Informationstechnik in der Medizin Thema Bildbearbeitung: Bewegungsverfolgung von Matthias Sonntag Fakultät für Elektr

1. Informationstechnik in der Medizin Thema Bildbearbeitung: Bewegungsverfolgung von Matthias Sonntag Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays

2. Einsatzgebiete Bildverarbeitender Software • Generelle Konzepte • Online System • Offline System • Pattern Matching • Anwendungsbeispiele • Ganganalyse • Intraoperative Bewegungsanalyse • Untersuchung von Implantaten • Demonstration

3. Orthopädie Physiotherapie Rehabilitation Sportmedizin Leistungsdiagnostik Einsatzgebiete

4. Erfassung einzelner Teilbereiche eines Körpers • Beschreibung von Gelenkbewegung beim Menschen • Beschreibung von Köperbewegungen anhand kinematischer Größen (Weg/Zeit-Verlauf, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) • Medizinische Beurteilung der Messungen Ziele der Bewegungsanalyse

5. Online Systeme • Positionierung passiver oder aktiver Marker am Körper • Aktivierung der passiven Marker durch Strahlungsquellen (Infrarot, Ultraschall) • Detektoren speichern die x,y-Koordinaten aller Marker • Offline Systeme • Analyse erfolgt anhand von digitalisierten Videosequenzen • Einsatz von Markern ist nicht erforderlich Konzepte

6. Propriozeption: Analyse der Arm- und Schulterbewegung durch Verfolgung des Roboterarms Online System

7. Propriozeption: • Auswertung der Winkeländerung beim Nachzeichnen • Objekt relativ zum Kopf • Augen relativ zum Kopf • Finger relativ zum Kopf Online System

8. Analyse von Video-Sequenzen • Makerlose Objektverfolgung im 2D/3D-Raum • Pattern Matching • Berechnung und Analyse der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Winkelstellung der Objekte • Berechnung und Analyse des Körperschwerpunktes Merkmale Offline- oder videobasierter Systeme

9. Verringerung von Rauschen irrelevanter Daten Erfassung Vorverarbeitung Verteilungsfunktion Korrelation Merkmalsgewinnung Merkmalsreduktion Klassifikation Pattern Matching

10. Pattern Matching Videoanalyse Erfassung Vorverarbeitung Aufnahme und Digitalisierung der Videodaten Merkmalsgewinnung Merkmalsreduktion Definition einer Vorlage Suchen der Vorlage in den Folgebildern Klassifikation Vergleich und Wiedererkennung der Vorlage in den Folgebildern Pattern Matching in der Videoanalyse

11. Allgemein: Ähnlichkeit zwischen zwei Signalen oder Zeitfunktionen • Bildverarbeitung: Vergleich von Bildern oder Blöcken im Bild • Die Position des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion ergibt den Verschiebungsvektor Muster Kreuzkorrelation

12. Setzen von Markern am Objekt • Kamera-Setup: • Positionierung einer (2D) oder mehrerer Kameras (3D) • Zur Vermeidung von Verdeckungen werden im 3D-Raum drei oder mehr Kameras eingesetzt • Kalibrierung anhand eines bekannten Objektes (z.B. Würfel) • Videoaufnahme und Erfassung von Analogdaten • Tracking, Digitalisierung, Erfassung von Bewegungsdaten • Berechnung der 2D- oder 3D-Koordinaten Ablauf der Videoanalyse

13. 3-D-Bewegungsanalyse durch geeignete Positionierung der Kamerasysteme 2-D-Bewegungsanalyse von beiden Seiten des Körpers Kamera-Setup

14. Leistungsdiagnostik: • Tracking, Digitalisierung, Erfassung von Bewegungsdaten • Berechnung der 2D- oder 3D-Koordinaten Auswertung einer Turnübung mit simi Motion 3D

15. Objektverfolgung am Beispiel der Software WINanalyze Videosequenz: Laufbewegung rechter Fuss Objektverfolgung

16. Objektverfolgung am Beispiel der Software WINanalyze Videosequenz: Markierung des Fussgelenks Objektverfolgung

17. Objektverfolgung am Beispiel der Software WINanalyze Videosequenz: Auswertung der Bewegung Objektverfolgung

18. Video WINanalyze

19. Objektverfolgung am Beispiel der Software WINanalyze Videosequenz: 2 dimensionale Bewegungs-analyse des Fußes Objektverfolgung

20. Video WINanalyze

21. Untersuchte Krankheitsbilder und OP-Verfahren: • Bandscheibenvorfall • Spinalkanalstenose • Skoliose • Dekompression • Metallentfernung nach Spondylodese Beweglichkeit der einzelnen Wirbelkörper: • Kirschner-Drähte werden in die Dornfortsätze eingebracht • Über abklappbaren Tisch wird die Wirbelsäule in die maximale Beugung gebracht • Messung der Abstandsänderung Intraoperative Bewegungsanalyse

22. Implantat: • 3-D-videogestützte Bewegungsanalyse • Auswertung der Winkeländerung der einzelnen Segmente 1): Ventrale Stabilisierung 2): Dorsale Stabilisierung WKE: Wirbelkörperersatz-Implantat Messung von Winkeländerungen

23. Anwendung in vielen medizinischen Bereichen möglich • Bewegungsanalyse • Intraoperative Analyse • Implantate • Einsatz digitaler Speicherung der Videodaten • Pattern Matching ist auf beliebige Filmformate anwendbar • Makerlose Objektverfolgung ermöglicht nachträgliche Bearbeitung Zusammenfassung

24. Neuronale Netze • Fahrzeugtechnik • Sicherheitstechnik • Robotik • Unterstützung von Behinderten oder älteren Menschen Ausblick