A system for monitoring the progress of rehabilitation of patients with musculoskeletal disorder

Abstract

The work is devoted to the development of a system for monitoring the rehabilitation process of patients with musculoskeletal disorders, as well as identifying possible postural distortions in both children and adults based on anthropometric data, which confirms the relevance and practical significance of the work during the period of military operations in Ukraine and a large number of people with musculoskeletal injuries. The paper proposes a model of a system consisting of two subsystems: a subsystem for collecting pododynamic parameters based on a dynamic baropodometric platform and a visual posture monitoring subsystem. The combination of different gait and posture analysis methods in a single system provides high diagnostic and prognostic value. The main purpose of the proposed system is to monitor the progress of patient rehabilitation using hardware and computer-optical diagnostic methods without radiation exposure with the ability to easily transport the created system, the possibility of high-precision diagnostics in real time, as well as the ability to store and analyze changes in the musculoskeletal system over time. For the collection and analysis of pododynamometric parameters, computer data visualization methods, methods of statistical and dynamic data analysis, and data segmentation methods were used. To collect and analyze anthropometric parameters, methods of detecting objects in the image, methods of computer classification, segmentation and image processing, methods of analyzing graphic information were used. In addition, the paper researches the influence of marker characteristics (shape, color model of representation) and lighting conditions during the acquisition of kinematic parameters on the accuracy of marker detection for further determination of the angles of the pelvis and shoulder line.

Робота присвячена розробці системи контролю процесу реабілітації пацієнтів із вадами опорно-рухового апарату, а також виявленню можливих викривлень постави, як у дітей, так і у дорослих на основі антропометричних даних, що підтверджує актуальність та практичну значущість роботи у період військових дій на території України та великої кількості людей із травмами опорно-рухового апарату. В роботі запропонована модель системи, яка складається з двох підсистем – підсистема збору пододинамометричних параметрів на основі динамічної бароподометричної платформи та підсистема візуального моніторингу постави. Поєднання різних методів аналізу ходи та постави у єдиній системі дозволяє забезпечити високу діагностичну та прогностичну цінність роботи. Основною метою запропонованої системи є моніторинг прогресу реабілітації пацієнтів за допомогою методів апаратної та комп'ютерно-оптичної непроменевої діагностики із можливістю легкого транспортування створеної системи, можливістю високоточної діагностики в режимі реального часу, а також можливістю збереження та аналізу змін опорнорухового апарату протягом часу. Для збору та аналізу пододинамометричних параметрів використані методи комп'ютерної візуалізації даних, методи статистичного та динамічного аналізу даних, методи сегментації даних. Для збору та аналізу антропометричних параметрів використані методи виявлення об'єктів на зображенні, методи комп’ютерної класифікації, сегментації та обробки зображень, методи аналізу графічної інформації. Крім того, у роботі проведено дослідження впливу характеристик маркерів (форма, кольорова модель представлення) та освітлення при реєстрації кінематичних параметрів на точність детектування маркерів для подальшого визначення кутів нахилу ліній тазу та плечей.