Thesis (MScPhysio)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The aim of this study was to improve the measurement of postural dynamism in the sitting position using a three-dimensional (3D) motion analysis system. The primary objective was to describe pilot data for postural dynamism of the cervical and thoracic spines while working at a desktop computer. The secondary objective was to refine the process of posture measurement and analysis by decreasing data processing time. Certain factors in 3D motion analysis can lead to an increase in gaps in data collected during trial capture, which in turn will lead to a longer time of data processing. In the first phase of this study, a number of such factors were identified and altered. A series of pilot studies was performed to test the improvement of data processing time when altering these factors. In the first two pilot studies, camera and tripod positionings were explored and refined, workstation layout and anatomical landmark marker placement were investigated, and optimal capture frequency was established. In both these pilot studies, outcomes were established by means of trial and error by experimenting with a variety of different options for the different outcomes. In the third pilot study, computer software which provides computer tasks for the participant during primary trial capture was tested. Two independent computer users performed all the activities as per software, after which they were required to give oral feedback and suggestions on improvement in terms of user friendliness. The objective of the fourth and final pilot study was to include all of the outcomes from the preceeding pilot studies and attempt a trial run of the actual data collection process. A study participant with no affiliation to the research project was used and a complete trial run was performed after which the measurement process was deemed feasible. In the primary study, 18 student volunteers completed a sequence of computer tasks, including keyboard, mouse and reading activities. Prior to data capture, full range of motion of the thoracic and cervical spines were measured in three dimensions for every participant. Data capture took place for the full duration of performance of all computer activities. Outcome parameters for postural dynamism included true range of motion (degrees), proportional range of motion (percentage) and motion frequency (movement per minute) in all three planes of motion of the cervical and thoracic spines. Typing tasks were associated with biggest movement ranges and motion frequencies. Mouse activity was associated with the most stationary posture, exhibiting the least frequent movement as well as the smallest ranges of motion. The results from this study allow us to better understand the dynamic nature of posture, as well as postural dynamism associated with different computer tasks. This study provides a baseline for future research of 3D motion analysis of the sitting posture. It also marks the need for further research regarding ergonomics, use and potential alternatives in the computer workstation and input devices. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het ten doel gehad om die meting van posturale dinamisme in die sitposisie te verbeter deur middel van „n drie-dimensionele (3D) bewegingsanalisesisteem. Die primêre doelwit was om loodsdata te beskryf vir posturale dinamisme van die servikale en torakale werwelkolomme terwyl op „n rekenaar gewerk word. Die sekondêre doelwit was om die proses van postuurmeting en analise te verfyn deur die dataprosesseringstyd te verminder. Sekere faktore van 3D bewegingsanalise kan „n vermeerdering van gapings in ingesamelde data tot gevolg hê, wat weer kan lei na „n verlengde tydperiode van dataprosessering. In die eerste fase van hierdie studie is sulke faktore identifiseer en aangepas. „n Reeks loodsstudies is uitgevoer om die verbetering van dataprosesseringstyd te toets namate aanpassings aan hierdie faktore gemaak is. Tydens die eerste twee loodsstudies is verskillende kamera en driepoot posisionering ondersoek en verfyn, werkstasie uitleg en anatomiese baken merker plasing is ondersoek en die optimale dataversamelingsfrekwensie is vasgestel. In beide hierdie loodsstudies is die uitkomste vasgestel op grond van toets- en fouteer deur te eksperimenteer met „n verskeidenheid opsies soos van toepassing op die betrokke uitkomste. Tydens die derde loodsstudie is rekenaarsagteware getoets wat die rekenaaraktiwiteit vir die studiedeelnemers verskaf het tydens primêre data-insameling. Twee onafhanklike persone het al die aktiwiteite volgens die sagteware voltooi en het verbale terugvoer en aanbevelings gegee oor hoe om die program te verbeter. Die vierdie en finale loodsstudie het gepoog om al die uitkomste van die eerste drie loodsstudies in te sluit en „n toetsmeting te doen van die ware dataversamelingsproses. „n Onafhanklike studiedeelnemer met geen affiliasie tot die navorsingsprojek nie het „n toetslopie van die hele versamelingsproses gedoen en die metingsproses is haalbaar verklaar. Tydens die primêre studie het 18 student-vrywilligers „n reeks rekenaartake gedoen (insluitend sleutelbord en muisaktiwiteite sowel as „n leesopdrag). Voor die aanvang van dataversameling is die volle bewegingsomvange van die torakale en servikale werwelkolomme van elke deelnemer gemeet. Dataversameling is vir die volle durasie van die uitvoer van rekenaaraktiwiteite gedoen. Uitkomsparameters vir posturale dinamisme het die volgende ingesluit: Omvang van beweging (grade), proporsionele omvang van beweging (persentasie) en bewegingsfrekwensie (bewegings per minuut) in al drie bewegingsvlakke van die servikale en torakale werwelkolomme. Sleutelbord-aktiwiteite is geässosieer met die grootste bewegingsomvange en die meeste bewegingsfrekwensie. Muisaktiwiteit is geässosieer met die mees stasionêre postuur en het die heel minste gereelde beweging getoon in die algemeen. Die resultate van hierdie studie help om die dinamise natuur van postuur beter te verstaan, sowel as posturale dinamisme wat met verskillende rekenaartake verbind word. Die studie bied „n basislyn vir die toekomstige navorsings wat posturale dinamisme met verskillende rekenaartake meet. Dit merk ook die behoefte aan verdere navorsing aangaande ergonomika, gebruik en alternatiewe tot rekenaarwerkstasie en –toerusting.

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La compréhension des dysfonctionnements locomoteurs est limitée par l'absence de technologie permettant l'analyse dynamique des structures internes et en particulier des segments osseux. Les imageurs tridimensionnels donnent accès à une description précise mais statique de la morphologie osseuse. Les systèmes d'analyse du mouvement par marqueurs externes fournissent quant à eux une information dynamique mais potentiellement empreinte d'erreurs relativement importantes en raison de la présence de tissus mous entre les os et la peau.<br /><br />Dans un premier temps, une étude a été menée pour proposer une méthode de correction des artéfacts des tissus mous lors de l'estimation du mouvement. Une approche surfacique est décrite. Cette méthode repose sur le suivi de la déformation, induite par le déplacement de l'omoplate, d'une nappe de marqueurs à la surface de la peau. Le suivi est réalisé par un algorithme de recalage robuste, l'IMCP. Cet algorithme, développé dans des travaux précédents, a été modifié et adapté de manière à prendre en compte le contexte de l'étude. Les améliorations ont principalement consisté en un post-traitement des données afin d'exploiter au maximum les capacités de mutualisation de l'information de l'algorithme, la prise en compte de l'influence des bords de la nappe de marqueurs et enfin l'optimisation du temps de calcul. Dans un second temps, afin de réaliser une étude morpho-fonctionnelle dans un espace commun de représentation, un protocole spécifique d'acquisition IRM a été mis en place. Celui-ci a pour objectif le recalage des repères locaux propres à l'acquisition morphologique et à celle du mouvement. L'analyse morpho-fonctionnelle de l'articulation glénohumérale, dans le cas de mouvements empreints d'erreurs, a également nécessité le développement de mesures quantifiant la cohérence articulaire.<br /><br />Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'une nappe de marqueurs recouvrant l'omoplate à la surface de la peau ne permet pas le suivi de l'empreinte de l'os. L'étude sur des simulations conduisent à avancer 2 hypothèses pour expliquer ces résultats : le bruit crée par les tissus mous est trop important et / ou la résolution de la surface de la peau disponible est insuffisante. L'intérêt de tendre vers des méthodes d'acquisition sans marqueurs est ainsi également mis en évidence. L'analyse morpho-fonctionelle a quant à elle mis en évidence l'influence du protocole d'acquisition utilisé sur la cohérence articulaire lors de l'animation des os. Le choix du positionnement des marqueurs sur l'omoplate et sur l'humérus ainsi que la méthode de traitement employée pour reconstruire le mouvement ont ainsi une influence significative sur l'estimation du mouvement des structures osseuses.

Robotic exoskeletons are designed to assist patients with motor dysfunctions. Recent researches focus on extending the robotic assistance to patient activities other than ground level walking. This study aims to analyse the lower limb muscle activity during inclined slope walking contrasting with that of ground level walking. Two different angles of inclination were chosen: 9 degrees and 18 degrees. 9 degrees inclined slope is the universal ramp size for wheelchairs. The hypothesis is that muscle activation, and ultimately metabolic cost, in inclined slope walking is different from that of ground level walking. Collected motion data and simulation in OpenSim prove that the difference in metabolic cost is because of increased activity of ankle dorsiflexors and hip extensors and reduced activity of knee extensors. Finally, muscle activities along with other criteria such as kinematic alignment and joint range of motion are summed up as biomechanical considerations for robotic exoskeleton design.

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L’apparition de la télé-échographie à la fin des années 1990 a largement contribué à l’améliorationdes capacités de prise en charge des patients. Aujourd’hui, le laboratoire PRISME bénéficie d’unsavoir faire reconnu dans la conception de systèmes de télé-échographie robotisée. L’objectif deces travaux de thèse est d’apporter une contribution scientifique et technique au projet ANR-PROSIT,qui vise à la mise en oeuvre d’un robot de télé-échographie innovant. Une étude du geste du praticienen milieu clinique a été menée afin d’en déterminer les caractéristiques cinématiques. Réalisée àl’aide du système de capture de mouvement Vicon Nexus, cette analyse a contribué à l’établissementdes spécifications du futur robot. Sa structure mécanique a fait l’objet d’une attention particulière. Unearchitecture parallèle sphérique a été sélectionnée, étudiée puis optimisée via un algorithmegénétique en fonction des critères d’espace de travail, de dextérité et de compacité. L’architectureainsi obtenue est ensuite analysée sur des aspects de collisions et d’inaccessibilité. Pour le contrôlede ce robot, l’utilisation d’une interface haptique à l’aspect proche d’une sonde d’échographie estproposée. Dotée d’un système de retour d’effort et d’une centrale inertielle fiabilisée par un filtre deKalman adaptatif, cette nouvelle interface a été testée et validée par le système Vicon Nexus. / Since the end of the nineties, the tele-echography has been contributing to improve the taking carecapacities of patients. Today, the PRISME laboratory has a recognized expertise in the design ofrobotic tele-echography systems. The objective of this thesis is to provide scientific and technicalsupport to the ANR-PROSIT project. It aims to design of an innovative tele-echography robot. Anexpert gesture study has been carried out in clinical environment to determine its kinematiccharacteristics. It has been performed using the motion capture system Vicon Nexus and itcontributed to establish the specifications of the future robot. The mechanic structure of this robot hasbeen minutely taken in consideration. The spherical parallel mechanism has been selected, studiedand optimized using a genetic algorithm with respect of criterion such as workspace, dexterity andcompacity. The resulted architecture is then analyzed regarding collisions and inaccessibilityaspects. To control this robot, the use of a haptic device with the same shape of an ultrasound probeis proposed. It provides force feedback and it is instrumented with an inertial measurement unit,processed by an adaptative Kalman filter. This new interface has been tested and validated by ViconNexus system.

L'apparition de la télé-échographie à la fin des années 1990 a largement contribué à l'améliorationdes capacités de prise en charge des patients. Aujourd'hui, le laboratoire PRISME bénéficie d'unsavoir faire reconnu dans la conception de systèmes de télé-échographie robotisée. L'objectif deces travaux de thèse est d'apporter une contribution scientifique et technique au projet ANR-PROSIT,qui vise à la mise en oeuvre d'un robot de télé-échographie innovant. Une étude du geste du praticienen milieu clinique a été menée afin d'en déterminer les caractéristiques cinématiques. Réalisée àl'aide du système de capture de mouvement Vicon Nexus, cette analyse a contribué à l'établissementdes spécifications du futur robot. Sa structure mécanique a fait l'objet d'une attention particulière. Unearchitecture parallèle sphérique a été sélectionnée, étudiée puis optimisée via un algorithmegénétique en fonction des critères d'espace de travail, de dextérité et de compacité. L'architectureainsi obtenue est ensuite analysée sur des aspects de collisions et d'inaccessibilité. Pour le contrôlede ce robot, l'utilisation d'une interface haptique à l'aspect proche d'une sonde d'échographie estproposée. Dotée d'un système de retour d'effort et d'une centrale inertielle fiabilisée par un filtre deKalman adaptatif, cette nouvelle interface a été testée et validée par le système Vicon Nexus.

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Human motion analysis (HMA) can play a crucial role in sports and healthcare by providing unique insights on movement mechanics in the form of objective measurements and quantitative data. Traditional, state of the art, marker-based techniques, despite their accuracy, come with financial and logistical barriers, and are restricted to laboratory settings. Markerless systems offer much improved affordability and portability, and can potentially be used outside of laboratories. However, these advantages come with a significant cost in accuracy. This thesis attempts to address the challenge of democratizing HMA by leveraging recent advances in smartphone technology and machine learning.\newline\newlineThis thesis evaluates two modalities of performing markerless HMA: Single smartphone using Apple Arkit, and multiple smartphone setup using OpenCap, and compares both to a state of the art multiple-camera marker-based system from Vicon. Additionally, this thesis presents and evaluates two approaches to improving the single smartphone modality: Employing a Gaussian Process Model (GPR), and a Long-short-term-memory (LSTM) neural network to refine the single smartphone data to align with the marker-based result. Specific movements were recorded simultaneously with all three modalities on 13 subjects to build a dataset. From this, GPR and LSTM models were trained and applied to refine the single camera modality data. Lower limb joint angles, and joint centers were evaluated across the different modalities, and analyzed for potential use in real-world applications. While the findings of this thesis are promising, as both the GPR and LSTM models improve the accuracy of Apple Arkit, and OpenCap providing accurate and consistent results. It is important to acknowledge limitations regarding demographic diversity and how real-world environmental factors may influence its application. This thesis contributes to the efforts in narrowing the gap between marker-based HMA methods, and more accessible solutions. / Rörelseanalys av människokroppen (HMA) kan spela en betydelsefull roll i både idrott och hälso- och sjukvården. Genom objektiv och kvantitativ data ger den unik insikt i mekaniken bakom rörelser. Traditionella, toppmoderna, markör-baserade tekniker är mycket precisa, men medför finansiella och logistikbaserade barriärer, och finns endast tillgängliga i laboratorier. Markör-fria system erbjuder mycket bättre pris, portabilitet och kan potentiellt användas utanför laboratorier. Dessa fördelar går dock hand i hand med en betydande minskning av nogrannhet. Denna avhandling försöker ta itu med utmaningen att demokratisera HMA genom att utnyttja de senaste framstegen inom smartphoneteknik och maskininlärning. Denna avhandling utvärderar två sätt att utföra markör-fri HMA: Genom att använda en smartphone som kör Apple Arkit, och en uppsättning med flera smartphones som kör OpenCap. Båda modaliteter jämförs med ett markör-baserat system som använder flera kameror, från Vicon. Dessutom presenteras och utvärderas två metoder för att förbättra modaliteten med endast en smartphone: Användning av en Gaussisk Process modell för Regression (GPR) och ett Long-short-term-memory (LSTM) neuronnät för att förbättra data från en smartphone modalititeten, så att det bättre överenstämmer med det markör-baserade resultatet. Specifika rörelser spelades in samtidigt med alla tre modaliteter på 13 försökspersoner för att bygga upp ett dataset. Utifrån detta tränades GPR- och LSTM-modeller och användas för att förbättra data från en kamera modaliteten (Apple Arkit). Ledvinklar och ledcentra för de nedre extremiteterna utvärderades i de olika modaliteterna och analyserades för potentiell använding i verkliga tillämpningar. Även om resultaten av denna avhandling är lovande, då både GPR- och LSTM-modellerna förbättrar nogrannheten hos Apple Arkit, och OpenCap ger korrekta och konsekventa resultat, så är det viktigt att erkänna begränsningarna när det gäller demografisk mångfald och hur miljöfaktorer i verkligheten kan påverka tillämpningen.