Relatório Interno Aplicações computacionais

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MovLab - Laboratório de Tecnologias de Interacção e Interfaces

CICV - Centro de Investigação em Ciências Veterinárias

FMV-ULHT - Faculdade de Medicina Veterinária

Relatório Interno

Aplicações computacionais

Protocolo de captura e processamento de dados com sistema

Vicon® (hardware, MX e UltranetHD e software, Nexus®) e

desenvolvimento de um modelo para aplicação em

biomecânica equina

Ivo F. Roupa

João M.C.S. Abrantes

Trabalho realizado no âmbito do Projecto:

PTDC/CVT/113480/2009 – Biomecânica equina: Análise cinemática e dinamométrica em

locomoção equina normal e na comparação do efeito de diferentes conformações e

tratamentos ortopédicos.

Projecto financiado pela FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Parceria MovLab pelo CICANT / FMV pelo CICV

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2 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes

Resumo

O presente relatório descreve os procedimentos indispensáveis à configuração e manuseamento do Sistema Vicon® (hardware, MX e Ultranet HD e software, Nexus) o qual permite a recolha e processamento de dados cinemáticos de qualquer modelo biomecânico. Complementarmente, este relatório sistematiza de forma detalhada (através de palavras e imagens) o processo de desenvolvimento de um modelo para aplicação em Biomecânica equina, inexistente à data. Nesse sentido, a pesquisa bibliográfica realizada acerca dos modelos biomecânicos equinos (bidimensionais e tridimensionais) revelou-se fundamental na identificação das especificidades de cada um e consequente selecção do modelo que melhor se adequa aos objectivos do projecto denominado “PTDC/CVT/113480/2009 – Biomecânica Equina: Análise Cinemática e Dinamométrica em Locomoção Equina Normal e na Comparação do Efeito de Diferentes Conformações e Tratamentos Ortopédicos”. Esta fase do processo de desenvolvimento do modelo biomecânico equino termina com a construção de um protótipo elementar representativo da morfologia geral do cavalo.

Posteriormente, proceder-se-á à recolha das coordenadas tridimensionais dos marcadores colocados no protótipo citado, com vista à criação dos ficheiros necessários à identificação automática dos marcadores pelo software Nexus e à determinação das variáveis cinemáticas associadas ao modelo desenvolvido.

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This report depicts the procedures required to the configuration and use of Vicon System (hardware, MX, Ultranet HD and software, Nexus), which enables the collection and process of kinematic data from any biomechanical model.

Furthermore, it gives a detailed (word and graphic) description of how a model, non-existent to date, to be used on equine biomechanical field, was developed.

In this way, the bibliographical research on equine biomechanical models (two-dimensional and three-dimensional) was fundamental in order to identify the specificities of each model and, consequently, select the one most adequate to achieve the purposes of project “PTDC/CVT/113480/2009. Equine Biomechanics: kinematic and dynamometric analysis in equine normal locomotion and in comparing the effect of different orthopaedic conformation and treatment”. This stage of the model development process ends with the construction of a primary prototype, representative of horse general morphology.

Subsequently, three-dimensional coordinates of the markers placed on the prototype shall be collected with the aim of, not only generating the files necessary to the automatic identification of the markers by Nexus software, but also determining the kinematic variables associated to the model in question.

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Índice

INTRODUÇÃO ... 5

I - Hardware ... 7

1 Ligar Plataforma de Forças AMTI (hardware AMTI MiniAmp) ... 7

2 Ligar MXUltranet 1 e 2 ... 7

3 Ligar MXControl ... 7

4 Ligar Computador ... 7

5 Ligar câmara de vídeo (desligada) ao PC através de cabo Firewire ... 7

6 Configurar “IP Address” do Computador ... 7

II - Software ... 10

1 Introdução ... 10

2 Configuração da estação de trabalho ... 11

3 Procedimentos Iniciais ... 13

4 Instalação e Calibração da Plataforma de Forças ... 15

5 Calibração das Câmaras MX ... 19

6 Calibração da Câmara de Video DV ... 31

7 Criar Base de Dados ... 33

8 Recolher Dados do executante ... 34

9 Captura de Dados ... 34

10 Processamento de Dados ... 41

11 Operações Complementares de Processamento ... 47

III – DESENVOLVIMENTO DE UM MODELO EQUINO ...56

1 Pesquisa bibliográfica ... 56

2 Modelo preliminar ... 59

3 Protótipo elementar ... 62

4 Coordenadas tridimensionais do protótipo elementar ... 63

5 Identificação automática dos marcadores ... 66

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O presente relatório insere-se no âmbito das actividades do projecto denominado “PTDC/CVT/113480/2009 – Biomecânica Equina: Análise Cinemática e Dinamométrica em Locomoção Equina Normal e na Comparação do Efeito de Diferentes Conformações e Tratamentos Ortopédicos”.

Um dos objectivos do projecto em apreço consiste no desenvolvimento de um método de caracterização da locomoção equina, através da aplicação de um modelo biomecânico tridimensional do cavalo. Nesse sentido, impõem-se avançados conhecimentos na óptica do utilizador do Sistema Vicon®, constituído pelas seguintes aplicações informáticas: i) “Nexus” – que permite a aquisição dos dados relativos às coordenadas tridimensionais dos marcadores retroreflectores e o seu processamento (reconstrução tridimensional das trajectórias dos marcadores, sua identificação e associação espacial de modo a definir cada um dos segmentos corporais do cavalo e cálculo das variáveis cinemáticas lineares e angulares associadas ao modelo); ii) “BodyBuilder” – que assegura o desenvolvimento e teste do código que possibilitará à aplicação Nexus realizar o cálculo citado. Da conjugação das aplicações mencionadas resultam três ficheiros, a saber: “.VST” (Vicon Skeleton Template); “.MOD” (Model File) e “.MP” (Model

Parameters). Nesse sentido, a realização de um manual de captura e processamento de dados

com o sistema Vicon® (hardware, MX e UltranetHD e software, Nexus®) constitui um instrumento de apoio fundamental dos investigadores, durante as sessões de recolha e processamento de dados dos cavalos seleccionados. Por outro lado, e considerando que à data, o Sistema Vicon® não possui os ficheiros anteriormente referidos (“.VST”, ”.MOD” e ”.MP”) adaptados à Biomecânica Equina, o Projecto em apreço propõe-se desenvolver os procedimentos necessários à implementação de rotinas actualmente utilizadas na análise do movimento Humano, aos cavalos.

Para esse efeito, além do domínio do funcionamento do Sistema Vicon® (Nexus + BodyBuilder) é exigido profundo conhecimento da morfologia do cavalo, pois qualquer modelo deverá representar da forma mais fidedigna possível a estrutura do objecto de estudo (as marcas retroreflectoras são colocadas em pontos anatómicos específicos do animal).

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Numa fase prévia à recolha de dados no terreno, estão a ser realizados ensaios em laboratório, através da utilização de um protótipo elementar da estrutura óssea do cavalo, em PVC, criado especificamente para este fim, no qual serão colocados marcadores retroreflectores em pontos representativos das eminências ósseas do animal. De salientar que o número e a localização dos marcadores depende da revisão bibliográfica específica realizada.

Uma vez definidas as rotinas de funcionamento do Sistema Vicon® (recolha e processamento dos dados) e desenvolvido o código indispensável ao cálculo das variáveis cinemáticas (ficheiros “.VST” - Vicon Skeleton Template; “.MOD” - Model File e “.MP” - Model Parameters devidamente adaptadas ao modelo biomecânico equino, proceder-se-á à recolha de dados laboratoriais preliminares através do protótipo desenvolvido, com vista à detecção de eventuais limitações do modelo criado. Após a correcção destas, realizar-se-ão novas recolhas laboratoriais, com vista a confirmar que os erros detectados foram eliminados.

Posteriormente, serão recolhidos em meio laboratorial adequado dados de cavalos disponibilizados para o efeito, visando a concretização dos objectivos estabelecidos: a aquisição de dados respeitantes à locomoção equina e o desenvolvimento contínuo do modelo equino criado.

De salientar que os procedimentos constantes do presente documento estão sujeitos às modificações e adaptações consideradas necessárias pela equipa responsável pelo projecto, tendo em conta, designadamente, a alteração das variáveis objecto de estudo, as inovações metodológicas de investigação nesta área referenciadas na bibliografia analisada, entre outras.

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2 Ligar MXUltranet 1 e 2

3 Ligar MXControl

4 Ligar Computador

5 Ligar câmara de vídeo (desligada) ao PC através de cabo Firewire

6 Configurar “IP Address” do Computador

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8 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 6.2 Seleccionar “Internet Protocol (TCP/IP)”

6.3 Alterar opção “Obtain an IP Address automatically” para “Use the following IP address” e colocar os valores:

IP Address : 192.168.10.1 Subnet Mask : 255.255.255.0

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II - Software

1 Introdução

Ao longo do tutorial decidimos utilizar o símbolo “>” para representar a ligação hierárquica entre menus e submenus. Exemplificando, ao aparecer Resources > MXSystem > Properties > Frame

Rate o procedimento a adoptar será procurar o menu Resources, dentro deste o submenu

MXSystem, em seguida o submenu Properties e finalmente seleccionar o submenu Frame Rate com o botão esquerdo do rato. Definiu-se também que os ensaios seriam classificados de acordo com a seguinte terminologia (Estático e Dinâmico(s)).

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Menu Superior (1); Menu Resources (2); Menu Central (4) e Menu Tools (5) e um menu secundário

Properties (3)

que podem ser livremente redimensionados, seleccionando e arrastando livremente a linha tracejada que define as margens de cada menu.

Outra forma de personalizar o ambiente de trabalho, consiste no encerramento de menus (Resources ou Tools). Para reabrir o(s) menu(s) encerrado(s) há que realizar o seguinte procedimento.

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3.1 Ligar câmara de vídeo DV

Aguardar reconhecimento da drive no Windows

3.2 Ligar software Nexus

3.3 Colocar o sistema em Live

Painel Resources > Live

3.3.1 Verificar o sinal do hardware no Nexus Resources > Vicon Cameras

> MX Controls > MX Connectivity > DV Cameras > Force Plates

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3.3.2 Definir Frequência de Captura das Câmaras Mx Resources > Local Vicon System > Properties > MX System > Frame Rate (Hz)1

1

VR – Valor Recomendado: A frequência de captura das câmaras MX tem que ser múltipla (5x) da velocidade de captura da câmara de vídeo DV, logo, sendo a velocidade da câmara DV 25 fps, a velocidade de captura das Câmaras MX deverá ser no mínimo de 125 Hz.

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Forças e outro(s) equipamento(s) analógico(s) Resources > MXControls > #1 (MX Control) > Analog Card (Slot 1) > Properties > Configuration > Sampling Frequency (Hz)2

4 Instalação e Calibração da Plataforma de Forças

4.1 Instalar Modelo da Plataforma de Forças

4.1.1 Adicionar Modelo da Plataforma de Forças Resources > Force Plates (Click no botão direito do rato) > AMTI OR6 Series Force Plate

2

VR – Valor Recomendado: O procedimento aplicado no cálculo da frequência das câmaras MX aplica-se igualmente à plataforma de forças e a outros equipamentos analógicos. Neste caso, mantém-se a necessidade do valor de captura da plataforma de forças ser múltiplo (5x) da frequência de captura das câmaras MX, no entanto, recomenda-se a frequência mínima de 900 Hz.

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4.1.2 Seleccionar hardware analógico de input Resources > Force Plates > Properties > Source > Source Device > MX Contr…g Card 1

4.1.3 Configurar canais

Resources > Force Plates > #1 AMTI OR6 Series Force > Properties (Show Advanced) > Source > Fazer corresponder cada canal a um “Pin”. É possível seleccionar um a um ou todos em simultâneo (Ctrl + Shift + Botão Esq. Do Rato)

Canal Fx Fy Fz Mx My Mz

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4.1.4 Gravar

4.2 Calibrar a Plataforma de Forças

4.2.1 Carregar o ficheiro de calibração da plataforma Resources > Force Plates > Properties > Calibration > Calibration File > AMTI5254.1.plt Localização: C:\File_Calibração_Plataforma\AMTI5254.1.plt

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4.2.2 Calibrar o software

Resources > Force Plates > AMTI OR 6 Series Force (Click no botão direito do rato) > Zero Level

4.2.3 Corrigir as dimensões da plataforma Resources > Force Plates > Properties > Dimensions

X – 400 (mm) / Y – 600 (mm)

4.2.4 Gravar

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5 Calibração das Câmaras MX

5.1 Pré-Calibrar Câmaras MX

5.1.1 Seleccionar e colocar o calibrador (Obrigatório usar o modelo 5 Marker Wand & L-Frame) Colocar o calibrador sobre a plataforma de forças na posição da imagem:

5.1.2 Verificar ordem das câmaras MX em relação à câmara de vídeo DV

A câmara de vídeo DV tem uma posição fixa no Laboratório (alinhada com o eixo X da plataforma de forças, câmara 1 na figura). As câmaras MX podem ter uma localização variável de acordo com o volume a calibrar, contudo, deve-se manter uma ordem pré-definida de acordo com a numeração afixada em cada uma dessas câmaras (1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 – 8).

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5.1.3 Reajustar ordem das câmaras MX (opcional) Resources > MXCameras (Click Botão direito) > Reorder

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5.1.4 Definir no software o modelo de calibrador utilizado

Menu Tools > System Preparation

Campos Wand e L-Frame: 5 Marker Wand & L-Frame

5.1.5 Ajustar a imagem vídeo de cada câmara Mx Seleccionar câmara a câmara Mx (Resources > Mx Cameras) e no painel central seleccionar tipo de vista Camera

Utilizar botões do rato:

Botão esquerdo – Muda Perspectiva

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Botão Direito – Zoom In / Zoom Out

Ajustar os seguintes parâmetros de acordo com os valores indicados3 Resources > MX Cameras > Properties > Settings

Ajustar Strobe Intensity – VR – 100% Ajustar Threshold - VR – 0,2 / 0,3 / 0,4 Ajustar Gray Scale Mode - VR – Auto

Ajustar Minimum Circularity Ratio - VR – 0,2

3

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5.1.6 Verificar a qualidade da imagem de todas as câmaras

Se necessário reajustar o valor que apresente ruído através do procedimento anterior (5.1.5)

5.1.7 Gravar

5.1.8 Configurar painel central Painel Central > 3D Perspective

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5.1.9 Iniciar pré-calibração das câmaras MX Tools > Aim Mx Cameras > Start4

5.1.10 Terminar pré-calibração das câmaras MX Tools > Aim Mx Cameras > Stop

5.1.11 Verificar imagem das câmaras MX Resources > Mx Cameras

Seleccionar todas as câmaras e mudar painel central para 3D Perspective (deverá agora aparecer o conjunto das imagens das 8 câmaras). No final retirar o calibrador 5 Marker Wand & L-Frame do volume de captura e ocultá-lo das câmaras.

4

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5.2 Calibrar as Câmaras MX

5.2.1 Definir os parâmetros de calibração das câmaras MX

Tools > System Preparation > Calibrate Mx Cameras

Initial Frames – Número Inicial de frames não utilizados na calibração

Refinement Frames – Número de frames captados por cada câmara para realizar a

calibração. Ajustável de acordo com cada captura

AutoStop - Caso o campo Auto Stop esteja seleccionado, após a obtenção do número de frames definidos no campo Refinement Frames pelas 8 câmaras, o programa pára a captura

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5.2.2 Iniciar Calibração Tools > System Preparation > Calibrate MX Cameras > Start

É necessário segurar o “5 Marker Wand & L-Frame” e movê-lo lentamente dentro do volume de captura. Durante este processo existe em cada câmara um led laranja a piscar. Quando este se apaga e acende o led verde o processo de captura (de cada câmara) está terminado. No final a imagem de cada câmara deverá ficar preenchida pelo efeito “blur” resultante do movimento do “5 Marker Wand & L-Frame”:

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5.2.3 Verificar erro da imagem

Após a obtenção do número de frames (manual ou automaticamente) definido no menu de calibração das MX Cameras (5.2.1) é necessário confirmar o valor do erro da calibração. São considerados valores de referência5 os que se encontram definidos no seguinte intervalo 0,1 < IR < 0 ,5

5

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5.2.4 Terminar Calibração Tools > System Preparation > Calibrate MX Cameras > Stop

5.3 Definir Origem do Volume de Captura

5.3.1 Localizar o calibrador

Colocar o calibrador 5 Marker Wand & L-Frame no ponto que se pretende que seja o “ponto-zero” do Laboratório – VR (no x/y = 0 da plataforma)

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5.3.2 Configurar painel central Menu Central > 3D Perspective

5.3.3 Iniciar Definição da Origem do Volume Tools > System Preparation > Set Volume Origin > Start

5.3.4 Verificar a localização do calibrador

Confirmar que o Nexus localiza o calibrador 5 Marker Wand & L-Frame - deverá aparecer um gizmo (estrutura do calibrador definida pelos 5 marcadores) com a posição do calibrador.

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5.3.5 Finalizar Definição da Origem do Volume Tools > Set Volume Origin > Set

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5.3.6 Gravar

6 Calibração da Câmara de Video DV

6.1 Configurar painel central

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32 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 6.2 Seleccionar Start

6.3 Definir marcadores manualmente

Localizar manualmente no menu central os marcadores com o ponteiro do rato e seleccioná-los. É obrigatório assinalar todos os marcadores de um eixo e depois assinalar os marcadores do outro eixo. A ordem de escolha dos eixos é indiferente.

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33 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 7.1 Abrir Data Management

Menu > Data Management

7.2 Criar Nova Base de Dados

Menu > Data Management > New Database

7.3 Definir Parâmetros da Base de Dados

Localização / Nome / Descrição / Modelo Base de Dados

7.4 Finalizar Processo

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8 Recolher Dados do executante

8.1 Utilizar ficha do anexo

9 Captura de Dados

9.1 Abrir Base Dados

Caso não esteja ainda criada, ver ponto 7

9.2 Definir local de gravação dos dados a ser recolhidos Project > Patient > Session

Project (projecto definido por uma característica comum a todos os ficheiros que vão ser capturados, ex.: Golf) > Patient (Nome do executante) > Session (Sessão com características próprias ou data de gravação).

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35 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 9.3 Criar novo Subject

Resources > Subjects > New Subject from Template > Modelo Desejado

9.4 Definir Nome do Sujeito

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Atribuir a mesma designação que acima foi utilizada para Patient (Nome do executante).

9.5 Seleccionar NewSubject

Este “NewSubject” agora já tem o novo nome atribuído em (Nome do executante).

9.6 Inserir Dados Antropométricos do Executante Resources > Subject > Properties > General

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38 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 9.7 Definir Dados da Captura

Menu Tools > Capture > Next Trial Setup > Trial Name

Nome Ensaio (atribuído de acordo com o tipo de ensaio. O 1º será Estático, os seguintes de acordo com a nomenclatura adoptada - ordem crescente incrementada automaticamente) / Descrição (opcional) / Notas (opcional).

9.8 Iniciar Captura do ensaio Estático Tools > Capture > Start

No ensaio estático o executante encontra-se sobre a plataforma de forças de pé na

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39 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 9.9 Terminar Captura do ensaio Estático

Tools > Capture > Stop

Este ensaio deverá ter uma duração aproximada de 30 segundos.

9.10 Iniciar Captura do ensaio Dinâmico Tools > Capture > Start

Cada ensaio Dinâmico tem uma duração definida de acordo com as características da execução e o volume de calibração definido.

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40 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 9.11 Terminar Captura do ensaio Dinâmico

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41 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes número de vezes necessário

10 Processamento de Dados

10.1 Ensaio Estático

10.1.1 Abrir Base de Dados

10.1.2 Seleccionar Ensaio Estático Projecto > Paciente > Sessão > Ensaio Estático

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10.1.3 Abrir Ensaio

Duplo click no ícone azul para importar os dados das câmaras MX e da plataforma de forças. Caso se pretenda também os dados da câmara de vídeo DV, fazer duplo click no ícone M.

10.1.4 Seleccionar modelo de reconstrução do ensaio estático

Tools > Pipeline > Current Pipeline > Static Plug-in-Gait

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10.1.7 Observar a reconstrução do ensaio

10.2 Ensaio Dinâmico

10.2.1 Abrir o(s) ficheiro(s) de captura(s) dinâmica(s) pretendido(s)

Repetir ponto 9.1.1 a 9.1.3

10.2.2 Seleccionar modelo de reconstrução do ensaio dinâmico

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10.2.3 Executar reconstrução

É possível eliminar/modificar algumas opções de reconstrução. Para tal, há que desmarcar (click com o botão esquerdo do rato) a opção pretendida na lista de operações a realizar e terminar o processo (ver ponto 9.1.6)

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47 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 11.1 Observar a reconstrução do ensaio

11.2 Realizar identificação dos marcadores manualmente Tools > Label / Edit > Manual Labelling

Colocar o ensaio nos frames iniciais e definir manualmente (seleccionar no menu Tools >

Manual Labelling o nome do marcador desejado e de seguida colocar o gizmo criado sobre o

marcador do modelo que se deseja identificar/alterar no menu central e clicar no botão esquerdo) todos os pontos visíveis do executante. Para alterar a posição da imagem ver ponto 5.1.5.

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11.3 Realizar o preenchimento manual das falhas

Durante a reconstrução do ensaio, o software (Nexus) realiza este procedimento através do método Spline Fill (identificação automática dos marcadores através dum modelo matemático baseado nas características do deslocamento dos mesmos), contudo, nem sempre identifica todos os marcadores, deste modo, é necessário mover a barra da linha de gravação6 ao longo do ensaio e repetir o procedimento anterior (ponto 11.1.2) sempre que houver falhas na identificação dos marcadores. Durante este processo os pontos alterados aparecerão num submenu no canto inferior direito do menu Tools.

Existe outro método de preenchimento das falhas mais adequado a grandes intervalos (Pattern Fill) e que consiste na cópia da trajectória de outro marcador cujo deslocamento seja semelhante àquele em que estamos a trabalhar e que queremos preencher, por exemplo, trajecto de uma crista ilíaca com base no trajecto da outra crista ilíaca.

6

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49 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 11.4 Realizar novamente a reconstrução

Consoante as características do ensaio, é possível utilizar diferentes modelos de reconstrução pré-definidos (pipelines), contudo é possível adicionar outros procedimentos para realizar operações não contempladas no modelo seleccionado. Todos os procedimentos aplicados na reconstrução têm parâmetros ajustáveis de modo a obter um melhor resultado final.

Contudo, os procedimentos mais importantes são o Core Processing, (reconstrói as trajectórias dos marcadores ao longo do ensaio) e o Apply Woltring filtering routine (suaviza as trajectórias dos marcadores ao longo do ensaio).

Analisando mais detalhadamente:

11.4.1 Com ajuste dos parâmetros do core processing Processing Level

Tools > Properties > Core Processor > Processing Level

Ao ajustar este parâmetro é possível realizar apenas as seguintes opções:

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Reconstruct – Reconstrói a trajectória dos marcadores em 3D mas não os identifica

automaticamente.

Label – Reconstrói a trajectória dos marcadores em 3D e identifica-os automaticamente,

com base no modelo Vicon (.vsk), desde que exista um ficheiro .vsk associado.

Kinematic Fit – Ajusta os ângulos entre articulações de modo a definir a relação entre

segmentos. Os segmentos definidos no ficheiro .vsk são ajustados e deslocados.

Nota: As opções de reconstrução referidas são aplicadas de forma cumulativa, ou seja, caso se escolha a opção Kinematic Fit, todas as opções anteriores são previamente executadas.

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Tools > Properties > Core Processor > Marker Movement Speed7

Este parâmetro define a capacidade de criar trajectórias contínuas entre os marcadores e pode ser ajustado entre 0 (mais lento) e 10 (mais rápido). Um valor muito elevado aumenta a probabilidade de sobreposição entre os diversos marcadores ao longo do ensaio. O valor predefinido é adequado à maioria das capturas, no entanto, para movimentos com velocidades de execução inferiores a 1 ms-1 ou superiores a 3ms-1 (golf swing) é aconselhável alterá-lo de modo a obter melhores resultados.

7

De acordo com as especificações originais da Vicon: The speed of marker movement specified as a value in the range 0-10, where 0 is almost stationary (such as turtle movements), and 10 is very fast (such as a golf swing). This setting affects the Core Processor's ability to create continuous trajectories. If you use the fastest setting, you can expect continuous trajectories even for very fast moving markers, but if two markers are close to each other there is an increased chance of a crossover (where the 3D trajectory changes from one marker to the other). The default value should be sufficient for typical captures where markers move at around 1-3 m/s. Increase the value for high speed movements such as a golf swing; decrease it for situations where the markers are in close proximity but do not move very much.

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52 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes Label Model Rigidity

Tools > Properties > Core Processor > Label Model Rigidity8

Este parâmetro define a rigidez da posição dos marcadores num dado segmento, e pode ser ajustado entre 0 (maior rigidez) e 10 (maior mobilidade), sendo o valor mais baixo (0) adequado a situações onde não seja expectável qualquer alteração da posição dos marcadores num determinado segmento. Na situação contrária o valor a escolher deverá ser o mais elevado possível (10).

Quality / Speed

Tools > Properties > Core Processor > Quality / Speed9

8

The rigidity of the relationship between the segment and the markers on the object being labeled specified as a value in the range 0-10, where 0 is completely rigid (that is markers are not expected to move in respect to underlying the segment), and 10 is loose (that is the markers are expected to move significantly in respect to the segment).

9

The relative importance of the quality over the speed of processing specified as a value in the range 0-10, where 0 places a higher priority on processing quality (the system tries very hard to get the labels right at the expense of processing speed), and 10 places a higher priority on processing speed (the system processes at high speed at the expense of labeling accuracy). This property primarily affects the labeling function of the Core Processing.

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velocidade de processamento e menor precisão na identificação dos marcadores).

Minimum Cameras per Marker

Tools > Properties > Core Processor > Minimum Cameras per Marker10

Este parâmetro define o número mínimo de câmaras necessárias à reconstrução tridimensional das trajectórias dos diversos marcadores, e pode ser ajustado entre 2 e 10.

10

The minimum number of Vicon cameras, specified as a value in the range 2-10, that must contribute to a 3D marker position before it can be reconstructed and its trajectory tracked.

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54 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes Ray Intersection Factor11

Minimum Recon Separation12

Ajustar velocidade de repetição do ensaio

Menu Central > Time Line (Right Click) > Replay Speed > ...

A velocidade de repetição pode ser ajustada para facilitar a detecção dos marcadores anómalos.

11

The factor, specified as a value in the range 1-10, by which the reconstruction algorithm will be able to form a single reconstruction from rays from different cameras. The higher the value, the more distance is allowed between two rays that contribute to the reconstruction.

12

The minimum distance, specified as a value in the range 0-100 millimeters, allowed between 3D marker positions in order for them to be considered for reconstruction. If two candidate reconstructions are closer than this minimum separation, only the most likely reconstruction (in terms of the number of cameras contributing) will be reported. The other will be discarded. A higher value decreases the likelihood of creating spurious reconstructions, but increases the possibility that some genuine markers will not be reconstructed.

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55 Ivo F. Roupa; João M.C.S. Abrantes 11.5 Apagar ruído do ensaio

11.5.1 Manualmente

Mover a linha do tempo do ensaio e parar no frame onde exista ruído para selecciona-lo e apagá-lo (click com o botão direito do rato abre o menu abaixo e em seguida escolher a opção

delete). É possível seleccionar apenas um ponto do ruído, ou vários em simultâneo. Neste caso há

que premir a tecla Alt e simultaneamente arrastar o rato (desenhando um rectângulo que capte os pontos pretendidos). Todos os marcadores criados encontram-se numerados por ordem crescente de aparição no ensaio. À medida que forem sendo eliminados, desaparecem também do menu Menu Tools > Label / Edit > Manual Labelling.

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III – Desenvolvimento de um Modelo Equino

1 Pesquisa bibliográfica

Objectivo: Identificar bibliografia específica sobre modelos biomecânicos equinos bidimensionais / tridimensionais.

Considerando o objectivo geral definido no projecto “PTDC/CVT/113480/2009 – Biomecânica Equina: Análise Cinemática e Dinamométrica em Locomoção Equina Normal e na Comparação do Efeito de Diferentes Conformações e Tratamentos Ortopédicos” no qual este relatório se insere, e dada a inexistência de aplicações específicas para a Biomecânica Equina no Sistema Vicon®, a realização de pesquisa bibliográfica sobre modelos biomecânicos do cavalo revela-se fundamental. Esta pesquisa pretende identificar os diversos modelos existentes (actuais e passados), suas características (vasntagens e desvantagens) e fundamentos. A compreensão dos princípios destes modelos permitirá criar um modelo que respeite simultaneamente os aspectos morfológicos e funcionais do cavalo e as especificidades do Sistema Vicon®.

Os dados da tabela resumem a informação recolhida até à presente data pelos investigadores sobre o tema de estudo:

Autor Ano Revista Número Página Modelo

Audigie, F. P.Pourcelot, et al 1999 Equine Vet J Suppl 30 210-3 3D

Audigie, F. P.Pourcelot, et al 1998 Am J Vet Res 59 (8) 9378-44 ND

Audigie, F. P.Pourcelot, et al 2001 Equine Vet J Suppl 33 128-34 3D

Audigie, F. P.Pourcelot, et al 2002 J Biomechanics 35(9) 1173-82 3D

Back, W., A. Barneveld, et al. 1994 Vet Q 16 Suppl 2 S91-6 ND

Back, W., A. Barneveld, et al. 1993 Acta Anat (Basel) 146(2-3) 86-9 3D

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Kramer, Keegan et al. 2004 Am J Vet Res 65(6) 741-7 2D

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Pintea and Constantinescu 1975 Zentral Veterinarmed C 4(3) 249-55

(58)

Autor Ano Revista Número Página Modelo

Pourcelot, Degueurce et al. 1997 Equine Vet J Suppl 23 93-6 3D

Rhodin, Alvarez et al. 2009 Equine Vet J 41(3) 274-279 2D

Riemersma, Schamhardt et al. 1988 Am J Vet Res 49(8) 1344-52 2D

Riemersma, van den Bogert et al. 1988 Am J Vet Res 49(8) 1353-9 2D

Roepstorff, Egenvall et al. 2009 Equine Vet J 41(3) 292-6 3D

Rogers, Firth et al. 2005 N Z Vet 53(2) 95-100 2D

Scheffer and Back 2001 Vet Q 23(4) 191-5 3D

Schryver, Bartel et al. 1978 Am J Vet Res 39(11) 1728-33 ND

Townsend, Leach et al. 1983 Equine Vet J 15(2) 117-22 2D

van Weeren, Jansen et al. 1992 J Biomechanics 25(11) 1291-301 3D

von Peinen, Wiestner et al. 2009 Equine Vet J 41(3) 285-291 ND

Waldern, Wiestner et al. 2009 Equine Vet J 41(3) 268-273 ND

Zsoldos, Groesel et al. Equine Vet J Suppl 42(38) 516-22 3D

(59)

Objectivo: Selecção de um modelo preliminar para identificação da localização dos marcadores com base nas eminências ósseas de referência.

A análise preliminar dos artigos seleccionados, permitiu identificar um conjunto de segmentos e de eminências ósseas comuns entre os modelos de diferentes grupos de investigação, não obstante, o modelo inicialmente adoptado e que servirá de suporte ao desenvolvimento de um modelo próprio, será baseado nas indicações transmitidas pela Dra. Hilary Clayton dada a relevância do seu trabalho na área da Biomecânica Equina.

Segment Marker Name Description

1 Head ForeHead Interfrontal incisure at the inferior line of the orbits.

2 Head LCranealFacialCrest Left Facial Crest (craneal)

3 Head RCranealFacialCrest Right Facial Crest (craneal)

4 Head LCaudalFacialCrest Left Facial Crest (craneal)

5 Head RCaudalFacialCrest Right Crest (caudal)

6 Neck LC1 Frontal portion of the atlas wing

7 Neck RC1 Frontal portion of the atlas wing

8 Neck LC6 Transverse Process of the C6

9 Neck RC6 Transverse Process of the C7

10 Back (Thoracic) T5 Spinous Process of the T5

17 Back (Lumbar) L1 Spinous Process of the L1

18 Back (Lumbar) L6 Spinous Process of the L6

19 Back (Sacrum) S1 Spinous Process of the S1

20 Back (Sacrum) S5 Spinous Process of the S5

21 Fore Limb - Scapula Lscap Tuberosity of the scapula spine (on the most flat area)

22 Fore Limb - Scapula Rscap Tuberosity of the scapula spine (on the most flat area)

23 Fore Limb - Humerus Lhumerus Caudal portion of the greater tuberosity of the humerus

24 Fore Limb - Humerus Rhumerus Caudal portion of the greater tuberosity of the humerus

25 Fore Limb - Radius LProxRadius 2 cm proximally to the lateral tuberosity of the radius

26 Fore Limb - Radius RProxRadius 2 cm proximally to the lateral tuberosity of the radius

(60)

Segment Marker Name Description

28 Fore Limb - Radius LMedDistalRadius Medial Styloid Process

29 Fore Limb - Radius RLatDistalRadius Lateral Styloid Process

30 Fore Limb - Radius RMedDistalRadius Medial Styloid Process

31 Fore Limb - Metacarpus LLatlProximalMetac Proximal extr. of interosseous space between II and III Metacarpus

32 Fore Limb - Metacarpus LMedProximalMetac Proximal extr. of interosseous space between II and III Metacarpus

33 Fore Limb - Metacarpus RLatProximalMetac Proximal extr. of interosseous space between II and III Metacarpus

34 Fore Limb - Metacarpus RMedProximalMetac Proximal extr. of interosseous space between II and III Metacarpus

35 Fore Limb - Metacarpus LLatDistalMetac Lateral condyle of Metacarpus III

36 Fore Limb - Metacarpus LMedDistalMetac Medial condyle of Metacarpus III

37 Fore Limb - Metacarpus RLatDistalMetac Lateral condyle of Metacarpus III

38 Fore Limb - Metacarpus RMedDistalMetac Medial condyle of Metacarpus III

39 Fore Limb - P1 + P2 LLatForeP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

40 Fore Limb - P1 + P2 LMedForeP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

41 Fore Limb - P1 + P2 RLatForeP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

42 Fore Limb - P1 + P2 RMedForeP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

43 Fore Limb - P1 + P2 LLatForeP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

44 Fore Limb - P1 + P2 LMedForeP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

45 Fore Limb - P1 + P2 RLatForeP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

46 Fore Limb - P1 + P2 RMedForeP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

47 Fore Hoof- P3 LFrontForeHoof1 Dorsal midline of the hoof near the coronary band

48 Fore Hoof- P3 LFrontForeHoof2 Dorsal midline of the hoof, 2 cm below the LFrontHoof1

49 Fore Hoof- P3 RFrontForeHoof1 Dorsal midline of the hoof near the coronary band

50 Fore Hoof- P3 RFrontForeHoof2 Dorsal midline of the hoof, 2 cm below the LFrontHoof1

51 Fore Hoof- P3 LLateralForeHoof1 Lateral midline of the hoof near the coronary band

52 Fore Hoof- P3 LLateralForeHoof2 Lateral midline of the hoof, 2 cm below the LLateralHoof1

53 Fore Hoof- P3 LMedialForeHoof1 Medial midline of the hoof near the coronary band

54 Fore Hoof- P3 LMedialForeHoof2 Medial midline of the hoof, 2 cm below the LMedialHoof1

55 Fore Hoof- P3 RLateralForeHoof1 Lateral midline of the hoof near the coronary band

56 Fore Hoof- P3 RLateralForeHoof2 Lateral midline of the hoof, 2 cm below the RLateralHoof1

57 Fore Hoof- P3 RMedialForeHoof1 Medial midline of the hoof near the coronary band

58 Fore Hoof- P3 RMedialForeHoof2 Medial midline of the hoof, 2 cm below the RMediallHoof1

59 Hind Limb - Coxal Lcoxal Caudoventral portion of the coxal tuber

60 Hind Limb - Coxal Rcoxal Caudoventral portion of the coxal tuber

61 Hind Limb - Femur LProxFemur Craneal portion of the femur great trochanter

62 Hind Limb - Femur RProxFemur Craneal portion of the femur great trochanter

63 Hind Limb - Fibula LheadFib Frontal portion of the fibula head

64 Hind Limb - Fibula RHeadFib Frontal portion of the fibula head

65 Hind Limb - Tarsus LLateralHock Lateral face of the Talus

66 Hind Limb - Tarsus LMedialHock Medial face of the Talus

(61)

69 Hind Limb - Metatarsus LLateralProximalMetat Proximal extr. of interosseous space between II and III Metatarsus

70 Hind Limb - Metatarsus LMedialProximalMetat Proximal extr. of interosseous space between II and III Metatarsus

71 Hind Limb - Metatarsus RLateralProximalMetat Proximal extr. of interosseous space between II and III Metatarsus

72 Hind Limb - Metatarsus RMedialProximalMetat Proximal extr. of interosseous space between II and III Metatarsus

73 Hind Limb - Metatarsus LLateralDistalMetat Lateral condyle of Metatarsus III

74 Hind Limb - Metatarsus LMedialDistalMetat Medial condyle of Metatarsus III

75 Hind Limb - Metatarsus RLateralDistalMetat Lateral condyle of Metatarsus III

76 Hind Limb - Metatarsus RMedialDistalMetat Medial condyle of Metatarsus III

77 Hind Limb - P1 + P2 LLatHindP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

78 Hind Limb - P1 + P2 LMedHindP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

79 Hind Limb - P1 + P2 RLatHindP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

80 Hind Limb - P1 + P2 RMedHindP1 Lateral tuberosity of P1 just below the articular border

81 Hind Limb - P1 + P2 LLatHindP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

82 Hind Limb - P1 + P2 LMedHindP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

83 Hind Limb - P1 + P2 RLatHindP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

84 Hind Limb - P1 + P2 RMedHindP2 According to the P1-P2 axis: near the coronary band over P2

85 Hind Hoof- P3 LFrontHindHoof1 Dorsal midline of the hoof near the coronary band

86 Hind Hoof - P3 LFrontHindHoof2 Dorsal midline of the hoof, 2 cm below the LFrontHoof1

87 Hind Hoof - P3 RFrontHindHoof1 Dorsal midline of the hoof near the coronary band

88 Hind Hoof - P3 RFrontHindHoof2 Dorsal midline of the hoof, 2 cm below the LFrontHoof1

89 Hind Hoof - P3 LLateralHindHoof1 Lateral midline of the hoof near the coronary band

90 Hind Hoof - P3 LLateralHindHoof2 Lateral midline of the hoof, 2 cm below the LLateralHoof1

91 Hind Hoof - P3 LMedialHindHoof1 Medial midline of the hoof near the coronary band

92 Hind Hoof - P3 LMedialHindHoof2 Medial midline of the hoof, 2 cm below the LMedialHoof1

93 Hind Hoof - P3 RLateralHindHoof1 Lateral midline of the hoof near the coronary band

94 Hind Hoof - P3 RLateralHindHoof2 Lateral midline of the hoof, 2 cm below the RLateralHoof1

95 Hind Hoof - P3 RMedialHindHoof1 Medial midline of the hoof near the coronary band

(62)

3 Protótipo elementar

Objectivo: Construção de um protótipo representativo da posição dos marcadores de acordo com o modelo seleccionado.

A selecção de um modelo existente representa um avanço significativo no processo de desenvolvimento de um modelo próprio na medida em que demonstra uma análise aprofundada dos diversos modelos existentes suas vantagens e desvantagens. No entanto, esta escolha marca o início da fase seguinte do processo: a definição do número e da localização dos marcadores do modelo. Definidos estes aspectos orientadores do processo, torna-se necessário criar um protótipo em tubos de PVC que represente, ainda que de forma elementar, a morfologia do cavalo. Este protótipo permite a colocação dos marcadores retroreflectores em locais representativos das eminências ósseas e a aquisição das coordenadas tridimensionais desses mesmos marcadores.

Considerando a complexidade do protótipo citado, as fotos apresentadas reflectem apenas a morfologia de cada um dos segmentos corporais do cavalo, nomeadamente, membros posteriores, membros anteriores e coluna + cabeça.

Segmento : Membro Posterior

Segmento : Membro Anterior

(63)

4 Coordenadas tridimensionais do protótipo elementar

Objectivo: Recolha das coordenadas tridimensionais dos marcadores do protótipo elementar e sua associação em conjuntos que visam a identificação automática dos marcadores de cada segmento - membro anterior esquerdo; membro anterior direito; membro posterior esquerdo; membro posterior direito e coluna (cervical, torácica, lombar e sagrada ) + cabeça no software Nexus.

Após a construção do protótipo referido na Etapa 3 e a colocação dos marcadores retroreflectores nos locais previamente estabelecidos (Etapa 2) para o modelo do cavalo, colocou-se o protótipo na posição apresentada na imagem abaixo. Esta posição permite adquirir os dados referentes às coordenadas tridimensionais dos marcadores e transmitir uma ideia de como o modelo do cavalo será visualizado. Nas imagens apresentadas, o fundo escuro representa o espaço físico do laboratório onde os dados foram recolhidos, enquanto as linhas brancas no chão são virtuais e representam uma grelha ortonormada cuja distância entre linhas é de 3 metros. A escolha da posição para o protótipo está relacionada com a posição base, também designada “posição quadrada” em que deverá estar o cavalo quando se realizar o ensaio estático em cada sessão de aquisição de dados. As imagens apresentadas em cada um dos planos anatómicos pretendem transmitir uma idea de como se representará o cavalo no modelo criado.

(64)

Marcadores do protótipo: Plano Transverso (Vista superior)

(65)

(66)

Marcadores do protótipo: Plano frontal (Vista traseira)

5 Identificação automática dos marcadores

Objectivo : Criar ficheiro(s) para identificação automática dos marcadores de cada segmento - membro anterior esquerdo; membro anterior direito; membro posterior esquerdo; membro posterior direito e coluna (cervical, torácica, lombar e sagrada ) + cabeça no software Nexus.

Nesta fase do processo, e considerando que as coordenadas tridimensionais dos marcadores retroreflectores já foram adquiridas e processadas, importa identificar os marcadores que ficarão interligados entre si de modo a definir cada um dos segmentos corporais referidos na Etapa 3 (membros posteriores, membros anteriores e coluna + cabeça). Este processo resultará na criação do ficheiro “.VST” que será posteriormente utilizado sempre que se proceder à aquisição de dados cinemáticos em laboratório ou no terreno, quer com o protótipo quer com cavalos reais.

(67)

(68)

Marcadores do protótipo: Membro Posterior Esquerdo

(69)

6 Determinação das variáveis cinemáticas

Objectivo: Criar ficheiro(s) para determinação das variáveis cinemáticas lineares e angulares de cada marcador ou segmento - membro anterior esquerdo; membro anterior direito; membro posterior esquerdo; membro posterior direito e coluna (cervical, torácica, lombar e sagrada ) + cabeça.

A criação do ficheiro com os algoritmos que servirão para a aplicação Nexus realizar o cálculo das variáveis cinemáticas lineares e angulares (deslocamentos, velocidades e acelerações) encontra-se ainda em faencontra-se de deencontra-senvolvimento. Não obstante, importa referir que para efectuar os cálculos citados, é fundamental definir alguns aspectos chave: referencial global do volume de captura, eixos dos segmentos e os referenciais locais de cada articulação. Este último aspecto é fundamental para o cálculo dos deslocamentos intersegmentares.

No que à correspondência entre os movimentos anatómicos em cada articulação e o valor do deslocamento angular nessa mesma articulação diz respeito, regermo-nos-emos pelas orientações definidas por Grood & Suntay.