o projekcie
Realizowany projekt o nazwie „eMotion-komputerowy system wspomagania treningu i rehabilitacji z zastosowaniem technologii śledzenia ruchu i wirtualnej rzeczywistości” jest finansowany w ramach grantu Lider X przyznanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju- LIDER/37/0200/L-10/18/NCBR/2019. Grant został przyznany dr inż. Magdalenie Żuk z wysokością pozyskanych środków finansowych wynoszącą 1 500 000,00 złotych.
Celem projektu jest opracowanie komputerowego systemu wspomagania treningu i rehabilitacji z wykorzystaniem technologii śledzenia ruchu oraz wirtualnej rzeczywistości. System eMotion ma umożliwić trening lub rehabilitację w formie interaktywnej, immersyjnej, angażującej gry ruchowej. Zastosowanie technologii śledzenia ruchu 3D pozwoli na ocenę poprawności ćwiczenia, a wykorzystanie wirtualnej rzeczywistości na przestrzenną wizualizację informacji zwrotnej. Rezultatami projektu będzie zintegrowany komputerowy system śledzenia ruchu, interaktywna gra ruchowa realizująca autorskie programy treningowe oraz modele biomechaniczne i metody ilościowego opisu ruchu człowieka.
Projekt realizowany jest przez interdyscyplinarny zespół biomechaników, informatyków specjalizujących się w sztucznej inteligencji we współpracy z rehabilitantami i trenerami osobistymi oraz twórcami gier komputerowych. W zespole przewidziano udział członków na różnych etapie kariery naukowej, zarówno młodych doktorów i doktorantów prowadzących badania w obszarze będącym przedmiotem projektu, jak również wyróżniających się studentów ostatnich lat studiów planujących rozpoczęcie kariery naukowej związanej z tematyką projektu. Dobór członków zespołu, przewidziane szkolenia oraz udział w międzynarodowych konferencjach ma przyczynić się do rozwoju młodej kadry naukowej.
Istotnym elementem realizacji projektu jest zacieśnienie współpracy z przemysłem. Dotychczas nawiązano współpracę z 10 partnerami biznesowymi, którzy wyrazili zainteresowanie rezultatami projektu.
Motywacja do stworzenia projektu
Starzejące się społeczeństwo, wzrost liczby zachorowań na choroby cywilizacyjne, jak również większa samoświadomość w zakresie potrzeby aktywnego i zdrowego stylu życia, są czynnikami wpływającymi na rozwój nowoczesnych rozwiązań, w szczególności w zakresie nowoczesnej rehabilitacji oraz poprawy stanu zdrowia.
Zgodnie z raportem WHO obecnie aż 15% społeczeństwa żyje z określoną formą niepełnosprawności, co stanowi ok. 1 miliarda populacji globalnej. Około 110 (2,2%) – 190 (3,8%) milionów dorosłych cechuje zdecydowana trudność w funkcjonowaniu z powodu niepełnosprawności, a w przeciągu kolejnych lat prognozowany jest dalszy wzrost liczby osób dotkniętych różnego rodzaju ograniczeniami i dysfunkcjami.
Poprzez niepełnosprawność należy rozumieć nie tylko upośledzenie dotyczące różnych czynności życiowych, ale zgodnie z definicją ICF3 jest to zespół ograniczeń aktywności i uczestnictwa oraz interakcji ze środowiskiem i innymi funkcjonującymi w nim jednostkami. Nie bez znaczenia pozostaje również aspekt utrzymania lub poprawy psychofizycznego stanu zdrowia. Zgodnie z raportem WHO „Global Strategy on Diet, Physical Activity and Health.”, brak aktywności fizycznej jest jednym z czterech głównych czynników przyczyniających się do zwiększenia śmiertelności- szacuje się, że 6% zgonów w skali globalnej spowodowanych jest brakiem podejmowania aktywności fizycznej. Głównymi jego następstwami są choroby układu krążenia, układu mięśniowo – szkieletowego, zaburzenia wagi oraz cukrzyca. Choroby związane z brakiem aktywności kosztują Europę ponad 80 miliardów rocznie. To więcej niż koszt leków przeciwnowotworowych na całym świecie. Brak ćwiczeń przyczynia się do 1 na 10 zgonów w Europie, ponad pół miliona osób umiera z powodu braku aktywności fizycznej. Jak możemy powstrzymać tę epidemię? Można przekonać ludzi, żeby więcej się ruszali… Aż trudno uwierzyć, że wystarczy 20 minut umiarkowanej aktywności fizycznej dziennie ! Jeśli jedna z pięciu nieaktywnych fizycznie osób podejmie się tego wyzwania, możemy uratować 100 000 ludzi w samej Europie rocznie, a przy okazji zaoszczędzić ponad 16 miliardów euro każdego roku.
Zaobserwować można rosnące zapotrzebowanie społeczne i rynkowe na nowoczesne rozwiązania wspierające atrakcyjną i motywującą formę aktywności ruchowej i rehabilitacji dla szerokiej grupy odbiorców (dzieci, osoby pracujące, seniorzy) dostępnej zarówno w klubach fitness, w domu, szkole, czy pracy. Wszystkie powyższe czynniki przyczyniają się zaś do wzrastającego zapotrzebowania na rozwój nowoczesnych technologii, które docelowo stanowić mają integralną część życia codziennego. Zgodnie z raportem Frost and Sullivan „Advances in Rehabilitation Devices–Technical Insights,” obecne trendy skłaniają się w kierunku nowoczesnych metod rehabilitacji oraz opracowania efektywnych technologii terapii ruchowej, których istotnymi funkcjami, poza poprawą jakości rehabilitacji są: możliwość dokładnego monitorowania oraz korygowania nawet najdrobniejszych ruchów ciała, z naciskiem na kończyny dolne i górne7. Dzięki takim rozwiązaniom istnieje możliwość podniesienia efektywności wykonywanych zabiegów rehabilitacyjnych, czy też wykonywanych programów treningowych.
Prace projektowe podzielone są na następujące etapy:
● Etap 1 Opracowanie systemu śledzenia ruchu 3D.
● Etap 2 Opracowanie metod identyfikacji struktury kinematycznej i modeli biomechanicznych.
● Etap 3 Opracowanie gry ruchowej wykorzystującej technologię śledzenia ruchu i wirtualną rzeczywistość.
● Etap 4 Testy i ocena działania komputerowego systemu wspomagania treningu i rehabilitacji.
Najważniejszymi efektami projektu będą:
- Biblioteka programistyczna, która może być udostępniona innym twórcom gier i oprogramowania wykorzystującego śledzenie ruchu człowieka.
- Prototyp interaktywnej gry ruchowej.
- Dwa systemy śledzenia ruchu: zaawansowany i niskobudżetowy.
etapy projektu
Etap 1
Add Your Heading Text Here
W ramach etapu opracowany zostanie system śledzenia ruchu dla komputerowego systemu wspomagania treningu i rehabilitacji. Przewidziane jest przygotowanie dwóch konfiguracji systemu śledzenia ruchu:
- zaawansowany, przeznaczony do użycia w wyspecjalizowanych jednostkach: centrach rehabilitacyjnych, studiach treningowych, siłowniach,
- niskobudżetowy, przeznaczony głównie do użycia w warunkach domowych, w szkołach, miejscach pracy, mniejszych ośrodkach rehabilitacji i sportu.
Opracowywane systemy śledzenia ruchu 3D będą opierać swą konstrukcję głównie na technologii optycznej nawigacji i będą wykorzystywały komercyjnie dostępne komponenty (np. kamery na podczerwień, laserowe stacje bazowe).
Dowiedz się więcej na temat obu tworzonych przez nas systemów.
ETAP 2
Opracowanie innowacyjnych metod identyfikacji struktury kinematycznej i modeli biomechanicznych
Kluczowym zadaniem w projekcie jest opracowanie metod identyfikacji struktury kinematycznej człowieka oraz ilościowy opisu parametrów kinematycznych na podstawie danych pomiarowych uzyskanych z opracowanych w poprzednim etapie dwóch systemów śledzenia ruchu 3D.
Innowacyjne podejście w projekcie eMotion będzie polegało na opracowaniu nowych modeli biomechanicznych i protokołów pomiarowych, które do identyfikacji położenia szkieletu będą wykorzystywać informacje o biomechanice narządu ruchu i modelowaniu stawów człowieka i będą niezależne od rozmieszczenia znaczników zapewniając tym samym uniwersalność rozwiązania. Położenie segmentów, orientacja płaszczyzn anatomicznych, osi obrotu kierunków będzie rozpoznawane na podstawie zarejestrowanych trajektorii markerów i kontrolerów oraz opracowanych założeń biomechanicznych z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji. Opracowane zostaną metody kalibracji anatomicznej pozwalające na identyfikację segmentu z różnych stron oraz algorytmy uzupełniania brakujących danych w przypadku zasłonięcia markera.
W ramach realizacji tego zadania stworzony zostanie model klasyfikacji odpowiedzialny za mapowanie poszczególnych punktów 3D na punkty charakterystyczne szkieletu, aby zapewnić właściwą identyfikację segmentów. Przewidujemy budowę komitetu klasyfikatorów z uwzględnieniem ich zróżnicowania oraz metody w oparciu o techniki głębokiego uczenia “Deep learning”. Dodatkowo, to zadanie obejmuje również zebranie reprezentatywnego zbioru uczącego zawierającego wszystkie sekwencje treningowe wykonywane podczas kalibracji systemu. Rezultatem tego etapu będzie implementacja opracowanych metod w bibliotece programistycznej, która może być wykorzystana przez innych twórców gier ruchowych.
Etap 3
Opracowanie gry ruchowej wykorzystującej technologię śledzenia ruchu i wirtualną rzeczywistość
Kolejnym etapem jest opracowanie interaktywnej gry ruchowej wykorzystującej technologię śledzenia ruchu i wirtualną rzeczywistości. Możliwość śledzenia ciała 3D wraz z przestrzenną wizualizacją środowiska i wirtualnych obiektów otwiera zupełnie nowe możliwości i wymaga odmiennego spojrzenia na proces treningu i rehabilitacji. Wśród nowych możliwości wymienić można:
- przestrzenną wizualizację sposobu wykonania ćwiczenia;
- jakościową i ilościową ocenę poprawności wykonania ćwiczenia;
- prezentację informacji zwrotnej (sprzężenie zwrotne, biofeedback);
- interakcję z obiektami wirtualnymi (sięganie, przenoszenie obiektów wirtualnych);
- wprowadzenie grywalizacji w proces treningu i rehabilitacji.
Przewidywane korzyści to zwiększenie atrakcyjności ćwiczeń i motywacji, kontrola bezpieczeństwa wykonywanych ćwiczeń, możliwość rehabilitacji domowej, szansa zdalnej kontroli procesu rehabilitacji, możliwość ilościowej oceny skuteczności treningu i rehabilitacji ( np. obserwacja zmian zakresu ruchu w stawach, lub dokładności realizacji ruchów w czasie). W trakcie prac przeprowadzone zostaną badania użyteczności oraz testy funkcjonalne oprogramowania .
Etap 4
Testy i ocena działania komputerowego systemu wspomagania treningu i rehabilitacji
W ostatnim etapie projektu, komputerowy system wspomagania treningu i rehabilitacji z zastosowaniem technologii śledzenia ruchu i wirtualnej rzeczywistości zostanie zintegrowany. Przeprowadzone zostaną testy systemu w warunkach laboratoryjnych i rzeczywistych. Przeprowadzona zostanie ilościowa ocena działania systemu na różnych grupach użytkowników (np. osoby aktywne fizycznie, dzieci, osoby starsze).
Zakładamy także testowe uruchomienie systemu w centrach fitness oraz ośrodkach rehabilitacyjnych. Jeśli jesteś zainteresowany przetestowaniem naszych rozwiązań w swojej firmie skontaktuj się z nami.