A Cost-Effective Solution For Real-Time Measurement of Human Joint Angles

Year 2022, Volume: 12 Issue: 2, 119 - 133, 24.12.2022

Samet Çıklaçandır Yalçın İşler

Abstract

In addition to the follow-up of daily and some sportive activities, motion analysis is used in many areas such as musculoskeletal system diseases, fall and impact injuries, musculoskeletal diseases, and prosthesis applications, in the stages of diagnosis, treatment, preoperative planning, and post-treatment recovery. At this point, instead of simple devices to measure joint angles, real-time movement
recording devices are becoming increasingly important. On the other hand, real-time capturing technologies are relatively costly. Therefore, in this study, a portable and low-cost alternative electronic goniometer device that can monitor joint angles in real-time can operate wirelessly has been developed, implemented, and tested. The accuracy of the device was tested in two ways. First, this device and a mechanical ruler recorded joint angle measurements at the same time. In this way, the joint angles of 30, 45, 60, and 90 degrees to both elbows and knees of 14 subjects were recorded and compared using the single-sample t-test. Then, this device and an optoelectronic-based commercial device recorded real-time movements of the patients. The Pearson Correlation method was utilized to test the similarities of these real-time records. The software of IBM SPSS v24 was used in these statistical analyses. As a result, no statistically significant difference in all measurements between the developed system and the mechanical goniometer was detected (p>0.05), and a very high correlation between the devices and the Optitrack device was determined. Moreover, it is concluded that the correlation is increased, in real-time tracking measurements, by means of the Kalman filter.

Keywords

Joint angles, Electrogoniometer, Real-time instrumentation, Motion analysis, Motion capture systems, Kalman filter

İnsan Eklem Açılarının Gerçek Zamanlı Ölçülmesi İçin Düşük Maliyetli Bir Çözüm

Abstract

Günlük ve bazı sportif hareketlerin takibinin yanı sıra, Kas-iskelet sistemi hastalıkları, düşme ve çarpmaya bağlı yaralanmalar, kas-sinir hastalıkları ve protez uygulamaları gibi pek çok alanda teşhis, tedavi, ameliyat öncesi planlama ve tedavi sonrası iyileşmenin takibi aşamalarında hareket analizleri kullanılmaktadır. Bu noktada eklem açısı ölçen basit cihazlar yerine gerçek zamanlı olarak hareketleri
kayıt edebilen cihazlar giderek önem kazanmaktadır. Öte yandan, gerçek zamanlı hareket yakalama teknolojileri nispeten yüksek maliyetlidir. Bu nedenle, bu çalışmada eklem açılarını gerçek zamanlı olarak takip edilebilen, kablosuz çalışabilen, taşınabilir ve düşük maliyetli alternatif bir elektronik gonyometre cihazı geliştirilmiş, gerçekleştirilmiş ve test edilmiştir. Geliştirilen cihazın doğruluğu
iki şekilde test edilmiştir. İlk olarak, bu cihazın eklem açısı ölçümlerindeki başarısı aynı anda kayıt alınan mekanik bir gönye ile karşılaştırılmıştır. Bu şekilde, 14 kişinin her iki dirseklerine ve dizlerine 30, 45, 60 ve 90 derecelik eklem açıları için kayıt edilmiş ve tek örneklem t-testi kullanılarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca, hastaların gerçek zamanlı olarak hareketleri hem geliştirilen cihaz ile hem de optoelektronik tabanlı ticari bir cihaz ile kayıt edilmiştir. Bu kayıtların ne kadar benzer oldukları Pearson Korelasyon yöntemi
kullanılarak test edilmiştir. Bu istatistiksel analizler için IBM SPSS v24 kullanılmıştır. Sonuç olarak geliştirilen sistem ile mekanik gonyometre arasındaki tüm ölçümlerde istatistiksel anlamlı bir fark tespit edilememiş (p>0,05) ve Optitrack cihazı ile arasında çok yüksek bir korelasyon olduğu tespit edilmiştir. Dahası, Kalman filtresi sayesinde gerçek zamanlı takip ölçümlerinde korelasyon değerinin arttığı görülmüştür.

Keywords

Eklem açıları, Elektrogonyometre, Gerçek zamanlı ölçüm, Hareket analizi, Hareket takip sistemleri, Kalman filtresi

References

• Akalan, N. E., Temelli, Y. 2014. Serebral Parezide Gözlemsel Yürüme Analizinin Yeri ve Kullanılabilirliği. Sağlık Bilim. ve Meslekleri Derg., 1: 28. https://doi.org/10.17681/hsp.09448.
• Akalın, Ç. 2018. Manyetoreolojik (Mr) Silindirli Yarı Etkin Diz Eklemi Ortezi Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi.
• Allahyari, T., Sahraneshin Samani, A., Khalkhali, H. R. 2017. Validity of the Microsoft Kinect for measurement of neck angle: comparison with electrogoniometry. Int. J. Occup. Saf. Ergon, 23: 524-532. https://doi.org/10.1080/10803548.2016 .1219148.
• Anwary, A. R., Bouchachia, H., Vassallo, M. 2019. Real time visualization of asymmetrical sitting posture. Procedia Comput. Sci., 155: 153-160. https://doi.org/10.1016/j. procs.2019.08.024.
• Aydil, S., Özkan, P., Beng, K. 2014. Görsel yürüme analizi.TOTBİD Derg., 13: 331-336. https://doi.org/10.14292/ totbid.dergisi.2014.37.