fénnyel rendelkezik, és a követés a kibocsátott fény segítségével történik.

• Transzformálás: 2D – 3D átalakítás. A nyert kétdimenziós adatokat háromdimenzióssá kell transzformálni.

• Szűrés: Az adatsorok szűrése különböző függvényalgoritmusok segítségével.

• Adatok kinyerése: Ehhez a ponthoz tartozik a mozgás különböző függvényeinek (pl. elmozdulás, sebesség, gyorsulás) megjelenítése, tárolása, más adatformátumba, adatbázisba történő konvertálása.

• Adatok feldolgozása (statisztika).

3. ábra A testmodell

A rendezvény fontosabb témakörei

Ezzel a mérőrendszerrel végzett méréseinkről számoltunk be a rendezvényen. Bemutattuk korszerű mérnöki módosításainkat, ill. hallgatóink aktuális munkáiból adtunk ízelítőt. Ennek keretében a hallgatóság megismerkedhetett a Steady Motion Fitness nevű új mozgásformával, amelynek lényege, hogy lassú tempóban végzett tartásgyakorlatok hogyan javíthatják a testtartást.
Szó esett a kosaras cipők különlegességéről: hallgatónk vizsgálata kimutatta, hogy számos paraméterben mások, mint az utcán viselt cipők. Ennek a vizsgálatnak a keretében a kosaras sportolók bokasérülései kapcsán mért változások is nyomon követhetők voltak. Bemutatkozott a Káldi Terápiás Intézet is, ahol speciális, ún. Thera Suit terápiát végeznek halmozottan sérült gyermekeken. A terápia hatására kimutatható volt a mozgás fejlődése, a kívánatos javuló tendencia. A mozgásvizsgálatokhoz kapcsolható pszichológiai mutatókról is szó esett, amelyekkel a pácienseket, illetve környezetüket, a hozzátartozókat lehet vizsgálni. Az emberi szem vizsgálata során kapott eredmények pedig a labor kalibrálásánál és a kamerák beállításánál voltak hasznosak számunkra (4. ábra).

4. ábra A Steady Motion Fitness előadás

Az előadások után érdekes laborbemutató zárta a rendezvényt, ahol az érdeklődők elsőként egy teljes járásvizsgálatot tekinthettek meg: a markerek elhelyezésétől a mozgás kivitelezésén át egészen a nyert adatok megjelenítéséig. Ezzel a bemutatóval a labor gyorsasága és mobilitása is érzékelhetővé vált a jelenlévők számára. Ezt követte az Apollo project bemutatása. Az eszköz segíti a sebészorvosok és orvostanhallgatók számára a laparoszkópos műtéti technika elsajátítását, majd az APAS mozgásvizsgáló rendszerrel együtt képes ellenőrizni a testtartás helyességét, ill. a technika alkalmazásának javulását. Bemutattuk oktató eszközeinket is, amelyeket két támogatónk, a 3B Scientific és a Mozaik Kiadó bocsátottak rendelkezésünkre (5. és 6. ábra).

5. ábra A laborbemutató részlete: Triple AAA Projekt

6. ábra Szakmai konzultáció a laboratórium vezetőjével a rendezvény szünetében

Összefoglalás

Összefoglalva elmondható, hogy az optikai követéses vizsgálatok jól használhatók a habilitációban és a rehabilitációban, az életminőség javításában, segédeszközök és sportszerek fejlesztésében, a sportkutatásban és az oktatásban. Az elmúlt években 4707 mérést végeztünk el, amelyből 658 már hallgatói mérésként készült. 65 publikációt tudhatunk magunkénak, és a csapat munkáját dicséri 3 db magyar szabadalom is.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük minden együttműködő partnerünk és szponzorunk értékes segítségét.

Abexa Kft. • Alexandra kiadó • Alphasonic Kft.  • Autodesk Hun­gary Kft. • 3B Scientific Kft. • BME IIT • BSC Kft. • Center Kft. • Clementine (SPSS) • Fehér Ló Alapítvány • Mozaik Kiadó • Pro Progresszió Alapítvány • Richter Gedeon Nyrt. • Magánszemélyek

Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

Szerző: Steiner Henriette – Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

A fotókat a Birtafoto készítette.