Современные методы анализа локомоции лошадей посредством применения инновационных технологий

Анализ движения лошадей использовался в ветеринарных исследованиях для измерения нормальной и патологической походки лошадей с конца 19 века. Многие из ранних исследований включали захват движущихся изображений в двух измерениях, и эти методы до сих пор широко используются в полевых исследованиях и клинической практике. В последнее время более продвинутые методы, используемые в медицине человека, были приняты для измерения силы и оцифровки движения в 3 измерениях, наряду с другими аспектами локомоции у лошадей.

Историческая справка

В конце 19 века первые кинокамеры зафиксировали походку движения в более быстром темпе, как у людей, так и у животных. В 1877 году Мейбридж продемонстрировал, используя множественный ряд фотографий, что, когда лошадь движется быстрой рысью, наступает момент, когда все ноги животного отрываются от земли. Ему потребовалось 5 лет, чтобы разработать возможности для захвата этих движений с помощью серии однообъективных камер.

20-й век ознаменовался разработкой систем, способных проводить автоматизированный и полуавтоматический компьютерный анализ движения с использованием методов идентификации маркеров. Как аппаратное, так и программное обеспечение, используемое в этих системах, быстро развивалось за последние 10 лет, и теперь можно использовать большое разнообразие различных методов для отслеживания движения в двухмерных (2-D) или трёхмерных (3-D) проекциях. Большинство систем используют отслеживание на основе изображения или оптического сигнала с помощью одной или нескольких камер на приёмники для записи изображения/сигнала. Все эти системы требуют калибровки в привязке к интересующему объёму, а количество камер или приёмников, используемых системой, и их возможности будут влиять на точность записываемых измерений. Популярность систем анализа движения в ветеринарных исследованиях очевидна, так как позволяет следить за динамикой развития животного или для раннего выявления повреждений, которые могут привести к хромоте лошади.

Вторая половина 20-го века также ознаменовалась появлением других методов регистрации движения, включая такие измерительные приборы, как акселерометры и электрогониометры, которые внесли свой вклад в наши современные знания о движении. Однако эти системы редко использовались в ветеринарии из-за дороговизны и проблем адаптации программного обеспечения. Те модели, которые в основном создавались для двуногих мыслящих существ, оказалось очень сложно применить к лошадям. Ветеринарные колледжи по всему миру в настоящее время уже почти не используют эту технологию, хотя она все ещё является развивающейся областью исследований.

Особенности исследований 

Любая серьёзная лаборатория анализа движения для лошадей обычно содержит несколько единиц оборудования. Первый обычно представляет собой набор инфракрасных камер, по крайней мере, в наборе должно присутствовать минимум две камеры, но чаще используются пять или более, в зависимости от сложности используемой биомеханической модели. Данные собираются со скоростью, варьирующейся от 50 до 1000 кадров в секунду, в зависимости от скорости выполнения операции.

Для таких действий, как анализ походки при небыстрой ходьбе, требуется только частота фиксации кадров у камеры 50 кадров в секунду, но для анализа действий на рыси, галопе или в прыжке, требуется более высокая скорость для получения достоверных данных, поскольку угловые скорости, задействованные в этих действиях, намного выше. Типичное пространство для объёмного захвата движения состоит из области, в которой данные могут быть считаны двумя или более инфракрасными камерами. На лошадь крепятся светоотражающие метки, фиксируемые к телу в заранее определённых точках, которые будут использоваться для расчёта точек в разный момент движения. Для создания локальной системы координат на сегмент тела требуется не менее 3 маркеров. Эти маркеры могут быть размером от 1 мм до 25 мм, они достаточно лёгкие и их легко поправить/заменить, если они сместятся.

Обычно, чем больше маркер, тем лучше их фиксирует оптическая камера, но большие размеры могут мешать наблюдаемому движению, и может быть трудно различить несколько больших маркеров, прикреплённых к небольшим сегментам тела. Когда лошадь движется по сегменту площади, в котором производится захват движения, инфракрасный свет, излучаемый камерами, отражается от маркеров и попадает обратно в объектив камеры, воздействуя на светочувствительную пластину, которая создаёт видеосигнал. Компьютеры собирают эти сигналы и определяют положение каждого маркера в трёхмерной проекции пространства. Эти системы также можно использовать в полевых условиях с активными (светоизлучающими) маркерами, но провода от маркеров к управляющему устройству должны быть прикреплены к лошади, что не очень удобно.

Если система с маркерами становится непрактичной, например, камеры нельзя разместить рядом на беговой дорожке или на ипподроме, можно использовать специальную видеосистему. Несколько быстродействующих видеокамер на штативах собирают данные, которые передают данные на компьютер. Позже точки могут быть помечены вручную или автоматически, а затем рассчитаны нужные углы. Но точность при таком методе может пострадать. Есть ещё фактор ограничения, так как реально самый большой объем, который может быть захвачен составляет примерно 10 кубических метров.

Существуют ещё системы, универсальность методов которых исключительна. Для полевых работ всё чаще используются системы захвата движения MOCAP, основанные на сигналах объёмных IMU-датчиков. Часто для десятка датчиков требуется всего только один приёмник. Тем более, что они имеют маленькие размеры и автономное питание, а поэтому у этих систем датчики прикрепляются к телу лошади без использования каких-либо проводов. Этот факт не ограничивает их использование при более быстром аллюре. Точность показаний каждого датчика такой системы имеет погрешность всего 0,3 мм и 0,02 градуса для измерения расстояния и угла соответственно.

Измерения, полученные с помощью систем анализа движения, включают смещения сегментов, углы соединения и их производные (скорость и ускорение). Эти данные по своей сути включают ошибки, которые записываются вместе с реальным движением, и эти ошибки удаляются с помощью фильтров. Обычно для фильтрации данных о движении лошадей используются цифровые фильтры нижних частот (такие как фильтры Баттерворта), анализ Фурье или сплайны.

Частоты, содержащиеся в записанном измерении, будут зависеть от скорости перемещения, частоты захвата и присутствующих систематических и случайных ошибок. Фильтры обычно применяются к помеченным данным маркера или вычисленным данным смещения, чтобы удалить ошибки перед вычислением любых производных, поскольку ошибки усиливаются во время вычислений скорости и ускорения, если они ранее не были удалены.

Технологии и оборудование 

Вместе с системой анализа движения многие лаборатории теперь оснащены другим коммерчески доступным дополнительным оборудованием. Одна или несколько силовых платформ могут быть встроены в дорожку или измерительный объем для сбора сил реакции грунта вместе с синхронизированными данными о движении, на основе которых можно оценить задействованные мышечные силы лошади. Мышечная активность может быть измерена во время движения с помощью электромиографии, а переходный толчок может быть измерен при ударе ноги с помощью акселерометрии. При нынешних технологиях, для определения положения стопы или распределения давления под стопой можно использовать прижимные коврики. Кроме того, в ветеринарных университетах уже появляются прототипы оборудования для ответа на более сложные вопросы, такие как ультразвуковое оборудование, разработанное для оценки растяжения сухожилий.

Кинематический или двигательный анализ походки - это мощный инструмент, который можно использовать для измерения моделей движений во время походки и других видов движения, включая прыжки. Поскольку оптические системы трёхмерного анализа движений очень дороги и требуют обширной подготовки для использования, в ветеринарной литературе имеется ограниченная информация об этих методах трёхмерного анализа походки. 2-D системы менее дороги и поэтому пока более распространены в клиническом анализе для изучения движений в сагиттальной плоскости (сгибания и разгибания конечностей). На сегодняшний день они более широко используются в лабораторных и полевых исследованиях локомоции лошадей, но поскольку вращения суставов не ограничиваются сгибанием и разгибанием, в некоторых исследованиях может быть полезно проанализировать трёхмерные движения.

Самыми недорогими и эффективными, на сегодняшний день, стали системы захвата движения motion capture на IMU-датчиках. Каждый такой датчик представляет собой инерциально-измерительное устройство, состоящее из 3-осевого гироскопа, 3-осевого акселерометра и 3-осевого магнитометра. Эти инструменты активно используются уже не первый год в спорте высоких достижений, оцифровке движений персонажей в видеоиграх, кино, анимации и много где ещё. Кроме того, дополнительное время и усилия, необходимые для полного преобразования видео и трёхмерного анализа, при оптическом методе, являются существенными и могут быть неоправданно дорогими. При использовании системы захвата движения mocap, треккеры (датчики) быстро устанавливаются, калибруются и не требуют каких-то особенных условий для отслеживания. К тому же, могут использоваться на некотором значительном расстоянии от самой лошади, не отвлекая её внимание от выполнения привычных действий.

Как правило, в комплекте к каждому комплекту системы поставляется специальное программное обеспечение, позволяющее быстро калибровать изначальное положение сенсоров и впоследствии программными методами производить фильтрацию сигналов от иногда возникающих радио-магнитных помех или корректируя небольшое смещение облака точек в объёме пространства. Надо учитывать ещё неоспоримые плюсы того, что автономное питание сенсорных IMU датчиков позволяет им работать от 3-х до 8 часов (причём пока одни датчики задействованы – другие могут заряжаться).

Ну и ещё одним плюсом может являться то, что при необходимости, частота приёма положения каждого датчика в пространстве может производиться с частотой до 240 Гц (кадров в секунду). Правда при большой необходимости такое быстродействие излишне, так как потом надо будет задействовать значительное время для обработки больших файлов с данными. Тем не менее, при необходимости можно выставить практически любую необходимую частоту работы системы - диапазон нижней и верхней границы частот всегда приводится в характеристиках системы захвата движения, как важнейший параметр.