Image analysis of 3D motion for biomechanical applications

Abstract

This work is developed in the context of the project Study on the role of ankle ligaments in bone stability of the Department of Strength of Materials and Structural Engineering, in the ETSEIB. The aim of this project is to study with accuracy the movements of the tibia and talus, bones located in the lower extremities, depending on the injury that the ligament that joins them may have suffered. In order to achieve this final objective, this work offers the procedures and tools needed to measure the displacements in 3 dimensions of the components or structures to be analysed. These tools are mainly two cameras, set up as a stereo system, and the GOM Correlate system, used to calibrate the cameras and to be able to determine the displacement between images by means of measurement points. Using a mechanical system formed by a metallic structure and a spherical joint, the movement of the aforementioned bones will be simulated, with the aim of achieving an accuracy of less than one tenth of a millimetre.

Este trabajo se desarrolla en el contexto del proyecto Estudio sobre la función de los ligamentos del tobillo en la estabilidad del hueso del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras de la Ingeniería, en la ETSEIB. En este proyecto se pretende estudiar con precisión los movimientos de la tibia i el astrágalo, huesos situados en las extremidades inferiores de los seres humanos, en función de la lesión que pueda haber sufrido uno de los ligamentos que los une. Para poder alcanzar este objetivo final, en este trabajo se ofrecen los procedimientos y las herramientas necesarias para medir con precisión los desplazamientos en 3 dimensiones, de los componentes o estructuras a analizar. Estas herramientas son, principalmente, dos cámaras, formando un sistema estéreo, y el sistema GOM Correlate, empleado para calibrar las cámaras y poder determinar el desplazamiento entre imágenes mediante puntos de medida. Mediante un sistema mecánico formado por una estructura metálica y una rótula esférica se simulará el movimiento de los huesos mencionados, con el objetivo de alcanzar una precisión en la medida inferior a la décima de milímetro.

Aquest treball es desenvolupa en el context del projecte Estudi sobre la funció dels lligaments del turmell en l'estabilitat de l'os del Departament de Resistència de Materials i Estructures a l'Enginyeria, en l'ETSEIB. En el projecte es pretén estudiar amb precisió els moviments de la tíbia i l'astràgal, ossos situats en les extremitats inferiors dels éssers humans, en funció de la lesió que pateix un dels lligaments que els uneix. Per poder arribar a aquest objectiu final, en aquest treball s'ofereixen els procediments i les eines necessàries per mesurar amb precisió desplaçaments en 3 dimensions, dels components o estructures a analitzar. Aquestes eines són, principalment, dues càmeres, formant un sistema estèreo, i el sistema GOM Correlate, emprat per a calibrar les càmeres i poder determinar el desplaçament entre imatges mitjançant punts de mesura. Mitjançant un sistema mecànic format per una estructura metàl·lica i un ròtula esfèrica es simula el moviment dels ossos esmentats, amb l'objectiu d'assolir una precisió en la mesura inferior a la dècima de mil·límetre.