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CSE-Projekt zur Erfassung von Handbewegungen für inversdynamische Muskelsimulation

CSE-Projekt zur Erfassung von Handbewegungen für inversdynamische Muskelsimulation

In Rahmen eines fortgeschrittenen CSE-Projektes sollte der Einsatz von einem Leap Motion Controller (LMC) im Bereich der Biomechanik überprüft werden. Der LMC ist ein Computer-Hardware-Sensorgerät, das analog zu einer Maus, Hand- und Fingerbewegungen als Eingabe unterstützt, aber keinen Handkontakt oder Berührung erfordert. Dieser Sensor soll helfen eine Handbewegung aufzunehmen, die anschließend in das AnyBody Modeling System™ (AMS) übertragen wird. Mit dem AMS können Muskel- und Gelenkkräften für eine vorgegebene Bewegung des Körpers in einer inversdynamischen Simulation bestimmt werden, die zu einer Optimierung der Heilungsprozesse einer Fraktur beitragen.

Die Analyse von Frakturheilungsprozessen und die Optimierung der Behandlung der Patienten ist ein laufendes Forschungsgebiet. Neben experimentellen Methoden spielt auch die computergestützte Modellierung eine wichtige Rolle für das Verständnis des Knochenwachstumsprozesses. Für die Simulation des Heilungsverlaufs ist die mechanische Stimulation ein wesentlicher Faktor. Eine der am häufigsten auftretenden Frakturarten ist die distale Radiusfraktur (Handgelenksfraktur). Zur weiteren Analyse der resultierenden Gelenk- und Muskelkräfte in der menschlichen Hand in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf, wird die Simulationssoftware AMS für eine inversdynamische Simulation zur Hilfe genommen. Wie bereits erwähnt, basieren die Bewegungen des Körpermodells auf kinematischen Messungen. Diese Messungen werden oft mit einem kamera- und markerbasierten Motion-Capture-System (MoCap) durchgeführt, die jedoch einige Einschränkungen (zeit- und kostenintensiv, Marker bewegen sich relativ zum Knochen) besitzen. Die Anwendung nicht-anatomischer Parameter, wie z.B. Video-Tracking-Marker, auf das Modell ist eine komplexe Aufgabe.

Um die Bewegungsaufnahme deutlich zu vereinfachen, werden immer mehr unkonventionelle Methoden aus der Gaming Szene verwendet. Für die Ganganalyse oder Ganzkörpermodellierung wurde der Microsoft Kinect Sensor verwendet.  Für eine genaue Bewegungserfassung der Hand soll der LMC den Anforderungen für medizinische Anwendungen entsprechen.

Aus diesem Grund wurde eine automatische Schnittstelle zwischen dem LMC und dem AMS, um eine Handbewegung zu erfassen und in eine invers-dynamische Muskel-Skelett-Simulation zu integrieren, entwickelt. Der LMC verwendet ein internes anatomisches Handmodell, das in Echtzeit den aufgenommenen Bewegungsdaten angepasst wird. Auf die Positionen und die Ausrichtung der Knochen und Gelenke der Hand kann zugegriffen werden, um dann die erforderlichen Gelenkwinkel zu berechnen, um die gleiche Haltung und Bewegung innerhalb der Simulation zu reproduzieren. Die Schnittstelle überträgt somit die Gelenkswinkel von Ellbogen bis zu den Fingerspitzen an die Simulation. Die berechneten Daten werden mit Hilfe von Python und der Bibliothek AnyPyTools an das AMS übergeben. Abhängig von den an das Programm übergebenen Parametern führt AnyBody die kinematische und inversdynamische Simulation durch. Die gesamte Funktionalität kann benutzerfreundlich über das Programm ROSE Motion aufgerufen werden. Zusätzlich lassen sich auch noch verschiedene Aufnahmeeinstellungen und Auswertungen der Ergebnisse in einer interaktiven Oberfläche wählen.