Photogrammetric motion capture subsystem for change of body position analysis in the frontal and sagittal planes

Abstract

EN: Context. The increase in other orthopedic injuries, particularly among military personnel, requires new innovative solutions to assess posture changes and monitor rehabilitation effectiveness. Existing systems have limitations in terms of portability, cost, and flexibility of use, which necessitates the development of hybrid systems that combine computer vision and sensory analysis methods.. Objective. To assess the effectiveness of combining non-contact computer vision and accelerometric sensors for detecting changes in human posture under different lighting, background, and movement speeds Method. The study implemented a photogrammetric subsystem that includes MediaPipe Holistic for markerless tracking of key body points and WitMotion WT9011DCL-BT50 accelerometers for analyzing inertial motion parameters. The system model was built in IDEF0 notation. The accuracy was assessed by comparing the obtained values of the blade inclination angle and the asymmetry coefficient with the specified norms Results. The combined use of visual and sensory data made it possible to reduce the error to 5.05% under normal conditions and ensure the stability of the results under conditions of changes in the external environment. Image modification (contrast, noise filtering) increased the accuracy of computer vision. Threshold values of the asymmetry coefficient corresponding to normal, mild and severe postural disorders were determined. Conclusions. The proposed system demonstrates high potential effectiveness in telemedical rehabilitation support for patients with musculoskeletal disorders. Its practical significance lies in the creation of an affordable, portable, and accurate diagnostic and monitoring tool suitable for further integration into personalized medicine systems with built-in artificial intelligence modules. UK: Актуальність. Зростання кількості ортопедичних травм, зокрема серед військовослужбовців, потребує нових інноваційних рішень для оцінки змін постави та моніторингу ефективності реабілітації. Існуючі системи мають обмеження щодо портативності, вартості та гнучкості у використанні, що зумовлює потребу в розробці гібридних систем, які поєднують методи комп’ютерного зору та сенсорного аналізу. Мета роботи – oцінити ефективність поєднання безконтактного комп’ютерного зору та акселерометричних сенсорів для виявлення змін постави людини в умовах різного освітлення, фону та швидкості руху. Метод. У дослідженні реалізовано фотограмметричну підсистему, що включає MediaPipe Holistic для безмаркерного відстеження ключових точок тіла та акселерометри WitMotion WT9011DCL-BT50 для аналізу інерційних параметрів руху. Модель системи побудовано у нотації IDEF0. Оцінку точності виконано шляхом порівняння отриманих значень кута нахилу лопаток та коефіцієнта асиметрії із заданими нормами. Результати. Комбіноване використання візуальних і сенсорних даних дало змогу зменшити похибку до 5,05% при нормальних умовах та забезпечити стабільність результатів за умов змін зовнішнього середовища. Модифікація зображень (контраст, фільтрація шуму) підвищила точність комп’ютерного зору. Визначено порогові значення коефіцієнта асиметрії, що відповідають нормі, легким та важким порушенням постави. Висновки. Запропонована система демонструє високу потенційну ефективність у телемедичному супроводі реабілітації пацієнтів із порушеннями опорно-рухового апарату. Її практична значущість полягає у створенні доступного, портативного та точного засобу діагностики та контролю, придатного до подальшої інтеграції у системи персоналізованої медицини з вбудованими модулями штучного інтелекту.