Visual3D モデリング


– INTRODUCTION –

既存の歩行モデルには、いくつかのバリエーション(例:Helen Hayes, Cleveland Clinic, Vicon Clinical Manager, Newington, など)があります。
このチュートリアルでは、既存の歩行モデルを使って骨格モデル参照します。各バリエーションについては詳しく説明しませんが、Visual3D上で利用できます。それらを変形利用する方法などを説明します。
- “既存の歩行分析モデル”とは -
既存の歩行モデルは、セグメントの姿勢を推定するために使用されるアルゴリズムを参照し、骨格モデルベース の解析(関節角度や関節モーメントなど)を表すための規則的なマーカーセットの事を言います。
 このマーカーセットは20年以上前より定義されており、多少不十分でもベストなマーカーセットとして利用され 続けてきました。より良い代替手段を提示するため、経験豊富なユーザは過去の歩行モデルを応用した進化表現 を可能とします。
- シンプルなマーカー設置位置 -
既存の歩行分析モデル保持の主な理由は、マーカー配置の単純さに起因しているかもしれません。
 この単純さの結果、老若男女すべての被験者に対して統一して同じマーカー配置が使え便利であるためです。
- 既存の歩行分析モデルのための正当性 -
既存の歩行分析モデルを使う利点としては、実際の研究発表において”既存の歩行分析モデル”という語を使用 することで、暗黙のうちにキネマティックとキネティック解析の定義と慣例を指定するという意味合いを含む場 合があることです。我々はこれが必ずしも真実ではないと主張します。しかしこの手法は文献において有用なのです。
- 既存の歩行分析モデルの規制 -
既存のマーカーセットの主な規制として、追跡用マーカーが配置されることです。これはマーカーセットのほと んどが、各々のセグメント関節上に設置されており、ほとんどが多重共線形であるためです。すべてのマーカー が全てのフレームで計測できているのであれば追跡マーカーは必要ありませんが、ノイズやアーチファクトにと ても気をつけなければなりません。特に既存のマーカーセットだけでの使用では、6自由度剛体計測処理を行え ないため、セグメントの回転値が当てになりません。つまり多くのケースで2つ以上の追跡用マーカーを用意し なければなりません。
例えば、Alberto Leardini研究者らによって発表されたIORGaitモデルに対し、C-motionではより良いデータの 取得のために拡張系として追跡マーカーを提案します。Visual3Dの拡張IORGaitモデルは、6自由度モデルを満た すための十分なマーカーを備えています。
もう一つの主な規制として、モデルが解剖学的または義足や人工関節に適応していない現状があることです。
- セグメント座標系 -
多くの歩行分析モデルにおいて、解剖学的方針に基づいて統一されたセグメントの座標系が定義されています。 主な違いはマーカーの配置場所にあります。マーキングに関するアルゴリズムは、骨格モデルの方向と位置づけ を推定したものです。
- ポーズ評価 -
Visual3Dセグメントに関する以下の説明は、非商用のポーズで結果を生成しますが、最適なポーズ評価を得られ ない場合には、Visual3Dから得た結果は完全ではなくなります。

なぜならVisual3Dは、”Segment Optimization”または”Global Optimization”どちらか一方のポーズ評価で 評価するアルゴリズムを利用するためです。
“Direct Pose Estimation”は、セグメント/モデルの位置と方向づけを計算するための最低限効果的なアルゴ リズムです。既存の歩行分析モデルとVisual3Dの間を補完するポーズ評価として、直接ポーズを想定指定でき る”Direct Pose Estimation”が利用できますが、推奨しません。

– 歩行分析モデルの決定 –

歩行分析モデルにはバリエーションがあるので、その決定はマーカー配置とデータ収集の前になされなければなりませ ん。下の図は、身体セグメントに基づく決定のいくつかを紹介します。
 多くのバリエーションが存在するため、これは包括的でありません。以下のセクションでは、これらのオプションに基 づく既存の歩行分析モデルマーカー配置にチャレンジします。

- 股関節中心:股関節中心 -
既存の歩行分析モデルには、股関節中心計算のために3つのバリエーションがあります。

2つは”Helen Hayes Pelvis”の拡張系です。またもう一つは、BellとBrand(1989)によって計算され た”Coda_Pelvis”です。この全3つは、回帰式に基づきます。
”Helen Hayes Pelvis”のための股関節中心回帰式は、”大転子”と”ASIS:上前腸骨棘”間の計算に基づきます。
 また”Coda_Pelvis”は”Inter-ASIS:上前腸骨棘の中点”に基づきます。以下のセクションでは詳細を記載します。
- マーカー配置位置 -
どんなモデルでも適切なマーカー配置が重要です。モーションキャプチャーシステムは、マーカーの中心を測るだけ であるので、マーカーを被験者に配置する際、ベースやスティックを使用する場合などにおいても、できるだけター ゲットポイントにマーカーの中心が合うように気をつけて下さい。被験者にマーカー設置する前に、アイライナーや 鉛筆・ペンなどでマーカーをしておく事が理想です。マーカーが落ちてしまったりした場合に、同じ場所に簡単に配 置できるためです。ただしマーカーを再設置および交換する場合にはとても慎重にならなければなりません。
“Segment Optimization”または“Global Optimization”がポーズ評価されるとき、ロストしたマーカーは置換 されなければなりません。単にマーカーを置換することは困難ですので、注意してください。
- Pelvis(骨盤)マーカー -
従来の歩行分析モデル用骨盤の定義には、2つのマーカーセットが使えます:
 3点マーカーセットと4点マーカーセットが存在します。3点マーカーセットの骨盤は、“Helen Hayes Pelvis”とし て知られており、また4点マーカーセットは、骨盤は”Coda_Pelvis”として知られています。“Pelvis Overview” セクションでは、2つのモデルの違いについて記述します。
- CODA Pelvis:マーカー4点骨盤定義 -
ASIS:前上腸骨棘 [Anterior Superior Iliac Spine]
RIAS :右前腸骨棘 [Right Ilium Anterior Superior]

LIAS :左前腸骨棘 [Left Ilium Anterior Superior]
PSIS:後方上腸骨棘 [Posterior Superior Iliac Spine]
RIPS :右前腸骨棘 [Right Ilium Posterior Superior]

LIPS :左前腸骨棘 [Left Ilium Posterior Superior]
“Helen Hayes Pelvis”と同様に、“Coda_Pelvis”の平面 は、台形として視覚化されます。
 この場合、平面は左右の前上腸骨棘(RIAS/LIAS)と左右 後上腸骨棘(RIPS/LIPS)の中心点によって作られます。 ASISとPSISにそれぞれマーカーを置いてください。
ASIS間を結ぶ直線と垂直に交わるPSISマーカーによって、骨盤のローカル座標原点が定義されます。つまりは PSISの内外側の位置は重要ではないと言うことです。

- Helen Hayes Pelvis:マーカー3点骨盤定義 -
ASIS:前上腸骨棘 [Anterior Superior Iliac Spine]
RIAS :右前腸骨棘 [Right Ilium Anterior Superior]

LIAS :左前腸骨棘 [Left Ilium Anterior Superior]
SACR:仙骨(仙腸関節) [Sacrum]
骨盤の平面は、3つのマーカーによって三角形平面として視 覚化されます。左右前腸骨棘(RIASとLIAS)と仙骨 (SACR)マーキングによって定義されます。
 両方のASISの上にマーカーを置いてください。また仙骨マー カー(SACR)は、後上腸骨棘の中間の上に置かれます。
“Helen Hayes Pelvis”のVisual3D適用のために、仙骨(SACR)マーカーの配置は非常に重要です。後上腸骨 棘中心ならびに仙骨垂直が定義できる位置に配置されなければなりません。“Helen Hayes Pelvis”の原点は、 ASISマーカーの中間にあります。

- 肥満の被験者のための考察 -
肥満の被験者に対するマーカー配置は、過度の脂肪が影響してしまい困難を極めます。皮膚と皮下脂肪が重なり 合う箇所にマーキングされるかもしれないため、例えばASISなどの触診および配置が難しいです。
 これには3つのオプションマーカーセットを提案します。
■ サイドにASISマーカーを移動
 骨盤平面の中で解剖学的ASISを示す場所の範囲内で、両サイドへASISマーカーを動かしてください。 両サイドが対称形である事を確認してください。

またこの距離を計り、”Subject Metric Inter-ASIS_distance”を修正してください。
■ 前方へASISマーカーを移動
 両サイドが等しい距離によって、前方へASISマーカーを移動して下さい。また解剖学的にこの距離を計っ て、ASISの実際の位置を指定するマーカーを加えてください。これらASISマーカーが骨盤のセグメント 座標系を定め、また追跡指標とならなければなりません。
■ 仮想点の配置

Digitizing Pointer(仮想ポインタ)は、ASISマーカーを特定するのに用いられます。

大腿

- 大腿骨マーカー -
RFCH / LFCH :左右股関節中心
RTH / LTH :左右大腿骨追跡マーカー

RFLE / LFLE :左右大腿骨外側上顆
RFME / LFME :左右大腿骨内側上顆


 - 膝関節アライメント(KAD)なし -
股関節中心(RFCH/LFCH)と膝関節屈曲/伸展軸によっ て三角平面が構成できるため、大腿骨セグメントを視覚化 できます。また膝屈曲/拡張軸を推定するため、大腿骨遠 位上顆(RFLE/LFLE)を触診してマーカー配置して下さ い。正確な配置を確かめるために静止立位状態から受動的 に関節を曲げて、触診して下さい。対象の場所にアイライ ナー/鉛筆またはペンで印をつけて下さい。
膝関節アライメント(KAD)を用いてない場合、大腿中心マーカー(RTH/LTH)の設置は重要です。このマー カーは、大腿骨の冠状面(膝屈曲/拡張軸と方向)を定めるのに用いられます。大腿末梢部の1/3部位は、筋肉 運動量の少ない最高の場所です。このマーカーの配置考察は、歩行中に死角となるケースが多く、視覚化するの がとても難しいため重要です。骨盤と膝関節中心と膝屈曲/拡張軸を含む平面の中に配列するようにマーカーを 調節してください。
- 膝関節アライメント(KAD)あり -
下記のように三角平面は、股関節中心(RFCH/LFCH)と膝関節屈曲/伸展軸によってできるため、大腿骨セ グメントの視覚化を可能とします。このバリエーションの違いは、膝関節アライメント(KAD)が膝のために冠 状面を定義させるため静止立位で求められるということです。膝屈曲/拡張軸を推定するために、大腿骨上顆を 触診してください。アライメントが視覚化された膝屈曲/拡張軸と一致するように、上顆の上にKADを配置して ください。この触診は静止立位姿勢においてなされなければなりません。
静止立位における身体キャリブレーションの後、KADを取り除いてアイライナー/鉛筆またはペンなどでKADの 場所を上顆に記録してください。次にマーカーを指定場所(RFLE/LFLE)に配置してください。
- 左右膝関節内側マーカー -
膝屈曲/伸展軸を推定するために、大腿骨の遠位上顆を触診してください。外側マーカーの配置後、膝屈曲/伸 展軸を推定するために、左右内側マーカー(RFME/LFME)を配置して下さい。その場所にアイライナーや鉛 筆またはペンで印をつけるのを忘れないでください。
- 膝の直径 -
内側膝マーカーが配置されていない場合は、膝の直径を測定することが非常に重要である(例:内外側上顆間の 距離)は、大腿セグメントの遠位端を識別するために使用されるためです。
- 大腿部の回転軸 -
大腿セグメントで股関節中心と膝外側マーカーのみを使用 している場合、大腿セグメントの軸回転を確実に追跡する ことができず、追跡マーカーはそれを助けます。トラッキン グマーカーとして内側膝マーカーを含めることは、劇的に 軸回転の追跡を改善します。

下腿

- 脛骨マーカー -
RFLE / LFLE :左右大腿骨外側上顆
RFME / LFME :左右大腿骨内側上顆
RFAL / LFAL :左右踝腓骨外側頂点
RTAM / LTAM :左右踝腓骨内側頂点
下肢セグメントは、膝関節中心と足首の屈曲/伸展軸によって形成される三角形または平面として視覚化するこ とができます。内外側を触診し、内果軸を通る仮想線を視覚化します。左右外側にマーカーを配置し、その線に 沿って外果(RFAL/LFAL)を定めました。アイライナーや鉛筆やペンでその位置をマークすることを忘れないでください。
大腿部のように、左右脛骨マーカー(RSK/LSK)は重要です。このマーカーは、脛骨(足首屈曲/伸長軸の位 置及び向き)の冠状面を定義するために使用されます。脛骨の遠位1/3による位置は、筋肉のバルクへの移動が 減少されるのに最適な場所です。垂直方向の高さは重要ではないが、脛骨の低すぎる位置に脛骨マーカーを置か ないで下さい。このマーカーの前後方の位置は重要であり、それは視覚化することは極めて困難です。対象者の 踵部の下に定規のような四肢軸基準デバイスの配置を視覚化するために使用することができます。それは膝と足 首関節中心の足首屈曲/伸展軸を含む平面に配列されるように、マーカー位置を調整します。このマーカーは、 着座位にて配置することができますが、確認するために立ったときにもチェックする必要があります。
- 内側踝マーカー -
モデルの別バリエーションでは、内側足踝マーカーを使用します。内外側内果軸を触診し、内果軸を通る仮想線 を視覚化します。外側足踝マーカーを配置した後、左右外側にマーカーの線に沿って、内果(RTAM/LTAM) を求めます。アイライナーや鉛筆やペンでその位置をマークすることを忘れないでください。いくつかは静止立 位試験でマーカーが使用され、ダイナミック運動試験の場合はそれを削除することが可能です。

- 踝の直径 -
内側足踝マーカが配置されていない場合、内側足踝マーカは脛骨部の遠位端部を識別するために使用されるため、 足首の直径を測定することが非常に重要です。

- 足骨マーカー -
第2、第3中足骨頭と足踝関節中心との間の点から、足の長軸に沿った線として可視化されます。左右中足骨マー カー(RSMH/LSMH)は、第2第3中足骨頭の側面に配置されています。
左右踵マーカー(RCA/LCA)は、内外側の位置が足踝関節の中心に沿った踵骨上に配置されます。
 足マーカーに使うすべてのマーカーは、全立地条件下において足底表面上の同じ高さにあります。靴やヒール条 件でも(矢状面から見て)中足骨から踵までのラインが足底表面に平行で配置されなければなりません。
既存の歩行分析モデルは本来のセグメントの向きを追跡するための情報が不足しています。例えば、足の反転/ 外転は既存の歩行分析モデルで確実に測定することができません。追加トラッキングマーカーを推奨します。
- 拡張足骨セグメント -
1つ多い追跡マーカーにより、足骨セグメントの追跡を容 易にします。例として、5本目の中足骨に配置されることで、 3つの追跡マーカーが足骨セグメントに存在することになり、 背側足底屈曲/回内外/内外転を可能とします。
この追加マーカーの配備は非常に重要です。つま先マーカー の高さと比較し、追加されたマーカーの高さによって背側 足底屈曲を定めます。足の矢状面が次の3点によって定義されます。
CA(FCC) :踵骨頂点
SMH(FM2) :第2指中足骨
VMH(FM5) :第5指中足骨

– 骨格モデルの構築 –

- CODA Pelvis -
このセクションでは、既存歩行分析モデルの構築の仕方を詳述します。
このセクションで使うファイルはこちらのページより[Conventional Gait Example 1]をダウンロードしてください。
1. “Model”メニューから”Create”を選択する(Staticの追加)
2. “Hybrid Model from C3DFile”を選択する
3. 静止立位ファイルを開く
4. 自動的に”Model Building”モードに変わります。
5. セグメント名欄:”Pelvis”
6. セグメントタイプ欄:”Coda”
7. "Create"をクリック
8. Visual3Dは被験者の体重と身長を必要とするので、ダイア
ログボックスに”体重56kg”と”身長1.77m”を入力し
て”OK”をクリックする
9. “Close”をクリック
10.“Build Model”をクリックする

- Bell and Brand 股関節中心 -
股関節中心計算は、股関節中心座標骨盤に比べてシステムに骨盤原点からの距離の推定値を提供する回帰式(ベルとブ ランド1989)に基づいています。ASIS間の距離が必要とされる唯一の計算値です。
ASIS間の距離測定について説明します。これは臨床的に測定することができ、またはその距離はASISマーカーの3次元 位置から算出することができます。GTの足の長さやASISのいかなるメジャー測定も必要ありません。
股関節中心回帰式は以下のように定義されます:
RIGHT_HIP :0.36*ASIS_Distance,-0.19*ASIS_Distance,-0.3*ASIS_Distance
LEFT_HIP :-0.36*ASIS_Distance,-0.19*ASIS_Distance,-0.3*ASIS_Distance
右左股関節中心の推定値は、Coda_Pelvisセグメントが作成されるときに自動的にランドマークとして表現されます。
注意事項:触診された左右ASISマーカーがランドマークと同等 位置に配置されている場合、被験者が肥満であるため、直接 “Subject Data/Metrics”タブをクリックして値を入力する 必要があります。この操作を行わないと、股関節中心の計算が 不正確になります。

- 被験者計測の登録 -
CODAの骨盤は、直接測る必要がありません。既存の歩行分析モ デルは膝と踝の測定値が必要となります。Visual3Dでこれらの測 定値を入力するには、処理対象データのメトリックを作成する必 要があります。
1. “Subject Data/Metrics”タブをクリック
2. “Add New Item”をクリック
3. タイプ名:”RKNEEWIDTH”
4. 値:“0.099”
5. “OK”をクリック
これは“RKNEEWIDTH"リストに表示されます。上記の手順を 使用して、次の対象データの値を入力します。
■“LKNEEWIDTH” :0.1
■“RANKLEWIDTH" :0.066
■“LANKLEWIDTH” :0.069
■“MARKER_Radius” :0.012

- 右大腿骨セグメントの作成 -
1. "Segments"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Right Thigh”
3. セグメントタイプ欄:”Visual3D”
4. "Create"をクリック
5. 近位関節および半径セクションでは”RIGHT_HIP”を選択
6. 近位半径ボックスで”0.089”と値を入力する。大腿部近位半径は、近位端の幾何学的半径となる。これを測るために は”ノギス”を使用するか、大転子間の距離の1/4の値として 指定する。
7. “Define Distal Joint and Radius":遠位関節および半径の 定義”セクションにおいては、外側“RFLE”を選択する。
8. 遠位半径欄:“0.5*RKNEEWIDTH+MARKER_RADIUS”
9. “Define Orientation”セクションでは、外側マーカーと”RTH”マーカーを指定する。
10.“追跡マーカー”:”RIGHT_HIP, RFLE, RTH” 11."Build Model"をクリック

-- 左大腿骨セグメントの作成 --
1. "Segments"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Left Thigh”
3. セグメントタイプ欄:”Visual3D”
4. "Create"をクリック
5. 近位関節および半径セクションでは”LEFT_HIP”を選択
6. 近位半径ボックスで”0.089”と値を入力する。大腿部近位半径は、近位端の幾何学的半径となる。これを測るために は”ノギス”を使用するか、大転子間の距離の1/4の値として 指定する。
7. “Define Distal Joint and Radius":遠位関節および半径の 定義”セクションにおいては、外側“LFLE”を選択する。
8. 遠位半径欄:“0.5*LKNEEWIDTH+MARKER_RADIUS”
9. “Define Orientation”セクションでは、外側マーカーと”LTH”マーカーを指定する。
10.“追跡マーカー”:”LEFT_HIP, LFLE, LTH” 11."Build Model"をクリック

- 膝関節中心の作成 -
既存の歩行分析モデルの膝関節中心は、大腿骨と脛骨の両方に固定されているものとします。それは大腿セグメント遠 位の平面における内外側上顆マーカーの中心に位置します。今まで大腿部のセグメントを構築する際、遠位関節と半径 を定義するためにこれらの計算を使用していました。しかしながらVisual3Dでは、明示的に大腿部分の遠位端にランド マークを作成することによって、膝関節の中心を定義することができます。
- 右膝関節中心のランドマーク作成 -
1. "Landmarks"タブをクリック
2. "Add New Landmark"タブをクリック
3. ランドマーク名:"RIGHT_KNEE"
4. リンク元セグメント欄:"Right Thigh"
5. AP/ML/Axialオフセット値:"-1"
6. “Offset by Percent (1.0=100%)”をチェック
7. “Apply"をクリック
- 左膝関節中心のランドマーク作成 -
1. "Landmarks"タブをクリック
2. "Add New Landmark"タブをクリック
3. ランドマーク名:"LEFT_KNEE"
4. リンク元セグメント欄:"Left Thigh"
5. AP/ML/Axialオフセット値:"-1"
6. “Offset by Percent (1.0=100%)”をチェック
7. "Apply"をクリック

- 右脛骨セグメントの作成 -
1. "Segments"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Right Shank”
3. セグメントタイプ欄:”Visual3D”
4. "Create"をクリック
5. "Define Proximal Joint and Radius”:”RFLE"
6. "Define Proximal Joint and Radius”:”RIGHT_KNEE"
7. "Define Distal Joint and Radius”:”RFAL"
8. 遠位半径欄:”0.5*RANKLEWIDTH+MARKER_RADIUS”
9. “追跡マーカー”:”RIGHT_KNEE, RFAL, RFLE, RSK”
10."Build Model"をクリック
- 左脛骨セグメントの作成 -
1. "Close"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Left Shank”
3. セグメントタイプ欄:”Visual3D”
4. "Create"をクリック
5. "Define Proximal Joint and Radius”:”LFLE”
6. "Define Proximal Joint and Radius”:”LEFT_KNEE"
7. "Define Distal Joint and Radius”:”LFAL"
8. 遠位半径欄:"0.5*LANKLEWIDTH+MARKER_RADIUS"
9. “追跡マーカー”:”LEFT_KNEE, LFAL, LFLE, LSK”
10."Build Model"をクリック

- 踝関節中心の作成 -
膝と同じように踝(足首)関節中心は、脛骨と足の両方に固定されているものとします。脛骨セグメントを構築すると き、遠位関節とその半径を定義するためにこれらの計算を使用しました。大腿部分の遠位端にランドマークを作成する ことによって、膝関節の中心を定義することができます。
- 右踝関節中心のランドマーク作成 -
1. "Landmarks"タブをクリック
2. "Add New Landmark"タブをクリック
3. ランドマーク名:"RIGHT_ANKLE"
4. リンク元セグメント欄:"Right Shank"
5. AP/ML/Axialオフセット値:"-1"
6. Offset by Percent (1.0=100%)をチェック
7. "Apply"をクリック
- 左踝関節中心のランドマーク作成 -
1. "Landmarks"タブをクリック
2. "Add New Landmark"タブをクリック
3. ランドマーク名:"LEFT_ANKLE"
4. リンク元セグメント欄:"Left Shank”
5. AP/ML/Axialオフセット値:"-1"
6. Offset by Percent (1.0=100%)をチェック
7. "Apply"をクリック

- 右足骨セグメントの作成 -
1. "Segments"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Right Foot”
3. セグメントタイプ欄:”Visual 3D”
4. "Create"をクリック
5. "Define Proximal Joint and Radius”:”RFAL"
6. "Define Proximal Joint and Radius”:”RIGHT_ANKLE"
7. "Define Distal Joint and Radius”:”RSMH"
8. 遠位半径欄:”0.06"
9. “追跡マーカー”:”RIGHT_ANKLE, RFAL, RSMH”
10."Build Model"をクリック
- 左足骨セグメントの作成 -
1. "Close"タブをクリック
2. セグメント名欄:”Left Foot”
3. セグメントタイプ欄:”Visual 3D”
4. "Create"をクリック
5. "Define Proximal Joint and Radius”:”LFAL"
6. "Define Proximal Joint and Radius”:”LEFT_ANKLE"
7. "Define Distal Joint and Radius”:”LSMH"
8. 遠位半径欄:”0.06"
9. “追跡マーカー”:”LEFT_ANKLE, LFAL, LSMH”
10."Build Model"をクリック

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