Plug-In Gait Miembro Inferior

En este manual se explica el proceso que se debe de seguir para capturar la marcha de un sujeto utilizando el modelo de Plug-in-Gait que se encuentra en software de Nexus del sistema Vicon.

En primer lugar, se enciende la computadora donde se va a realizar la adquisición de datos. Posteriormente se enciende el POE con ayuda del interruptor que se encuentra en la parte posterior del equipo. Si son cámaras Vantage, y el PoE es de 16 puertos es importante asegurarse que cada una de las cámaras se encuentran conectadas por medio de un cable de Ethernet al POE y que esten en forma de “L” como se muestra en la Figura 1. Las cámaras Vero no tienen este requisito.

Figura 1. Conexión de las cámaras al POE, los cuadros rojos representan un cable de Ethernet conectado para cada cámara

Si el sistema cuenta con un dispositivo Vicon Lock, se puede observar el mismo no tiene un cable propio para conectarse a la corriente, ya que la adquiere directamente del POE, por lo que debemos de asegurarnos que esté conectado al POE y que a su vez un cable de red conecte al POE con la computadora.

Una vez que la computadora se encuentra encendida se abre el software de Vicon Nexus que se encuentra en el escritorio al hacer doble clic sobre el ícono.

Revisión del sistema

En esta etapa se revisará que todas las cámaras se encuentren conectadas al sistema y que estén grabando, para ello nos dirigimos a la pestaña de System en la ventana de Resources que se encuentra en el extremo izquierdo de la pantalla principal. Una vez que nos encontramos en dicha ventana, hacemos clic sobre el botón que dice Go Live que aparece en la parte superior (de modo que el botón quede con el nombre de Go Offline). Posteriormente, hacemos clic sobre la flecha que aparece a la izquierda del rótulo Local Vicon System, al igual que en la de Vicon Cameras, al realizar dicha acción aparecerá un árbol con el nombre de las cámaras que se encuentran conectadas al sistema (Figura 7). Cada una de ellas deberá de aparecer en verde (lo cual indica que están conectadas y listas para grabar).

Figura 7. Ventana en la que se muestra cada una de las cámaras del sistema.

Calibración

El proceso de calibración consiste en preparar el entorno de captura (determinar la posición, orientación y propiedades de los lentes de cada cámara) para asegurar que la adquisición se haga de manera precisa. Antes de iniciar la calibración se recomienda que se muestre la visión de las cámaras de manera simultánea en pantalla, para ello se seleccionan todas las cámaras en la ventana Resources y se accede a la opción de Camera que se encuentra dentro del menú desplegable en el extremo superior izquierdo de la ventana central.

Figura 8. Configuración de vista de cámaras para realizar la calibración.

Todo el proceso de calibración se hará en la pestaña de System Preparation de la ventana Tools que se encuentra en el extremo derecho de la pantalla principal y se seguirán los pasos de manera consecutiva (Figura 9). Es importante asegurarse que el sistema se encuentre en modo conectado Go Live.

Figura 9. Ventana en la que se realizará la calibración de las cámaras.

Enmascarar cámaras

Este paso se hará en el apartado de Mask Cameras y se encargará de eliminar todos los brillos no deseados que la cámara detecta (deberá de asegurarse de que el volumen de captura se encuentre libre de marcadores u objetos innecesarios para la adquisición). Para ello se hará clic sobre el botón de Start, esto generará que en cada una de las vistas de las cámaras aparezcan pixeles en color azul (Figura 10), que corresponden a cada uno de los brillos eliminados, una vez pasados 30 segundos se debera de presionar el botón Stop.

Figura 10. Enmascaramiento de cámaras.

Calibrar cámaras

Este paso se hará en el apartado de Calibrate Cameras y se encargará de definir el volumen de trabajo. Este paso requiere el uso de la varita (Figura 11), pues durante el proceso alguien (libre de marcadores) deberá de caminar alrededor del volumen de captura moviendo la varita en forma de infinitos. Una vez que todo está listo, se debe presionar el botón Start y la persona que calibrará deberá de caminar alrededor del volumen de captura ondeando la varita (dibujando ochos).

Figura 11. Varita

Al hacer esto se iniciarán dos procesos simultáneamente, en la ventana central comenzarán a aparecer patrones similares a arcoíris cuando cada cámara observe las luces infrarrojas de la varita, como se muestra en la Figura 12 en el extremo inferior izquierdo de cada cámara aparecerá un triángulo de color rojo, amarillo o verde que corresponde con una calibración nula, media o completa de cada cámara, segundos después de que fue completada el triángulo desaparecerá (Figura 12).

Figura 12. Pantalla central durante el proceso de calibración

Así mismo en la parte inferior de la ventana de Tools aparecerá un cuadro en donde se podrá monitorear el progreso de calibración de cada cámara (Figura 13).

Figura 13. Ventana en donde se monitorea el proceso de calibración de las cámaras.

Continúe ondeando la varita frente a las cámaras hasta que la última cámara registra la información mínima necesaria y desaparecen los triángulos de la vista de cada cámara. Si la opción de Auto Stop esta seleccionada en las propiedades de Calibrate Cameras, el proceso de calibración parará automáticamente. Si no, hay que hacer clic en el botón Stop.

Figura 14. Configuración para que la calibración se detenga automáticamente cuando se terminó el proceso.

Fijar el origen del volumen

Esta etapa consiste en definir tanto el origen de volumen de captura como el eje coordenado X, Y, y Z del volumen, de modo que cuando se haga la captura, todas las mediciones se hagan con base en este sistema. Para ello se sugiere cambiar del modo Camera a 3D Perspective al elegir esta opción en el menú desplegable en el extremo superior izquierdo de la ventana central. Posteriormente, se debe colocar la varita en la posición en donde se desea definir el origen y en la orientación adecuada de acuerdo con cómo se espera construir el eje coordenado (es importante recordar que el segmento del mango define hacia donde se extenderá el eje Y positivo, el segmento perpendicular más largo define el eje X positivo y el eje Z positivo se establecerá perpendicular al plano X-Y apuntando hacia el techo tal como se muestra en la Figura 15). Una vez colocada se presionará el botón de Start correspondiente a la sección de Set Volume Origin en la pestaña de Set Volume Origin dentro de la ventana Tools. Esto permitirá que la cuadrícula del piso se alinee con el plano X-Y y que las cámaras se muestren en la perspectiva 3D tal como se encuentran en el entorno físico.

Figura 15. Eje coordenado con respecto a la Varita

Creación de la base de datos

En esta sección se creará el árbol de carpetas en donde se almacenará la información recopilada en cada uno de los ensayos. La creación de la base de datos se hace en la pestaña de Data Management dentro de la ventana de Communications, la cual se encuentra en la parte inferior de la pantalla principal tal como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Ventana Communications en donde se creará el árbol de carpetas.

Una vez que la identificamos dicha pestaña, nos dirigimos al ícono que aparece en la parte superior izquierda de dicha ventana , el cual nos permitirá definir el lugar (carpeta) en donde se almacenarán los datos adquiridos (este paso generalmente solo se hace cuando se utilizará por primera vez el sistema o se quiere modificar la carpeta en donde se almacenarán los datos, para posteriores ocasiones el Path queda predeterminado). Al hacer clic derecho sobre dicho ícono aparecerá un menú desplegable, en esta ocasión se elige la opción de Manage Eclipse Databases.

Al seleccionarlo aparecerá una ventana emergente como la que se muestra a continuación (Figura 3), en la porción superior derecha aparecerá la opción de Add New la cual nos permitirá elegir una carpeta prexistente o crear una nueva carpeta en nuestra computadora. Una vez que elegimos la localización deseada se da clic sobre el botón Aceptar. Finalmente se da clic sobre el botón de Close que se encuentra en la parte inferior de la ventana de Manage Eclipse Databases.

Figura 3. Ventana para la selección de la carpeta en donde se almacenarán los ensayos.

Una vez que se creó la carpeta de almacenamiento se iniciará con la creación del árbol de carpetas específico para cada tipo de ensayo, para ello se dará doble clic sobre el botón Create New Patient Classification que se encuentra en la parte superior de la ventana de Communications. Al seleccionarlo aparecerá en la cuadrícula una nueva fila en donde se deberá de colocar el nombre de la prueba a analizar, una vez nombrado se presiona la tecla de Enter. Para continuar se deberá acceder a la carpeta que se acaba de crear al hacer doble clic sobre la misma (Figura 4).

Figura 4. Ventana en la que se muestra la nueva clasificación que se creó.

Una vez dentro, el ícono se cambiará por Create New Patient el cual nos permitirá definir el nombre del sujeto a analizar. Al igual que en la ocasión anterior al dar clic sobre el ícono, aparecerá una nueva fila en donde se deberá definir el nombre del sujeto en cuestión. Al acceder al paciente, el ícono se cambiará a Create New Session , doble click para definir el número de sesión correspondiente. Es importante realizar este paso para habilitar los modelos con los que cuenta Nexus de manera predeterminada y los propios.

Si usted ya tiene un base de datos iniciado, se puede simplemente buscar en nivel donde quiere iniciar la creación de nuevas carpetas en el árbol para terminar en una nueva carpeta de ¨session¨ para guardar los datos de la sesión actual.

Elección del modelo biomecánico y captura de características antropométricas

Esta consiste en definir qué modelo biomecánico se utilizará para hacer el análisis, así mismo se introducirán las medidas antropométricas del sujeto de prueba, de modo que la reconstrucción del sistema se ajuste a las dimensiones de cada persona y se pueda calcular la posición del centro de cada articulación. Para ello se debe de ingresar a la pestaña Subjects que se encuentra en la ventana del extremo derecho llamada Resources (Figura 5).

Figura 5. Ventana Resources en donde se definirá el modelo a utilizar y se introducirán las medidas antropométricas del sujeto.

Una vez dentro se debe de acceder al ícono Create a new subject from a Labeling Skeleton haciendo clic sobre el mismo, esto hará que se muestre un menú en donde se encuentran tanto los modelos biomecánicos propios como los predeterminados por Nexus, en esta ocasión se accederá al que recibe el nombre de Plug-in Gait LowerBody Ai. Al seleccionarlo aparecerá una ventana emergente en donde se deberá de introducir el nombre del sujeto de prueba y hacer clic sobre el botón Ok, esto hará que el modelo aparezca en el recuadro debajo de los íconos antes mencionados. Posteriormente, se deberá de hacer clic sobre el modelo creado, lo cual hará que en la parte inferior de la misma ventana aparezca un formulario que se deberá de completar. Tal como se muestra, en la Figura 6 este formulario debe ser completado con medidas antropométricas del sujeto, aquellas que se muestran en rojo son las que se requieren de manera obligatoria, mientras que aquellas que no están resaltadas son opcionales. La adquisición de dichas medidas que hacen utilizando la cinta métrica que venía incluida en el sistema y un antropómetro y siguiendo un protocolo específico que se describe en este video.

Figura 6. Ventana en donde se introducen las medidas antropométricas del sujeto

Instrumentación del sujeto de prueba

En esta sección se debe de colocar los marcadores sobre el sujeto de prueba de acuerdo con modelo biomecánico elegido previamente. Es importante recordar que los marcadores se colocan en prominencias óseas específicas, por lo que el sujeto debe de usar ropa ajustada que de modo que al colocar los marcadores estos se mantengan fijos para que no generen artefactos de movimiento en la señal que se adquirirá. Así mismo, la ropa no deberá de contar con superficies reflectantes que puedan causar ruido al adquirirla señal.

Calibración del modelo biomecánico (Estática)

Esta tarea consiste en dar nombre a cada uno de los marcadores que integran en el modelo biomecánico elegido, de modo que el software pueda reconocer al sujeto y acoplar la información de este al modelo que se tiene predefinido. Para el modelo de Plug-in Gait se recomienda usar una calibración estática la cual requiere que el sujeto se coloque en una posición de motociclista, tal como se muestra en la Figura 16 y 17, la cual requiere que el sujeto se coloque en posición anatómica con la única diferencia de que los brazos deberán de ser extendidos lateralmente de modo que los codos queden a la misma altura que el codo y posteriormente se deberán de flexionar los codos de modo que las manos queden orientadas hacia el frente [1].

Figura 16. Posición requerida para la calibración del sujeto

Figura 17. Posición requerida para la calibración del sujeto

Al igual que en los pasos anteriores, el sistema debe de estar en modo conectado Go Live, con la perspectiva 3D 3D Perspective. Se deberá asegurar que en la pestaña de Subjects de la ventana Resources únicamente se encuentra seleccionado el sujeto que se va a calibrar (debe mostrar una palomita en el recuadro que se muestra al lado izquierdo del nombre del sujeto Figura 18).

Figura 18. Selección del sujeto a calibrar

A si mismo debe aparecer en el menú desplegable el nombre del sujeto en la pestaña de Subject Preparation de la ventana Tools (Figura 19).

Figura 19. Selección del sujeto a calibrar desde la ventana Tools.

Una vez completados los pasos mencionados anteriormente se le pedirá al sujeto de prueba que se coloque en el centro del volumen de captura en la posición de motociclista de modo que Nexus sea capaz de nombrar automáticamente cada una de las trayectorias clave. Para corroborar que nuestro sujeto está colocado correctamente podemos desplegar el modelo de un sujeto en la posición de motociclista a la par del modelo en tiempo real (Figura 20), para ello se accede al botón de Split the current view vertically en la parte superior derecha de la ventana central y seleccionar la opción de Subject Viewer en el menú desplegable en el lado superior izquierdo de la ventana emergente (al terminar cerrarla con el botón en la parte superior).

Figura 20. Modelo de motociclista a la par de modelo en tiempo real del sujeto.

Así mismo para corroborar que todos los marcadores están siendo capturados verifica que el número de marcadores que aparecen en la ventana central coincide con el número de marcadores que aparece al desplegar el árbol correspondiente al sujeto que vamos a calibrar (ventana Tools), en total son 16 marcadores para el Plug-in Gait LowerBody tal como se muestra en la Figura 21.

Figura 21. Marcadores correspondientes a el modelo de Plug-in Gait LowerBody.

Posteriormente, vamos a presionar el botón de Start que se encuentra en la pestaña de Subject Preparation dentro de la ventana Tools; en la parte inferior del botón aparecerá un contador de cuadros capturados Frames captured, cuando este llegue a 1000 presionar el botón Stop.

Una vez capturado el sujeto se realizará la reconstrucción (creación de una imagen en 3D a partir de los marcadores) y etiquetado del mismo, para ello se debe de correr el pipeline de Reconstruct y después el de Auto Label que aparecen en la barra de herramientas en la parte superior de la pantalla. En caso de que alguno no se encuentre visible se debe acceder a la pestaña de Pipeline de la ventana de Tools, una vez dentro elegir la opción Reconstruct o Auto Initialize Labeling dentro del menú desplegable llamado Current Pipeline en la parte central de la ventana y presionar el botón de Play tal como se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Ejecución de los Pipelines Reconstruct y Auto Initialize Labeling

Una vez finalizada la etiquetación del sujeto presionar el botón de guardar que se encuentra en la parte superior izquierda de la barra de herramientas .

Se recomienda verificar que las operaciones se hayan realizado correctamente, para ello se deberá revisar que cada uno de los marcadores se interconecten adecuadamente por medio de una barra y que estas sean de color rojo en el lado izquierdo y en el lado derecho sean verdes; o bien se puede acceder a la pestaña de Quality en la ventana Communications en donde se muestran detalles de la reconstrucción (Figura 23 y 24).

Figura 23. Revisión de la reconstrucción a partir del modelo

Figura 24. Revisión de la reconstrucción de la pestaña Quality.

Finalmente, para terminar la calibración se deberá ejecutar el pipeline de Plug-in Gait Static al cual se puede acceder en la ventana de Tools. Antes de correrlo se debe de asegurar que únicamente esté seleccionada la opción de Process Static Plug-in Gait Model (Figura 25).

Figura 25. Selección del pipeline desde ventana Tools.

Una vez realizado deberán de aparecer sistemas de coordinadas de colores azul, rojo y verde, en cada segmento corporal (Figura 26), además de que en la opción de Model Outputs dentro de la sección Model Outputs (en el árbol desplegable del sujeto dentro de la ventana Resources) deberá de aparecer todas las variables que se podrán calcular al realizar un modelo cinemático (Figura 27).

Figura 26. Modelo con volúmenes alrededor de cada segmento corporal

Figura 27. Variables que se calcularán durante la captura.

Captura de movimientos

Esta etapa consistirá en capturar el movimiento del sujeto en cuestión, es importante recordar que la captura se puede hacer manual o bien se puede programar para que ciertos parámetros externos determinen cuando iniciará y acabará la captura.

Para cualquier se forma de captura se deberá de cambiar al modo Go Live, asegurarse que la ventana central esté en modo 3D Perspective e ingresar a la pestaña de Capture en la ventana de Tools (Figura 28).

Figura 28. Pestaña de Capture que se utilizará para capturar el movimiento.

Dentro de esta pestaña se deberá de dar un nombre al ensayo en el recuadro de Trial Name y se deberá de asegurar que al menos los recuadros de Device Data y Optical Camera Data dentro de la sección Data Source Setup estén activos (en caso de ocupar una cámara de video también el recuadro de Video Camera deberá de estar activada).

En caso de querer realizar una captura limitada en tiempo por software se debe de establecer los parámetros en la sección de Auto Capture Set-Up (Figura 29), si no se debe de omitir este paso.

Figura 29. Configuración de captura automática.

Una vez que todo fue configurado, se deberá de presionar el botón de Start localizado en la parte inferior de la ventana Capture. En este momento el sujeto deberá de comenzar a realizar el movimiento deseado y cuando este finalice se deberá de presionar el botón Stop para detener la captura. Si se desea hacer una nueva captura se puede hacer clinc en Start ortra vez para iniciar la siguiente captura y seguir así hasta que tengas todos los datos deseados capturados.

Procesamiento de captura dinámica

Reconstrucción y etiquetado de captura dinámica

Este paso se encargará de realizar la reconstrucción y etiquetado del movimiento capturado.

En primer lugar, se deberá de cambiar a modo Offline. Posteriormente se deberá de seleccionar el ensayo que se desea procesar, para ello se deberá de seleccionar de la pestaña Data Management dentro de la ventana Communications. Finalmente se deberá de ejecutar el pipeline Reconstruct and Label que se encuentra en la barra de herramientas o directamente desde la pestaña Pipeline.

Corte de la sección de información útil

Esta etapa consiste en retirar las porciones de captura en las cuales el sujeto no se encontraba totalmente dentro del volumen de captura.

Si no tiene el sistema configurado para recortar la prueba automáticamente, se puede hacer de manera manual con arrastrar los triángulos localizados en la parte arriba de cada esquina de la barra de tiempo.

Figura 31. Ajuste de tiempo que se tomará de la totalidad de la captura.

Proceso para completar huecos de información

Este paso consiste completar aquellos huecos de información que se generaron debido a que las cámaras no lograron captar la trayectoria de un marcador en cierto periodo de tiempo. Se puede encontrar una lista resumiendo cualquier hueco de información en la ventana de Label/Edit, cuarto botón en la parte arriba de la venta de Tools que se encuentre en el lado derecho del software. Si existe cualquier hueco, aparece en la parte de la ventana que se llama Gap Filling.

Se puede llenar cualquier hueco con uno de los 5 tipos de relleno (Spline, Pattern, Rigid Body, Kinematic, o Cyclic), según lo que es más apropiado para el tamaño, forma, y posición en el cuerpo del hueco.

Fin de Procesamiento

Finalmente, para terminar el procesamiento de la prueba dinámica de movimiento, se deberá ejecutar el pipeline de Plug-in Gait Dynamic al cual se puede acceder en la ventana de Tools - Pipeline.

Una vez terminado el procesamiento de la captura se podrá observar que Nexus le ha agregado al sujeto nuevas líneas (Azul, Verde y Rojo) representando el procesamiento de los segmentos del modelo y los ejes de cada uno (Figura 32).

Figura 32. Visualización de la captura una vez realizado el procesamiento.

Visualización de la captura de manera gráfica

Una vez que se terminó el procesamiento de la captura dinámica se podrá visualizar de manera gráfica, diversos parámetros relacionados con la captura, como la posición, velocidad o aceleración de un marcador en los ejes X, Y y, Z a lo largo del tiempo, la distancia de algún marcador con respecto al origen, el ángulo entre marcadores, etc. Para ello se recomienda dividir la pantalla central con ayuda del icono Split the current view horizontally que se encuentra en la parte superior derecha de la ventana central. En la nueva ventana se elegirá la opción de Graph desde el menú desplegable que se encuentra en la esquina superior izquierda de la misma.

En esta ocasión se mostrará como ver la posición de un marcador con respecto al tiempo, para ello se seleccionará el marcador deseado desde la ventana central que se encuentra en el modo de 3D Perspective, tal como se muestra en la Figura 33.

Figura 33. Selección del marcador de interés

Posteriormente se elegirá la variable que se quiere observar graficada en el segundo menú desplegable (de izquierda a derecha) en la esquina superior izquierda de la ventana nueva, en esta ocasión se elegirá la opción que dice Components. Como se puede observar en la Figura 34 la trayectoria del marcador en el espacio tridimensional se gráfica y además en la ventana central inferior se muestran las componentes X, Y y Z en el tiempo.

Figura 34. Visualización de gráficas de desplazamiento.

Para ver la cinemática o cinética calculado por el modelo PiG, se puede seleccionar los ¨Model Outputs¨ en el árbol del sujeto en la ventana Resources en el lado izquierdo de Nexus, en la pestaña Subject.

[1] Incluso cuando solo se esté realizando el modelo de la parte inferior del cuerpo, se recomienda adoptar esta posición pues de este modo todos los marcadores son visibles para las cámaras.