Differentiable Biomechanics for Markerless Motion Capture in Upper Limb Stroke Rehabilitation: A Comparison with Optical Motion Capture

要約

生体力学モデリングと組み合わせたマーカーベースの光学モーション キャプチャ (OMC) は、人間の動きの運動学を測定するための最も正確かつ正確な方法と現在考えられています。
ただし、微分可能な生体力学モデリングとマーカーレス モーション キャプチャ (MMC) を組み合わせることで、臨床現場でのモーション キャプチャへの有望なアプローチが提供され、同期 Web カメラなどの最小限の機器とデータ収集の労力のみが必要になります。
この研究では、上肢の動きの質を評価するために推奨される機能的課題である飲酒課題を実行した脳卒中患者15名を対象に、生体力学的にモデル化されたMMCおよびOMCデータからの重要な運動学的結果を比較しています。
高い相関関係（大部分の運動軌道の中央値 r が 0.95 以上）と、関節角度 0.04 m/s で 2 ～ 5 度の範囲の中央値 RMSE 値によって示されるように、MMC と OMC の間の運動軌道の高いレベルの一致が観察されました。
エンドエフェクターの速度は 6 mm、胴体変位は 6 mm。
OMC と MMC 間のトライアル間のバイアスは参加者セッション内で一貫しており、四分位間のバイアス範囲は関節角度で約 1 ～ 3 度、エンドエフェクター速度で 0.01 m/s、体幹変位で約 3 mm でした。
私たちの調査結果は、腕追跡用の MMC がマーカーベースの方法の精度に近づいていることを示しており、臨床現場での使用の可能性を裏付けています。
MMC は、脳卒中患者の動作リハビリテーションに関する貴重な洞察を提供し、リハビリテーション戦略の有効性を高める可能性があります。

要約(オリジナル)

Marker-based Optical Motion Capture (OMC) paired with biomechanical modeling is currently considered the most precise and accurate method for measuring human movement kinematics. However, combining differentiable biomechanical modeling with Markerless Motion Capture (MMC) offers a promising approach to motion capture in clinical settings, requiring only minimal equipment, such as synchronized webcams, and minimal effort for data collection. This study compares key kinematic outcomes from biomechanically modeled MMC and OMC data in 15 stroke patients performing the drinking task, a functional task recommended for assessing upper limb movement quality. We observed a high level of agreement in kinematic trajectories between MMC and OMC, as indicated by high correlations (median r above 0.95 for the majority of kinematic trajectories) and median RMSE values ranging from 2-5 degrees for joint angles, 0.04 m/s for end-effector velocity, and 6 mm for trunk displacement. Trial-to-trial biases between OMC and MMC were consistent within participant sessions, with interquartile ranges of bias around 1-3 degrees for joint angles, 0.01 m/s in end-effector velocity, and approximately 3mm for trunk displacement. Our findings indicate that our MMC for arm tracking is approaching the accuracy of marker-based methods, supporting its potential for use in clinical settings. MMC could provide valuable insights into movement rehabilitation in stroke patients, potentially enhancing the effectiveness of rehabilitation strategies.

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