DE102004060602B4 - System and method for determining a movement category and its degree of manifestation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen einer Bewegungskategorie sowie deren Ausprägungsgrad, das die folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Bewegungstrajektorie (x(t)) und einer Vielzahl von Prototyptrajektorien (xn(t)), wobei jede Prototyptrajektorie jeweils einer vorgegebenen Bewegungskategorie zugeordnet ist;
Abbilden der Bewegungstrajektorie und der Prototyptrajektorien in einen Bewegungsmusterraum (BMR) hinein, wobei die Bewegungstrajektorie mittels einer gewichteten Linearkombination der Prototyptrajektorien approximiert wird, wobei der Bewegungsmusterraum (BMR) durch die Prototyptrajektorien der Vielzahl der Prototyptrajektorien aufgespannt wird;
Bestimmen von weiteren Abbildungsfunktionen, mit denen die abgebildete Bewegungstrajektorie im Bewegungsmusterraum (BMR) jeweils auf eine Kenngröße in dem Bewegungsmusterraum abgebildet wird, die durch eine der Prototyptrajektorien definiert ist, derart, dass für jede der Prototyptrajektorien jeweils eine Abbildungsfunktion bestimmt wird; und
Bestimmen eines Ausprägungsgrads der Bewegungstrajektorie für jede der vorbestimmten Bewegungskategorien anhand der Abbildungsfunktionen.Method for determining a movement category and its degree of manifestation, comprising the following steps:
Providing a motion trajectory (x (t)) and a plurality of prototype trajectories (x n (t)), each prototype trajectory being associated with a given motion category, respectively;
Mapping the motion trajectory and the prototype trajectories into a motion pattern space (BMR), where the motion trajectory is approximated using a weighted linear combination of the prototype trajectories, wherein the motion pattern space (BMR) is spanned by the prototype trajectories of the plurality of prototype trajectories;
Determining further mapping functions with which the imaged motion trajectory in the motion pattern space (BMR) is mapped to a characteristic in the motion pattern space defined by one of the prototype trajectories, such that an imaging function is determined for each of the prototype trajectories; and
Determining a degree of expressiveness of the movement trajectory for each of the predetermined categories of motion based on the mapping functions.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Bewegungskategorie sowie deren Ausprägungsgrad, insbesondere zum Bestimmen diagnoserelevanter Bewegungsstörungen infolge von Erkrankungen sowie wiederum deren Ausprägungsgrad.The The present invention relates to a system and a method for Determining a movement category and its degree of manifestation, in particular for determining diagnosis-relevant movement disorders as a result of diseases as well as their degree of manifestation.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die automatisierte Bestimmung und Schätzung diagnoserelevanter Parameter aus Trajektoriendaten, wobei die Trajektoriendaten z. B. von neurologischen und/oder anderen Patienten aufgenommen wurden. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Verfahren der Bewegungsanalyse ist die vorliegende Erfindung geeignet, komplexe, hochdimensionale subtile Veränderungen bei Bewegungen mit hoher Genauigkeit zu quantifizieren und qualifizieren.The The present invention allows automated determination and estimate diagnostic-relevant parameter from trajectory data, the trajectory data z. B. recorded by neurological and / or other patients were. Unlike most existing methods of Movement analysis, the present invention is suitable, complex, high-dimensional subtle changes to quantify and qualify for movements with high accuracy.
Eines der gängigen, existierenden Verfahren ist die sogenannte klinische Ganganalyse. Beispielsweise werden Patienten mit Parkinson-Syndrom einer solchen Ganganalyse unterzogen. Dabei lassen sich aus bloßer empirischer Beobachtung manche der Leitsymptome des Parkinson-Syndroms, etwa wie das Fehlen der physiologischen Mitbewegungen, eine gebückte Haltung, ein kleinschrittiger, zum Teil schlürfender Gang, sowie nicht beeinflussbare Bewegungsstörungen mit Fallneigungen nach vorn (Propulsion), zur Seite (Lateropulsion) oder nach hinten (Retropulsion) oder ähnliches, qualitativ ohne weitere Hilfsmittel erkennen. Andere Veränderungen, z. B. bei Kleinhirnstörungen, sind subtilerer Natur und entziehen sich daher einer einfachen visuellen Beurteilung sowie der einfachen Beurteilung mittels Ganganalyse.One the common, existing methods is the so-called clinical gait analysis. For example, patients with Parkinson's syndrome become one Gait analysis. In doing so, they can be made purely empirical Observing some of the hallmarks of Parkinson's disease, such as like the lack of physiological co-movement, a stooping posture, a small step, partly sizzling walk, as well as uncontrollable movement disorders with forward inclination (propulsion), to the side (lateropulsion) or backwards (retropulsion) or the like, qualitatively without further Recognize aids. Other changes, z. In cerebellar disorders, are subtler in nature and therefore evade a simple visual Assessment as well as the simple assessment by gait analysis.
Für viele klinische Anwendungen, wie z. B. bei der Einstellung der Medikation oder der Beurteilung des Erfolgs von Behandlungsmaßnahmen, ist zudem die rein qualitative Beurteilung von Bewegungsveränderungen nicht ausreichend. Statt dessen ist eine genaue Quantifizierung des Grades der Bewegungsstörung wünschenswert.For many clinical applications, such as B. in the setting of the medication or the assessment of the success of treatment measures, is also the purely qualitative assessment of movement changes unsatisfactory. Instead, there is an exact quantification the degree of movement disorder desirable.
Zu den weiteren Krankheiten, die Bewegungsstörungen hervorrufen können, zählt u. a. auch die Apoplexie, die auch unter dem umgangssprachlichen Begriff „Schlaganfall" bekannt ist. Hierbei handelt es sich um eine intrazerebrale Massenblutung, die sich in Form ausgeprägter motorischer Lähmung äußern kann.To the other diseases that can cause movement disorders, u. a. also the apoplexy, which is also known by the colloquial term "stroke" It is an intracerebral mass bleeding, which manifests itself in the form of pronounced motor Can express paralysis.
Ferner können die oben erwähnten Kleinhirnstörungen besonders ausgeprägte Bewegungsstörungen hervorrufen.Further can the ones mentioned above Cerebellar disorders particularly pronounced Cause movement disorders.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich jedoch nicht nur die beiden oben genannten durch Krankheiten hervorgerufenen Bewegungsstörungen untersuchen. Es versteht sich, dass es noch eine Vielzahl von weiteren, anderen Ursachen für Bewegungsstörungen gibt. Auch lassen sich nicht nur Bewegungsstörungen untersuchen, die durch eine Krankheit hervorgerufen sind, sondern auch bloße Abweichungen von normalen Bewegungsabläufen, wie z. B. bei altersbedingten Variationen oder Leistungsvariationen bei sportlicher Aktivität.With However, not only the two can be achieved by the present invention examine the above-mentioned disease-related movement disorders. It is understood that there are a lot of others, others Reasons for movement disorders gives. It is not only possible to examine movement disorders caused by disease, but also mere deviations from normal movements, such as For example, age-related variations or performance variations during sports activity.
Beim Erkennen solcher Bewegungsstörungen hilft u. a. die oben genannte Ganganalyse weiter, bei der ein Patient auf einem Laufband geht. Neben einem kleinschrittigen, vorne übergebeugten Gang fallen bei Parkinson-Patienten fällt das fehlende Mitpendeln der Arme – typischerweise zunächst einseitig – und die mangelnde Standfestigkeit auf. Stößt man einen Betroffenen vorsichtig an, so können sie sich nur mit Mühe auf den Beinen halten. Im Verlauf der Erkrankung führt dies auch zu einer deutlich erhöhten Fallneigung. Oft klagen die Patienten auch darüber, dass es ihnen schwer fällt, sich aus einem Sessel zu erheben oder sich nachts im Bett umzudrehen. Später kommt häufig eine „Starthemmung" beim Loslaufen hinzu. Die Parkinson-Patienten „kleben" beim Laufen förmlich mit den Füßen auf der Erde oder können plötzlich nicht mehr weiterlaufen („freezing").At the Recognition of such movement disorders helps u. a. the above gait analysis continues in which a patient goes on a treadmill. In addition to a small step, bent over in front Gang fall in Parkinson's patients falls the lack of commuting the arms - typically first one-sided - and the lack of stability on. If you push an affected person carefully on, so can they are only with difficulty keep on his feet. In the course of the disease, this leads also significantly increased Tendency to fall. Often, patients also complain that they find it difficult to get themselves to get out of a chair or to turn in bed at night. Later comes often add a "start inhibition" when running away. Parkinson's patients "stick" while walking on the feet the earth or can suddenly stop running ("freezing").
All diese Situationen lassen sich mit der Ganganalyse nur schwer untersuchen. Lediglich in einigen Fällen ist die klassische Ganganalyse hilfreich für das Erkennen von Bewegungsstörungen. Hingegen manifestieren sich Bewegungsstörungen oft auch in anderen Situationen, die mit der normalen Ganganalyse nicht analysiert werden können.Alles These situations are difficult to study with gait analysis. Only in some cases Classic gait analysis is useful for detecting movement disorders. On the other hand, movement disorders often manifest themselves in others Situations that are not analyzed by normal gait analysis can.
Die vorliegende Erfindung erleichtert die Analyse solcher Situationen, da sie nicht an ein fest vorgegebenes Schema gebunden ist. Die Testperson kann sich frei bewegen.The present invention facilitates the analysis of such situations because it is not bound to a fixed scheme. The subject can move freely.
Neben subjektiver Experteneinschätzung beruht die Einstufung (neurologischer) Bewegungsstörungen in der Praxis auf relativ einfachen qualitativen oder quantitativen Kriterien, wie z. B. Fragebögen mit Ratingskalen für einfach zu erkennende Bewegungseigenschaften. In solchen klinischen Fragebögen (UPDRS oder ICARS (Fhan & Elton, 1987; Van Hilten et al. 1994; Trouillas et al. 1997)) sind einige Kriterien standardisiert.In addition to subjective expert assessment, the classification (neurological) movement disorders in practice based on relatively simple qualitative or quantitative criteria, such. B. Questionnaires with Ra tingskalen for easy-to-recognize movement characteristics. In such clinical questionnaires (UPDRS or ICARS (Fhan & Elton, 1987, Van Hilten et al 1994, Trouillas et al., 1997)) some criteria are standardized.
Die meisten existierenden klinischen Ansätze für eine genauere Quantifizierung von Bewegungsstörung beruhen entweder auf relativ einfachen, heuristisch gewählten Parametern, wie Schrittlänge, Kadenz oder Geschwindigkeit (z. B. Ebersbach & Poewe, 2001, „Simple Assessments of Mobility. Methodology and Clinical Application of Kinatic Gait Analysis" Adv Neurol 87, 101–110) oder auf Parametern, wie Schritthöhe und Variabilität oder den Winkelamplituden verschiedener Gelenke.The Most existing clinical approaches for more accurate quantification of movement disorder are based either on relatively simple, heuristically chosen parameters, like stride, Cadence or speed (eg Ebersbach & Poewe, 2001, "Simple Assessments of Mobility. Methodology and Clinical Application of Kinatic Gait Analysis "Adv Neurol 87, 101-110) or on parameters, such as step height and variability or the angular amplitudes of different joints.
Subtile Veränderungen der raumzeitlichen Struktur komplexer Bewegungen, wie sie z. B. durch Koordinationsstörungen induziert werden, können auf diese Weise gar nicht oder nur sehr unzureichend detektiert und quantifiziert werden.subtle changes the spatiotemporal structure of complex movements, such as B. through coordination disorders can be induced in this way not at all or only inadequately detected and be quantified.
Ferner existieren einige wenige Ansätze, bei denen Bewegungsstörungen unter Anwendungen von Verfahren aus dem Bereich des Maschinenlernens analysiert werden.Further exist a few approaches, in which movement disorders under applications of methods in the field of machine learning to be analyzed.
Beispielsweise wurde versucht, Bewegungsstörungen anhand von Videosequenzen zu klassifizieren. Zu diesem Zweck wird ein artikuliertes Menschenmodell an Videosequenzen angepasst. Aus den geschätzten Gelenkwinkeltrajektorien werden dann mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse Merkmale extrahiert, die als Basis für die Klassifikation dienen (Chang et al., Computer Analysis of Gate for Diagnosing Movement Disorders, J. Disability and Rehab 22, Seiten 97–108).For example was trying to movement disorders classify using video sequences. For this purpose will be an articulated human model adapted to video sequences. Out the estimated joint angle trajectories are then extracted using a principal component analysis features as the basis for serve the classification (Chang et al., Computer Analysis of Gate for Diagnosing Movement Disorders, J. Disability and Rehab 22, p 97-108).
Bei anderen Ansätzen wurden Bewegungsmuster, die in Alltagssituationen auftreten, online mit Beschleunigungssensoren erfasst. Mit Hilfe von neuronalen Netzen wurden dort die Beschleunigungssensorsignale, nach Extraktion geeigneter Merkmale im Frequenzraum, auf klinisch interpretierbare Parameter abgebildet, um eine automatisierte Detektion von Dyskinesien (d. h. motorischen Fehlfunktionen) zu realisieren und damit eine Optimierung der Medikation von Parkinson-Patienten zu erreichen.at other approaches were movement patterns that occur in everyday situations, online detected with acceleration sensors. With the help of neural networks there were the acceleration sensor signals, after extraction suitable Characteristics in frequency space, on clinically interpretable parameters imaged to provide automated detection of dyskinesias (i.e. H. motor malfunctions) and thus an optimization to achieve the medication of Parkinson's patients.
Die beschriebenen Verfahren sind zwar geeignet, um signifikante krankheitsbedingte Veränderungen im Bewegungsverhalten zu detektieren. Sie ermöglichen jedoch in der Regel keine genauere Analyse der Struktur der zugrunde liegenden Veränderungen.The Although described methods are suitable for significant disease-related Changes in the To detect movement behavior. However, they usually allow no more detailed analysis of the structure of the underlying changes.
Auch ist es schwierig, veränderungsspezifische Merkmale interpretierbar zu machen oder störungsspezifische Merkmale in anschaulicher Form für Ausbildungszwecke darzustellen.Also is it difficult to change-specific Characteristics to be interpretable or disturbance specific features in vivid form for Training purposes.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren, die auf klassischen neuronalen Netzen beruhen, ist, dass diese in der Regel relativ viele Trainingsbeispiele erfordern. Dies schließt die Anwendbarkeit dieser Methoden auf relativ seltene Störungsbilder aus, für die eine Erhebung großer Trainingsdatensätze sehr schwierig ist.One Another disadvantage of the known methods, which are based on classical neural Net is based, that these are usually relatively many training examples require. This concludes the applicability of these methods to relatively rare perturbations out, for the one big survey Training records is very difficult.
Ferner
sind aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System und ein Verfahren zur verbesserten Bestimmung von Bewegungskategorien, insbesondere von Bewegungsstörungen, und deren Ausprägungsgrade bereitzustellen.It Therefore, an object of the present invention is a system and a method for the improved determination of movement categories, especially movement disorders, and their degrees of expression provide.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen einer Bewegungskategorie sowie deren Ausprägungsgrad gelöst, das die im Patentanspruch genannte Schritte aufweist. These The object is achieved by the method according to the present invention for determining a movement category and its degree of manifestation solved, having the steps mentioned in the claim.
Die obige Aufgabe wird auch durch ein entsprechend ausgebildetes System gelöst, insbesondere durch eine Datenverarbeitungsanlage, die zur Ausführung des oben genannten Verfahrens angepasst ist.The The above task is also performed by a suitably trained system solved, In particular, by a data processing system, which is used to execute the above method is adjusted.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindungen hat den großen Vorteil, dass nicht nur verschiedene Bewegungskategorien unterschieden werden können, sondern dass auch Ausprägungsgrade bestimmbar sind. Mit dem Ausprägungsgrad ist eine qualitative Aussage verbunden. Er ist Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Erkrankung bzw. Bewegungsstörung vorliegt.The Process according to the present invention Inventions has the big one Advantage that not only distinguish different categories of movement can be but that also degrees of expression are determinable. With the degree of expression is a qualitative statement connected. He is an expression of the probability with a disease or movement disorder exists.
Dies ist insbesondere bei der Beurteilung von Bewegungsstörungen in der klinischen Neurologie von Bedeutung. Dort ist es oftmals nicht möglich, subtile Veränderungen im Bewegungsstörungsbild eines Patienten mit dem bloßen Auge zu erkennen. Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich jedoch subtile Änderungen bereits detektieren.This is particularly useful in the assessment of movement disorders in of clinical neurology of importance. It is often not there possible, subtle changes in the motion disorder picture a patient with the bare one To recognize the eye. With the method according to the present invention However, subtle changes can be made already detect.
Ferner ist es bei Unkenntnis der neurologischen Ursache für die Bewegungsstörungen möglich, den Grund, d. h. die Bewegungsstörungskategorie, mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung genauer zu bestimmen. Je näher ein Abbildungspunkt einer Trajektorie im Bewegungsmusterraum zu dem einer Prototyptrajektorie entsprechenden Punkt im Bewegungsmusterraum liegt, desto wahrscheinlicher ist das Vorliegen des Krankheitsbilds, dass diesem Prototyp entspricht bzw. zugeordnet ist.Further if ignorance of the neurological cause of the movement disorders is possible, the reason d. H. the movement disorder category, to be determined more precisely by means of the method of the present invention. The nearer an imaging point of a trajectory in the movement pattern space the point corresponding to a prototype trajectory in the movement pattern space the more likely the presence of the condition, that corresponds or is associated with this prototype.
Die Bewegungstrajektorie wird mittels einer gewichteten Linearkombination der Prototyptrajektorien approximiert.The Movement trajectory is determined by means of a weighted linear combination approximates the prototype trajectories.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Bewegungsmusterraum mittels Gewichten parametrisiert wird, die aus der gewichteten Linearkombination gewonnen werden.Further it is advantageous if the movement pattern space by means of weights is parameterized, which is obtained from the weighted linear combination become.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Summe aller Gewichte dabei gleich 1.According to one preferred embodiment the sum of all weights is equal to 1.
Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dimension n des Bewegungsmusterraums der Anzahl der Prototyptrajektorien entspricht.Also it has proved to be advantageous if the dimension n of the movement pattern space corresponds to the number of prototype trajectories.
Besonders bevorzugt ist, wenn mehrere Bewegungstrajektorien bereitgestellt werden. Alternativ könnte aber auch eine Dimensionsreduktion im Bewegungsmusterraum durchgeführt werden, z. B. mittels einer Hauptkomponetenanalyse oder eines Clusterings.Especially it is preferred if several movement trajectories are provided become. Alternatively could but also a dimensional reduction in the movement pattern space are performed z. By means of a principal component analysis or a clustering.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden diese Bewegungstrajektorien dann gemittelt, um das Verfahren anhand einer einzigen gemittelten Bewegungstrajektorie durchzuführen oder um mittlere Eigenschaften mehrerer Bewegungen zu beurteilen.According to one another preferred embodiment then these motion trajectories are averaged to the procedure perform using a single averaged movement trajectory or to judge the mean properties of several movements.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn jede der Prototyptrajektorien einer zugeordneten Bewegungskategorie durch eine Mittelung einer Vielzahl von Prototyptrajektorien dieser Bewegungskategorie erzeugt wurde.Besides that is it is beneficial if each of the prototype trajectories of an associated Movement category by averaging a variety of prototype trajectories this movement category was generated.
Besonders bevorzugt wird es, wenn die Bewegungstrajektorie und die Prototyptrajektorien in Form von Computer-verarbeitbaren Daten bereitgestellt werden.Especially it is preferred if the movement trajectory and the prototype trajectories be provided in the form of computer-processable data.
Als hilfreich dabei hat sich die Datengewinnung mittels Motion Capturing oder video-basiertem Tracking herausgestellt.When The data acquisition via motion capture has been helpful here or video-based tracking.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform stellen die Bewegungstrajektorie und die Prototyptrajektorien einen Ort eines Punkte im Raum in Abhängigkeit von der Zeit dar, d. h. es handelt sich um Ortsraumkurven in Abhängigkeit von der Zeit.According to one further advantageous embodiment adjust movement trajectory and prototype trajectories Location of a point in space depending on of the time, d. H. These are spatial locus dependencies from the time.
Auch bevorzugt ist, wenn die Bewegungstrajektorie in eine Vielzahl von Bewegungsfragmente zerlegt wird, um eine komplexe Bewegungssequenz besser an die Prototyptrajektorien anpassen zu können, wobei dann jedes der Bewegungsfragmente selbst wieder eine Bewegungstrajektorie darstellt.Also is preferred if the movement trajectory in a variety of Movement fragments is decomposed to a complex motion sequence to adapt better to the prototype trajectories, in which case each of the Movement fragments themselves again represents a movement trajectory.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn jede der vorgegebenen Bewegungskategorien eine krankheitsbedingte, diagnoserelevante Bewegungsstörung, wie sie etwa durch Parkinson oder eine Kleinhirnstörung hervorgerufen wird, repräsentiert.Besides that is it is beneficial if each of the given categories of motion has a illness-related, diagnosis-relevant movement disorder, such as it is caused by Parkinson's or a cerebellar disorder, for example.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform wird jede der Prototyptrajektorien einer vorbestimmten Bewegungskategorie basierend auf einer Bewegungssequenz erzeugt, die von Personen mit einer der vorgegebenen Bewegungsstörungen aufgenommen wurden.According to yet another embodiment, each of the prototype trajectories becomes a predetermined one Movement category generated based on a motion sequence taken by persons with one of the given movement disorders.
Auch von Vorteil ist, wenn eine der Bewegungskategorien eine normale, keine Störung aufweisende Bewegung repräsentiert.Also is advantageous if one of the movement categories is a normal, no interference representing movement.
Diese normale Bewegung kann dann im Bewegungsmusterraum den Ursprungspunkt definieren.These normal movement can then be the origin point in the movement pattern space define.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained Features not only in the specified combination, but also usable in other combinations or alone are without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei:embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explains in which:
Die vorliegende Erfindung erlaubt die automatisierte Bestimmung und Schätzung diagnoserelevanter Parameter aus Trajektoriendaten, wobei die Trajektoriendaten z. B. von neurologischen und anderen Patienten gewonnen werden.The The present invention allows automated determination and estimate diagnostic-relevant parameter from trajectory data, the trajectory data z. B. from neurological and other patients.
Unter einer Trajektorie wird nachfolgend eine Ortsraumkurve verstanden werden, entlang der sich ein (punktförmiger) Körper bzw. ein Schwerpunkt eines Körpers mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Im Fall von Patientenuntersuchungen handelt es sich in der Regel um einen Gelenkpunkt oder den Schwerpunkt eines Patienten, der durch die Trajektorie wiedergegeben wird. Die Ortsraumkurve ist also eine Funktion, die sowohl vom Ort als auch der Zeit abhängt und kann deshalb wie folgt ausgedrückt werden y = x(t).Under a trajectory is understood below a spatial curve along which a (point) body or a center of gravity of a body moving at a certain speed. In the case of patient examinations it is usually a pivot point or the center of gravity of a Patient rendered by the trajectory. The space curve is therefore a function that depends on both the place and the time and can therefore be expressed as follows become y = x (t).
Die für die vorliegende Erfindung benötigten Trajektoriendaten können zur Verarbeitung direkt bereitgestellt werden oder vorab beispielsweise mit „Motion Capturing" oder video-basiertem Tracking erzeugt werden.The for the need present invention Trajectory data can be provided directly for processing or in advance, for example with "Motion Capturing "or video-based tracking.
Unter dem Begriff „Motion Capturing" versteht man eine Technik, mittels der die Bewegungen beispielsweise eines Parkinson-Patienten auf eine virtuelle Figur übertragen werden. Dies wird erreicht, indem der Patient Markierungspunkte, wie z. B. Reflektoren, an bestimmten Stellen seines Körpers, wie z. B. an seinen Gelenken, befestigt bekommt. Mehrere Spezialkameras, wie z. B. Infrarotkameras, verfolgen anschließend die Bewegungen dieses Parkinson-Patienten bzw. der Markierungspunkte. Werden, wie oben genannt, Infrarotkameras benutzt, so sollte eine Infrarotquelle im Raum vorgesehen sein, die das durch die Infrarotkameras zu detektierende reflektierte Infrarotlicht aussendet.Under the term "Motion Capturing "understands a technique by which the movements of a Parkinson's patients transferred to a virtual figure become. This is achieved by giving the patient marker points, such as B. reflectors, in certain places of his body, such as z. B. gets attached to his joints. Several special cameras, such as As infrared cameras, then track the movements of this Parkinson's patients or landmarks. Be as above called, infrared cameras used, so should an infrared source be provided in the room, which can be detected by the infrared cameras reflected infrared light emits.
Die Markierungspunkte reflektieren das Infrarotlicht in Richtung der Spezialkameras, die dieses in Form von elektrischen Signalen an eine Signalverarbeitungsanlage, wie z. B. an einen Computer, übertragen. Aus den Signalen kann dann beispielsweise ein Drahtgitterskelett, d. h. eine Art dreidimensionales Strichmännchen im Computer, errechnet werden. Mit diesem kann nun wiederum eine virtuelle Figur am Rechner nachgebildet werden. Dieser Vorgang wird als „Rendern" bezeichnet.The Marking points reflect the infrared light in the direction of Special cameras, this in the form of electrical signals a signal processing system, such. B. to a computer transferred. Out The signals may then be, for example, a wireframe skeleton, i. H. a kind of three-dimensional stick figure in the computer, calculated become. With this again a virtual figure can be simulated on the computer become. This process is called rendering.
Nach dem Rendern sieht es für den Betrachter aus, als würde die virtuelle Figur die Bewegungen des Parkinson-Patientens ausführen.To it looks like rendering the viewer as if the virtual figure carry out movements of Parkinson's patient.
Auf diese Weise kann also eine Vielzahl von Trajektoriendaten (für jeden Markierungspunkt) erzeugt werden.On This way, you can use a variety of trajectory data (for each Marking point) are generated.
Die Montage der Markierungspunkte sowie die Durchführung der Messung wird in der Regel von medizinisch technischen Assistenten (MTAs) durchgeführt und erfordert kein Eingreifen eines Arztes. Üblicherweise wird ein Arzt erst dann involviert, wenn das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen ist, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Daten bzw. Parameter bei der Erstellung von Diagnosen miteinzubeziehen. Die vorliegende Erfindung betrifft somit kein Diagnoseverfahren, sondern stellt im Vorfeld lediglich Parameter zur Verfügung, die später beim Erstellen einer Diagnose durch einen Arzt hilfreich sein können.The Assembly of the marking points as well as the carrying out of the measurement becomes in the Usually performed by medical technical assistants (MTAs) and does not require the intervention of a doctor. Usually, a doctor only then involved when the process according to the invention is completed is to the data obtained by the method according to the invention or parameters in the generation of diagnoses. The present invention thus does not relate to a diagnostic method, but provides only parameters in advance, the later at Creating a diagnosis by a doctor can be helpful.
Neben den Trajektoriendaten einer zu untersuchenden Person, die nachfolgend Bewegungstrajektorien genannt werden, sind sogenannte Prototyptrajektorien erforderlich.Next the trajectory data of a person to be examined, the following Movement trajectories are called prototype trajectories required.
Unter Prototyptrajektorien werden nachfolgend solche Trajektoriendaten verstanden, die mit Hilfe von bewegungsgestörten Personen mit bekanntem Störungsbild ermittelt wurden, die beispielsweise eine typische Krankheit, wie z. B. die Parkinsonsche Krankheit, haben.Under Prototype trajectories subsequently become such trajectory data understood, with the help of dysfunctional persons with known noise image have been identified, for example, a typical disease, such as z. As the Parkinson's disease have.
Ähnlich wie bei einer auf eine Bewegungsstörung zu untersuchenden Person lässt man die bewegungsgestörte Person (mit der vorbekannten Krankheit, z. B. Parkinson) beispielsweise durch einen Raum gehen und zeichnet diese Bewegung (maschinell) auf, um sie anschließend z. B. mit Hilfe des Motion-Capturing-Verfahrens in Trajektoriendaten umzuwandeln. Diese umgewandelten Traktoriendaten entsprechen Prototyptrajektoriendaten, und zwar hier für den Prototyp „Parkinson".Similar to at one on a motion disorder to be examined person the motion-impaired one Person (with the previously known illness, eg Parkinson's disease), for example go through a room and draw this movement (machine) on to her afterwards z. B. using the motion capturing method in Trajektoriendaten. These converted tractor data correspond to prototype trajectory data, and here for the prototype "Parkinson".
Auf ähnliche Weise können weitere Prototyptrajektorien bzw. Prototyptrajektoriendaten für weitere Bewegungsstörungen bzw. Bewegungskategorien erzeugt werden. So weisen beispielsweise Patienten mit Kleinhirnstörungen andere Bewegungsstörungen als Parkinson-Patienten auf, d. h. die Trajektorien weichen in anderer Weise von den Trajektorien normaler Kontrollpersonen ab.On similar Way you can Further prototype trajectories or prototype trajectory data for further movement disorders or movement categories are generated. For example Patients with cerebellar disorders other movement disorders as Parkinson's patients, d. H. the trajectories give way in others Way from the trajectories of normal controls.
Mit Hilfe dieser Prototyptrajektorien werden die Bewegungstrajektorien (der zu untersuchenden Person) approximiert, wie es nachfolgend detaillierter erläutert werden wird.With The help of these prototype trajectories becomes the movement trajectories (the person to be examined) approximates, as follows explained in more detail will be.
Komplexe
Bewegungen in Form von mehrdimensionalen raumzeitlichen Bewegungstrajektorien
können
durch Linearkombinationen von Prototyptrajektorien approximiert
werden. Formal kann die Approximation einer Bewegungstrajektorie
durch eine gewichtete Linearkombinationen mit folgender Gleichung
beschrieben werden: 
Die Gewichte cn bestimmen, welchen Beitrag einzelne Prototyptrajektorien zur approximierten Bewegungstrajektorie leisten, wobei typischerweise angenommen wird, dass Σ ncn = 1 gilt.The weights c n determine what contribution individual prototype trajectories make to the approximated motion trajectory, typically assuming that Σ nc n = 1.
Der Index n gibt die Anzahl der verschiedenen Prototypen bzw. Prototyptrajektorien wieder. Beträgt der Wert eines Gewichts cn etwa 1, so impliziert dies eine hohe Ähnlichkeit zwischen der approximierten Bewegungstrajektorie und der n-ten Prototyptrajektorie.The index n represents the number of different prototypes or prototype trajectories. If the value of a weight c n is about 1, this implies a high similarity between the approximated motion trajectory and the nth prototype trajectory.
Um
auch für
eine kleine Zahl von Prototypen eine hohe Approximationsqualität des Linearkombinationsmodells
zu erreichen, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung die Linearkombination von Bewegungstrajektorien auf der
Basis raumzeitlicher Korrespondenz definiert werden. Die raumzeitliche
Korrespondenz zwischen zwei allgemeinen Bewegungstrajektorien x1(t) und x2(t) ist
definiert durch ein Paar von Verschiebungsfunktionen ξ(t) und τ(t), die
die beiden Trajektorien gemäß der Gleichung
Die Funktion ξ(t) charakterisiert die räumlichen Verschiebungen. Die Funktion τ(t) charakterisiert die zeitlichen Verschiebungen („time warping") zwischen den Trajektorien. Damit ist das Verfahren in der Lage, räumliche und zeitliche Verschiebungen voneinander zu trennen.The Function ξ (t) characterizes the spatial Shifts. The function τ (t) characterizes the time warping between the trajectories. Thus, the method is capable of spatial and temporal shifts separate from each other.
Zur automatischen Berechnung der beiden Verschiebungsfunktionen können verschiedene Methoden verwendet werden, wie z. B. die dynamische Programmierung (Giese M. A., Poggio T., (2000) „Morphable models for the analysis and synthesis of complex motion Patterns", International Journal of Computer Vision 38, Page 59–73), wobei Details dieses Verfahrens aus dem gerade zitierten Dokument entnehmbar sind.to automatic calculation of the two shift functions can be different Methods are used, such. For example, dynamic programming (Giese M.A., Poggio T., (2000) "Morphable Models for the analysis and synthesis of complex motion patterns ", International Journal of Computer Vision 38, Page 59-73), details of this method from the just cited document are removable.
Zur Definition von Linearkombinationen mehrerer Trajektorien xn(t) mit 1 ≤ n ≤ N wird zunächst die raumzeitliche Korrespondenz zwischen den Trajektorien und einer Referenztrajektorie xref(t) gemäß Gleichung (2) berechnet. Die Referenztrajektorie entspricht bei der vorliegenden Erfindung jeweils einer der Prototyptrajektorien oder einer geeignet gewählten Mittelwertstrajektorie. Die Bewegungstrajektorien werden dann gemäß Gleichung (2) durch eine gewichtete Linearkombination der Prototyptrajektorien berechnet.For the definition of linear combinations of several trajectories x n (t) with 1 ≦ n ≦ N, the spatio-temporal correspondence between the trajectories and a reference trajectory x ref (t) is first calculated according to equation (2). In the present invention, the reference trajectory corresponds in each case to one of the prototype trajectories or a suitably chosen mean trajectory. The motion trajectories are then calculated according to equation (2) by a weighted linear combination of the prototype trajectories.
Damit
ergibt sich für
jede (Bewegungs)Trajektorie xn(t) ein Paar
von Verschiebungsfunktionen ξn(t) und τn(t). Zur Definition von Linearkombinationen
werden zunächst
die beiden Verschiebungsfelder getrennt linear kombiniert gemäß den Gleichungen 
Die
Linearkombination der Trajektorien x(t) ist dann durch eine umgekehrte
Anwendung von Gleichung (2) auf die Referenz- bzw. Prototyptrajektorie
definiert als
Die Referenz- bzw. Prototyptrajektorie xref(t) wird typischerweise als Mittelwert der Prototypen gewählt (Berechnung siehe Giese + Poggio 2000, a. a. O.).The reference or prototype trajectory x ref (t) is typically chosen as the mean value of the prototypes (for calculation, see Giese + Poggio 2000, loc. Cit.).
Durch Anwendung von Gleichungen (3) und (4) kann bei bekannten Gewichten cn eine neue mehrdimensionale Bewegungstrajektorie synthetisiert werden, die genauso viele Dimensionen besitzt wie die ursprünglichen Trajektorien. Die Dimensionalität einer synthetisierten Trajektorie entspricht der Dimensionalität jeder einzelnen Prototyptrajektorie, die Dimensionalität des Bewegungsmusterraums der Zahl der Prototypen.By applying equations (3) and (4), with known weights c n, a new multidimensional motion trajectory can be synthesized which has the same dimensions as the original trajectories. The dimensionality of a synthesized trajectory corresponds to the dimensionality of each prototype trajectory, the dimensionality of the motion pattern space to the number of prototypes.
Dies ermöglicht die Visualisierung von Punkten in einem Bewegungsmusterraum, wie er nachfolgend noch ausführlicher erläutert werden wird. Auf diese Weise können Mittelwertsbewegungen anschaulich illustriert werden. Außerdem können durch Extrapolation im Bewegungsmusterraum entlang bedeutungstragender Achsen übertriebene Darstellungen von charakteristischen Bewegungsveränderungen generiert werden, die dann durch die Animation eines Avatars anschaulich visualisiert werden können.This allows the visualization of points in a movement pattern space, such as he will explain in more detail below explained will be. That way you can Mean value movements are clearly illustrated. In addition, through Extrapolation in motion pattern space along meaningful axes exaggerated Representations of characteristic movement changes generated by the animation of an avatar can be visualized.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert darauf, den Bewegungsraum durch Gewichte cn der
approximierten Bewegungstrajektorien zu parametrisieren.
In
In
der rechten Hälfte
der
Die
Abbildung(sfunktion) der Bewegungstrajektorien ist in
Jede
der Bewegungstrajektorien wird eindeutig auf einen einzigen Punkt
im Bewegungsmusterraum abgebildet. Diese Abbildung ist umkehrbar.
Ferner ist im rechten Teil der
Wie
in
In
Dabei sind lediglich zwei Prototyptrajektorien vorgesehen, weshalb der Bewegungsmusterraum auch lediglich durch zwei Achsen aufgespannt wird. Der Ursprung dieses zweidimensionalen Raums kann in dem Punkt zu sehen sein, der erhalten wird, wenn man eine normale Bewegungstrajektorie, d. h. eine Bewegungstra jektorie, die keinerlei Bewegungsstörungen in ihrem Ablauf aufweist, in den Bewegungsmusterraum abbildet.there are provided only two prototype trajectories, which is why the Movement pattern space also spanned only by two axes becomes. The origin of this two-dimensional space may be in the point to be seen, which is obtained by taking a normal motion trajectory, d. H. a movement trajectory that does not cause any movement disorders has its course, in the movement pattern space maps.
Im
vorliegenden Beispiel der
Der zweite Prototyp könnte einen Bewegungsablauf mit Bewegungsstörungen aufgrund einer Parkinson-Erkrankung repräsentieren. Das Gewicht des zweiten Prototypen wird mit c2 bezeichnet.The second prototype could represent movement with movement disorders due to Parkinson's disease. The weight of the second prototype is designated c 2 .
Ferner
wird im Zusammenhang mit der
In dem unwahrscheinlichen Fall, dass die gemessene Bewegungstrajektorie mit einer der Prototyptrajektorien identisch ist, würde die Trajektorie im BMR auf den Punkt ci = 1 und cj = 0 für i ≠ j abgebildet.In the unlikely event that the measured motion trajectory is identical to one of the prototype trajectories, the trajectory in the BMR would be mapped to the point c i = 1 and c j = 0 for i ≠ j.
Ist die gemessene Trajektorie sehr ähnlich zu einer der Prototyptrajektorien, z. B. für den Fall, dass eine ähnliche Bewe gungsstörung vorliegt, so ist das zugehörige Gewicht ci nahe Eins, während die anderen Gewichte Werte nahe Null annehmen.If the measured trajectory is very similar to one of the prototype trajectories, e.g. For example, if there is a similar motion disturbance, then the associated weight c i is close to one while the other weights assume values near zero.
Bei
dem in
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden nun Abbildungsfunktionen berechnet, die den Punkt P1 auf Achsen bzw. Richtungen abbildet, die durch die Prototypen im Bewegungsmusterraum definiert sind, z. B. den Punkt P1 auf die Punkte c1' und c2'. Diese Abbildung kann z. B. durch eine lineare Projektion definiert werden. Die Richtung, in der der Prototyp liegt, wird auch als Kenngröße bezeichnet. Die Abbildungsfunktion dient zum Abbilden eines (Bewegungstrajektorien-)Punkts auf eine Kenngröße, wie z. B. eine Richtung oder einen Punkt, im BMR, die einen jeweiligen Prototypen repräsentiert.In accordance with the method of the present invention, mapping functions are now calculated which map the point P1 to axes or directions defined by the prototypes in the motion pattern space, e.g. B. the point P1 on the points c 1 'and c 2 '. This picture can be z. B. be defined by a linear projection. The direction in which the prototype lies is also known as the characteristic. The mapping function serves to map a (motion trajectory) point to a characteristic, such as a. A direction or a point in the BMR representing a respective prototype.
Hilfsweise
ist der Differenzvektor VΔc2 zwischen dem Punkt
P1 und dem Punkt P3 mit c1 = 0 und c2 = 1 mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt.
Die Richtung des Vektors VP1 gibt Auskunft
darüber,
welche Kategorie von Bewegungsstörung
vorliegt. Im Beispiel der
Je geringer der Betrag des Differenzvektors VΔc2, d. h. des Vektors zwischen den Punkten P1 und P3 ist, desto ausgeprägter bzw. wahrscheinlicher ist eine Parkinsonerkrankung. Ebenso ist der Ausprägungsgrad von Parkinson-typischen Bewegungsveränderungen umso größer, je größer der Wert von c2' ist.The smaller the magnitude of the difference vector V Δc2 , ie the vector between points P1 and P3, the more pronounced or more likely is Parkinson's disease. Likewise, the greater the value of c 2 ', the greater the degree of expression of Parkinson-typical movement changes.
Ist der Betrag des Differenzvektors hingegen relativ groß, d. h. liegt der Punkt P1 z. B. relativ nahe zum Ursprung, so ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass eine der beiden Bewegungsstörungen vorliegt.is the magnitude of the difference vector, however, is relatively large, d. H. is the point P1 z. B. relatively close to the origin, so is the probability low, that one of the two movement disorders is present.
Bei
dem eben im Zusammenhang mit
Es
versteht sich, dass der in
Werden mehrere Bewegungstrajektorien, die alle auf ein und denselben Bewegungsablauf ein und derselben Testperson zurückzuführen sind, in den Bewegungsmusterraum abgebildet, so bildet sich in der Regel ein Cluster von Punkten im Bewegungsmusterraum aus. Die Ausdehnung und Form dieses Clusters ist ein Maß für die Variabilität des Bewegungsmusters.Become several movement trajectories, all on the same movement attributable to one and the same subject mapped into the movement pattern space, so usually forms a cluster of points in the motion pattern space. The expansion and shape of this cluster is a measure of the variability of the movement pattern.
Durch Repräsentation von Normalen und Patienten im selben BMR lassen sich zudem Richtungen im BMR bestimmen, die typische krankheitsspezifische Veränderungen beschreiben.By representation of normals and patients in the same BMR can also be directions in the BMR determine the typical disease-specific changes describe.
Ferner ist es möglich, wie bereits oben erwähnt, mehrere Prototyptrajektorien des gleichen Bewegungsablaufs aufzunehmen und diese anschließend zu mitteln. Dadurch erhöht sich die Qualität der Aussagen, insbesondere hinsichtlich des Bedeutungsgehalts des Ausprägungsgrads. Zudem können typische Mittelwertsbewegungen für verschiedene Probandenklassen berechnet werden.Further Is it possible, as mentioned above, to record several prototype trajectories of the same movement and this afterwards to mediate. This increases the quality the statements, in particular with regard to the significance of the Expression level. In addition, you can typical mean value movements for different subject classes are calculated.
Außerdem können durch Extrapolation im Bewegungsmusterraum entlang bedeutungstragender Achsen, z. B. entlang der Ausprägungsrichtung von spezifischen Symptomklassen, übertriebene Darstellung von charakteristischen Bewegungsveränderungen generiert werden, die dann wieder durch die Animation eines Avatars anschaulich visualisiert werden können. Dies ist für Schulungszwecke von auszubildenden Medizinern sehr hilfreich.In addition, through Extrapolation along the movement pattern space along meaningful Axes, z. B. along the direction of expression of specific symptom classes, exaggerated representation of characteristic movement changes which are then generated again by the animation of an avatar can be visually visualized. This is for training purposes Of trainee medics very helpful.
Die
raumzeitliche Korrespondenz (vergleiche
Dazu
wird die Prototyptrajektorie durch Mittelwertbildung (im Bewegungsmusterraum) über mehrere gleichartige
Bewegungen derselben Person bestimmt. Durch Berechnung der Korrespondenzfelder ξn(t)
und τn(t) zwischen den Einzelbewegungen n der
Person und der Mittelwertstrajektorie können Maße für die räumliche und zeitliche Variabilität der Bewegung
definiert werden (vergleiche
Im
linken Teil der
Solche
Maße sind
insbesondere für
die Beurteilung von Koordinationsstörungen von großer Bedeutung.
Beispiele für
solche Maße
räumlicher
und zeitlicher Variabilität
bei K Wiederholungen der Bewegung mit q > 0 sind: 
Wie bereits oben erwähnt, wurde bisher davon ausgegangen, dass immer wieder ein und dieselbe Bewegung bzw. ein und derselbe Bewegungsablauf zur Bestimmung sowohl der Bewegungstrajektorie als auch der Prototyptrajektorie durchlaufen wurde.As already mentioned above, It has been assumed that one and the same again and again Movement or one and the same sequence of movements for the determination both the movement trajectory and the prototype trajectory has been.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können jedoch auch komplexe, d. h. nicht vorgegebenen Bewegungssequenzen analysiert werden.According to the procedure of the present invention but also complex, d. H. non-specified motion sequences to be analyzed.
Die komplexen Bewegungssequenzen können aus einer Vielzahl von Einzelbewegungen bestehen. Dabei wird die Gesamtbewegungssequenz automatisch in (vordefinierte) Einzelbewegungen zerlegt. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher nicht nur für die Analyse standardisierter (Einzel-)Bewegungen geeignet, wie z. B. einem Lauf auf einem Laufband, sondern auch für die Quantifizierung und Qualifizierung von frei ausgeführten Bewegungssequenzen im normalen Bewegungsablauf. Die Gesamtbewegungssequenz sollte jedoch aus Einzelbewegungen bestehen, mit denen das System der Erfindung vorher „trainiert" wurde, d. h. mit entsprechenden Prototyptrajektorien versehen wurde.The complex movement sequences can consist of a variety of individual movements. Here is the Total movement sequence automatically into (predefined) individual movements disassembled. The method according to the present Invention is therefore not only for the analysis of standardized (single) movements suitable, such. As a run on a treadmill, but also for the quantification and qualification from freely executed Movement sequences in the normal movement sequence. The overall motion sequence should, however, consist of individual movements with which the system the invention was previously "trained", i.e. with corresponding prototype trajectories.
Die automatische Zerlegung der Gesamtbewegungssequenz in Bewegungselemente kann auf verschiedene Arten und Weisen realisiert werden.The automatic decomposition of the overall motion sequence into motion elements can be realized in different ways.
Die hier gewählte exemplarische Implementierung beruht auf der Identifizierung von Geschwindigkeitsnullstellen in Trajektorien einzelner Gruppen von Freiheitsgraden oder Gelenken. Jedes Bewegungselement kann durch eine spezifische Folge von Nullstellen („key events") beschrieben werden.The chosen here exemplary implementation is based on the identification of Speed zeros in trajectories of individual groups of Degrees of freedom or joints. Every movement element can through a specific sequence of "key events" will be described.
Durch Vergleich solcher Key-Event-Folgen mit zuvor erlernten Beispielsfolgen bzw. Prototypfolgen können die Bewegungselemen te innerhalb der Gesamtbewegungssequenz automatisch detektiert und lokalisiert werden. Ein robuster Vergleich der Event-Folgen ist z. B. mittels dynamischer Programmierung möglich. Ein Paper, dessen Inhalt durch Bezugnahme hier integriert ist und das ein solches Verfahren offenbart, wurde von Ilg & Giese veröffentlicht (Ilg W., Giese M. R., 2002, „Modeling of movement sequences based an hierarchical spatio-temporal correspondences of movement primitives" in Bülthoff H., Lee S., Poggio T., Wallraven C., „Biologically motivated Computer Vision", Springer, Berlin, Seite 525–537).By Comparison of such key event sequences with previously learned example sequences or prototype sequences the motion elements within the overall motion sequence automatically be detected and localized. A robust comparison of the event consequences is z. B. by means of dynamic programming possible. A paper whose content incorporated herein by reference and that is such a method revealed by Ilg & Giese released (Ilg W., Giese M.R., 2002, "Modeling of movement sequences based on hierarchical spatio-temporal correspondences of movement primitives "in Bülthoff H., Lee S., Poggio T., Wallraven C., "Biologically motivated computer Vision, "Springer, Berlin, pages 525-537).
Die vorliegende Erfindung erlaubt also die vollautomatische Bestimmung und Schätzung diagnostisch relevanter Parameter aus Trajektoriendaten, die beispielsweise bei neurologischen Standardtests erhoben wurden. Durch eine automatische Zerlegung komplexer Bewegungssequenzen in einzelne Bewegungselemente erlaubt die Erfindung die Quantifizierung komplexer Bewegungen im normalen Bewegungsablauf ohne die Einführung störender Randbedingungen (z. B. Laufband) für die Person. Zudem ermöglicht das entwickelte System die intuitiv leicht zugängliche Interpretation und Darstellung von Bewegungsveränderungen durch Computeranimation für Ausbildungs- und Illustrationszwecke.The The present invention thus allows the fully automatic determination and estimate diagnostically relevant parameters from trajectory data, for example in standard neurological tests. By an automatic Decomposition of complex movement sequences into individual movement elements The invention allows the quantification of complex movements in the normal movement without the introduction of disturbing boundary conditions (z. B. treadmill) for the person. In addition allows the system developed the intuitively easily accessible interpretation and Presentation of movement changes through computer animation for Educational and illustration purposes.
Insbesondere in der klinischen Neurologie dient die Erfindung zur Objektivierung und Verbesserung der Diagnose aus einem Bewegungsbild. Sie ermöglicht z. B. die Verlaufskontrolle von Bewegungsstörungen, die Beurteilung von Treatment-Effekten, Dokumentation von Langzeitverläufen, die Differenzierung von Subklassen von Bewegungsstörungen (z. B. bei Kleinhirnstörungen).Especially in clinical neurology, the invention is used for objectification and improving the diagnosis from a moving picture. It allows z. As the follow-up of movement disorders, the assessment of Treatment effects, documentation of long-term progression, the Differentiation of subclasses of movement disorders (eg in cerebellar disorders).
Im Rahmen der Medizinerausbildung kann die Erfindung zudem zur Darstellung und Simulation von typischen Bewegungsveränderungen eingesetzt werden.in the In the context of medical education, the invention can also be used for presentation and simulation of typical motion changes are used.
Die Erfindung eignet sich auch für die Anwendung bei einem breiten Spektrum von Problemen außerhalb der Neurologie, z. B. zur Quantifizierung von Bewegungen in der Rehabilitation, Orthopädie, Pädiatrie, der Sportmedizin zur Bewegungsquantifizierung in den Sportwissenschaften oder ähnlichem.The Invention is also suitable for the application in a wide range of problems outside neurology, z. B. for the quantification of movements in the Rehabilitation, orthopedics, Pediatrics, the Sports medicine to quantify movement in sports science or similar.
Die Erfindung ermöglicht ferner eine objektive Beobachterunabhängige Beurteilung von Bewegungsstörungen. Außerdem kann eine höhere Genauigkeit als bei den anderen bekannten Verfahren erreicht werden. Es besteht die Möglichkeit zur getrennten Analyse von räumlichen und zeitlichen Veränderungsanteilen bei den Bewegungstrajektorien.The Invention allows Furthermore, an objective observer-independent assessment of movement disorders. Furthermore can be a higher one Accuracy can be achieved than in the other known methods. There is a possibility for the separate analysis of spatial and temporal change shares the movement trajectories.
Ein weiterer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass lediglich kleine Trainingsdatensätze erforderlich sind, wobei jedoch gleichbleibend gute Ergebnisse erzielt werden. Unter kleinen Trainingsdatensätzen wird insbesondere eine geringe Anzahl von Prototyptrajektoriendaten verstanden.One another big one Advantage of the present invention is that only small training records required are, but consistently good results are achieved. Under small training records in particular, a small number of prototype trajectory data Understood.
In
In
einem weiteren Schritt S2 werden die Bewegungstrajektorien sowie
die Prototyptrajektorien in einem Bewegungsmusterraum abgebildet,
wie es exemplarisch bereits in
In einem weiteren Schritt S3 werden Abbildungsfunktionen bestimmt, mit denen die abgebildete Bewegungstrajektorie im Bewegungsmusterraum beispielsweise jeweils auf eine der Dimensionen im Bewegungsmusterraum abgebildet werden, die durch die Prototyptrajektorien definiert sind, derart, dass für jede der Prototyptrajektorien jeweils eine Abbildungsfunktion bestimmt wird.In In a further step S3, imaging functions are determined. with which the pictured movement trajectory in the movement pattern space For example, each one of the dimensions in the movement pattern space which are defined by the prototype trajectories are such, that for each of the prototype trajectories each determines a mapping function becomes.
Abschließend wird in einem weiteren Schritt S4 ein Ausprägungsgrad für die Bewegungstrajektorie für jede der vorbestimmten Bewegungskategorien anhand der Abbildungsfunktion bestimmt. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass ein Differenzvektor ermittelt wird, dessen Länge umgekehrt proportional zum Ausprägungsgrad ist.Finally, it will in a further step S4 a degree of expression for the movement trajectory for every the predetermined categories of movement based on the mapping function certainly. This can be z. B. be done by a difference vector is determined whose length inversely proportional to the degree of expression is.
Ferner sei bemerkt, dass es man Krankheitsbilder nicht nur durch einen einzigen Prototypen darstellen kann. Alternativ könnte ein Krankheitsbild (z. B. Parkinson) einem linearen Unterraum oder einem Cluster im BMR entsprechen, der bzw. das durch mehrere Prototypen definiert ist.Further It should be noted that it is not only by one clinical pictures single prototypes. Alternatively, a could Disease picture (eg Parkinson's disease) a linear subspace or a Clusters in the BMR correspond, by several prototypes is defined.
Die vorliegende Erfindung kann in Form eines Computerprogramms implementiert sein, das einen Code enthält, der das erfindungsgemäße Verfahren in Form von Computer-ausführbaren Instruktionen umfasst.The The present invention may be implemented in the form of a computer program be that contains a code the method of the invention in the form of computer-executable Includes instructions.
Diese Instruktionen können auf einem Speichermedium, etwa wie einer Festplatte, einer Diskette, einer CD-ROM oder einer DVD, etc., abgespeichert sein, um von einem Computer ausgeführt zu werden, der mit diesem Speichermedium kommuniziert.These Instructions can on a storage medium, such as a hard disk, a floppy disk, a CD-ROM or a DVD, etc., to be stored by a Computer running becoming communicable with this storage medium.
Auch kann das Verfahren gemäß der Erfindung als Signal über Netzwerke, etwa wie das Internet, übertragen werden, um es an dieses Netzwerk angeschlossenen Datenverarbeitungsanlagen zu ermöglichen, das beanspruchte Verfahren auszuführen.Also can the method according to the invention as a signal over Networks, such as the Internet, are transmitted to it to enable this network connected data processing equipment, the to carry out the claimed method.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102004060602A DE102004060602B4 (en) | 2004-12-08 | 2004-12-08 | System and method for determining a movement category and its degree of manifestation |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE102004060602A DE102004060602B4 (en) | 2004-12-08 | 2004-12-08 | System and method for determining a movement category and its degree of manifestation |
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| Publication Number | Publication Date |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999044502A1 (en) * | 1998-03-07 | 1999-09-10 | Claussen Claus Frenz | Method and device for evaluating an kinetic pattern |
-
2004
- 2004-12-08 DE DE102004060602A patent/DE102004060602B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999044502A1 (en) * | 1998-03-07 | 1999-09-10 | Claussen Claus Frenz | Method and device for evaluating an kinetic pattern |
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