New frontiers of markerless motion capture: application to swim biomechanics and gait analysis

Nell’ultimo decennio le techiche di acquisizione del movimento di tipo “markerless” hanno suscitato un interesse sempre maggiore all’interno della comunità biomeccanica. Queste tecniche si basano solo su sequenze video sincronizzate del soggetto e permettono misure non invasive della cinematica segmentale. Il vantaggio principale che presentano rispetto ai sistemi di acquisizione commerciali basati su marcatori è che non è richiesta la presenza di marcatori o altri dispositivi sulla pelle del soggetto, pertanto è possibile registrarne il movimento in maniera più naturale e pratica. Inoltre le analisi markerless possono essere effettuate anche in ambienti non controllati dove i marcatori non possano essere utilizzati. Un caso esemplare è l’analisi cinematica dei nuotatori, che richiede la ricostruzione di traiettorie in ambiente subacqueo; i sistemi che sfruttano i marcatori retro-riflettenti non possono quindi essere utilizzati. Gli svantaggi principali dei metodi allo stato dell’arte della biomeccanica del nuoto sono la digitazione manuale dei punti di interesse sulle sequenze video del soggetto, compito che richiede molto tempo, e il fatto che sono spesso limitati al piano sagittale. Dal momento che il movimento, nel nuoto a stile libero, avviene su piani diversi, per ottenere un’analisi descrittiva del movimento tridimensionale è necessario un setup che comprenda molteplici telecamere; queste devono essere non solo calibrate, ma anche sincronizzate. Le procedure per la predisposizione di tale setup sono tuttavia rese difficoltose dall’ambiente sperimentale subacqueo. In questo contesto, i sistemi di tipo markerless, che non richiedono di disegnare o fissare marcatori alla pelle dell’atleta, sono adatti per analisi quantitative subacquee durante l’allenamento o addirittura in competizione. Uno degli scopi di questa tesi è lo sviluppo di un sistema markerless, basato su video, per l’analisi dei movimenti del braccio nel nuoto a stile libero. D’altra parte, nel campo clinico, l’applicazione di tecniche markerless è ancora dibattuta. Questo è dovuto principalmente alla scarsa presenza in letteratura di lavori dedicati al confronto tra questi sistemi e lo stato dell’arte dell’acquisizione del movimento basata su marker, soprattutto in termini di ripetibilità e accuratezza nella stima delle rotazioni articolari tridimensionali. In questa tesi è stata studiata l’applicazione di tecniche markerless a dati acquisiti con un sistema stereofotogrammetrico sviluppato per l’utilizzo dei marcatori. Quest’ultimo è stato sfruttato per effettuare un paragone diretto tra la cinematica articolare stimata con la tecnica markerless e quella ricostruita tradizionalmente mediante i marcatori, escludendo eventuali differenze nella calibrazione o nella sincronizzazione dei due sistemi. In questo contesto è stato adottato, per il posizionalemento dei marcatori, un protocollo di tipo CAST, che può essere considerato il più affidabile in termini di accuratezza nella stima delle rotazioni articolari. La combinazione di un sistema markerless-marker potrebbe essere invero considerata una soluzione versatile per i laboratori di analisi del movimento, che potrebbero effettuare diversi tipi di analisi a seconda del desiderato grado di accuratezza e di disagio procurato al paziente. La presente tesi è organizzata come segue: il primo capitolo contiene un’introduzione ai sistemi markerless e ai campi in cui sono stati applicati. Il secondo capitolo riporta lo stato dell’arte delle tecniche markerless presenti in letteratura e una descrizione dettagliata dell’approccio markerless che è stato impiegato e sviluppato. Il terzo e il quarto capitolo sono incentrati rispettivamente sull’applicazione della tecnica markerless all’analisi, mediante telecamere subacquee, del nuoto a stile libero, e all’analisi clinica del passo impiegando sequenze video acquisite con un sistema predisposto per l’utilizzo di marcatori. Sono innanzitutto fornite alcune informazioni introduttive, che presentano gli argomenti trattati in questa tesi. Vengono quindi descritti il setup sperimentale e i metodi di analisi dati che sono stati sviluppati per affrontare i relativi problemi. Infine vengono presentati e discussi i risultati sperimentali. Il quinto capitolo è dedicato alle conclusioni e alla discussione di possibili sviluppi futuri.