Tecniche per l’analisi del movimento utilizzando video in 2D al rallentatore

Redattrice principale Merinda Rodseth sulla base del corso di
Damien Howell

Contributori principaliMerinda Rodseth, Kim Jackson, Tarina van der Stockt, Jess Bell e Thomas Longbottom

Introduzione(edit | edit source)

Lo screening e la valutazione sono importanti in qualsiasi modello di assistenza medica e in fisioterapia implicano l’analisi degli schemi di movimento.(1) L’analisi del movimento umano è di grande interesse per la performance, la prevenzione degli infortuni e il recupero ottimale da infortuni o traumi.(2)(3) La maggior parte degli studi pubblicati sulla cinematica umana ha utilizzato sistemi di analisi del movimento tridimensionali (3D) che sono costosi, richiedono tempo e generalmente non sono ampiamente disponibili nella pratica clinica.(4) Con lo sviluppo della tecnologia, sono disponibili soluzioni più economiche per la valutazione del corpo umano e l’imaging bidimensionale (2D) è diventata un’alternativa ai costosi sistemi 3D.(2)(5) L’analisi video bidimensionale è diventata popolare nella pratica clinica perché richiede solo una videocamera digitale e un software di digitalizzazione, che sono universalmente disponibili, ragionevolmente economici e per lo più portatili.(6)(7) L’analisi video implica “l’osservazione e l’interpretazione sistematica dei video per migliorare l’obiettività e ridurre i pregiudizi e la soggettività insiti nell’osservazione umana”.(8)

Windt et al. (9) hanno proposto una struttura per la presa di decisione clinica composta da quattro domande cliniche da considerare prima di investire in una nuova tecnologia, due delle quali hanno trovato risposta nella precedente discussione sui vantaggi dell’analisi video in 2D al rallentatore:

  1. Le informazioni attese dalla nuova tecnologia saranno utili? Conclusione: ha molti vantaggi e indicazioni ed è utile quando si tratta con i clienti.
  2. Ci si può fidare delle informazioni che fornisce? Conclusione: sì, ci si può fidare.
  3. Si possono integrare, gestire e analizzare queste nuove informazioni in modo efficace?
  4. Si può implementare questa nuova tecnologia nella pratica?

In questa pagina verranno discusse le domande tre e quattro della struttura, con un’attenzione specifica a:

  • Tecniche di registrazione, analisi, archiviazione e recupero dei dati video per migliorare la validità e l’affidabilità dell’analisi al rallentatore delle alterazioni del movimento
  • Identificazione dei punti di riferimento chiave utili per descrivere il movimento durante l’analisi video in 2D al rallentatore

Questo approccio all’analisi video in 2D al rallentatore si basa sulle strutture utilizzate per le radiografie/immagini diagnostiche con le fasi generiche:

  • Registrare l’immagine
  • Analizzare l’immagine
  • Archiviare e recuperare i dati

Preparazione(edit | edit source)

Il primo passo per preparare la registrazione consiste nello spiegare al paziente lo scopo/la necessità di acquisire l’immagine/video e nell’ottenere il suo consenso.(10)(11)

“Il modo in cui ti muovi contribuisce al tuo dolore. Vorrei analizzare il tuo modo di muoverti con l’aiuto dell’analisi video al rallentatore”. “Vedo qualcosa nel tuo modo di muoverti che vorrei mostrarti attraverso l’uso di un’immagine/un video”.

La pianificazione della sessione di registrazione prevede molti fattori, quali: (10)

  • Allestimento (tenendo conto della privacy)
  • Sfondo dell’immagine, compresa l’illuminazione
  • Distanza tra la videocamera e il paziente
  • Scelta della videocamera
  • Quali viste raccogliere
  • Quali movimenti provocano il dolore e/o i movimenti devianti
  • Pianificare il punto finale del video (ad esempio, registrare il movimento del paziente quando ha dolore)

Considerazioni sulla strumentazione e configurazione( modifica | modifica fonte )

1. Scegliere una videocamera

  • Videocamera digitale standard e tradizionale
  • Smartphone
  • Tablet (vantaggio: schermo più grande per condividere il video con il paziente)

2. Decidere l’orientamento dello smartphone/tablet

  • Paesaggio (generalmente suggerito come opzione migliore)
  • Ritratto

3. Montare la videocamera su un treppiede stabile o, in alternativa, tenerla in mano (montaggio stabile della videocamera) (11)

4. Massimizzare la distanza tra la videocamera e il soggetto: “abbastanza lontano”(12)

5. Massimizzare le dimensioni dell’immagine (11)

6. Aggiungere una “griglia” allo schermo

7. Allineare l’asse ottico della videocamera perpendicolarmente (con un angolo di 90°) al piano di movimento (deve essere perpendicolare al movimento e lontano dal soggetto)(12)

8. Tenere conto dell’errore di parallasse

Quando si esegue un’analisi video, è necessario seguire attentamente alcune procedure per ridurre al minimo gli errori sistematici e casuali.(11) Nell’analisi in 2D, il movimento analizzato deve essere circoscritto a un unico piano predefinito, il piano del movimento. Qualsiasi misura di movimento al di fuori di questo piano è soggetta all’errore di prospettiva/errore di parallasse.(11)

Errore di parallasse nella fotografia

La parallasse è “uno spostamento o una differenza nella posizione apparente di un oggetto visto lungo due diverse linee di vista”(13) ed è causata dalla visione di un individuo ad un angolo obliquo mentre attraversa il campo visivo della fotocamera.(6) La parallasse della fotocamera si verifica anche quando l’obiettivo e il mirino/display sono sfalsati sulla fotocamera stessa.(10)(13) Questo crea l’effetto che la posizione o la direzione di un oggetto appaiano diverse quando viene visto da posizioni diverse (come visto attraverso il mirino rispetto all’obiettivo della fotocamera). La parallasse è più evidente quando gli oggetti/persone sono vicini alla fotocamera e diventa relativamente insignificante a distanze maggiori.(13)(14)
Per evitare errori di parallasse durante le riprese:(10)

  • Misurare gli angoli e gli spostamenti lineari solo quando il paziente è perpendicolare all’obiettivo della videocamera (movimenti sagittali o laterali)(4)(15)
  • La videocamera può essere fissata mentre il paziente si muove avanti e indietro ruotando di 180° (vista anteriore-posteriore) – ottenere almeno 2 viste

Stabilizzatore cardanico

  • Il paziente e la telecamera possono muoversi insieme – richiede l’uso di uno stabilizzatore cardanico per mantenere la telecamera ferma ed evitare scatti
  • Inscenare una deambulazione a triangolo in cui la videocamera è fissa e il paziente si gira ad angoli di 60°
    • Il paziente corre/cammina dal punto A al punto B mentre noi riprendiamo dal lato destro
    • Al punto B, il paziente si gira di 180° e lo riprendiamo dal lato sinistro
    • Tornato al punto A, il paziente si gira di 60° e corre dritto verso la videocamera (vista frontale) (punto C)
    • Quando è vicino alla telecamera, il paziente si gira di 60° e corre verso il punto B (vista posteriore)
    • Ripetere questa operazione un numero sufficiente di volte per ottenere una buona frequenza di campionamento
  • Ottenere almeno 2 viste durante le riprese migliora l’accuratezza(3)(4)(15)
    • Anteriore-posteriore
    • Vista laterale destra
    • Vista laterale sinistra
  • Posizionare la videocamera “sufficientemente lontana” dal paziente da riprendere(12)

9. Garantire un’illuminazione ottimale del paziente(10)(11)

  • Fare in modo che la fonte di luce sia dietro la videocamera
  • Quando si registra all’interno, le finestre/le luci devono essere dietro la videocamera
  • Per le riprese all’esterno, assicurarsi che il sole sia dietro la telecamera e filmare in un’area ombreggiata per facilitare la revisione immediata del video
  • Le luci fluorescenti del soffitto potrebbero essere insufficienti se le riprese vengono effettuate di notte e per una migliore esposizione è necessaria un’illuminazione supplementare
  • Evitare di registrare all’esterno al crepuscolo o all’alba – è difficile ottenere un’illuminazione corretta
  • È necessaria una maggiore illuminazione quando si registra a frequenze dei fotogrammi superiori a 30 fps o quando si registra al rallentatore

10. Selezionare una frequenza dei fotogrammi appropriata e decidere se registrare a velocità regolare o rallentata(10)(11)

I fotogrammi al secondo (fps) sono una misura di come viene visualizzato il video in movimento. Ogni fotogramma è un’immagine fissa. Se un video viene acquisito e riprodotto a 30 fps, ogni secondo del video mostra 30 immagini fisse distinte (quindi 30 immagini al secondo). Maggiore è il numero di fps, più fluido appare il movimento. Gli smartphone e i tablet standard registrano a 30 fps, che generalmente è sufficiente per il cammino e le interazioni generali dei pazienti.(1) Le attività ad alta velocità, come la corsa o le attività sportive, richiedono frequenze dei fotogrammi più elevate (60 fps o più).(10)(11)(16)

Le registrazioni possono essere effettuate a velocità normale (30 fps) e riprodotte al rallentatore (a 60 fps) o in modalità rallentatore a una frequenza dei fotogrammi superiore (100 fps) e riprodotte al rallentatore.

Registrazione a velocità normale:

  • Richiede meno spazio di archiviazione
  • Richiede meno luce
  • Richiede una funzione di riproduzione video al rallentatore per fornire un feedback immediato al paziente

Registrazione al rallentatore:

  • Occupa più spazio di archiviazione
  • Richiede più luce
  • Richiede l’uso di un treppiede
  • Facile da condividere in tempo reale con il paziente per fornirgli un feedback immediato

(17)

11. Visualizzare i principali punti di riferimento del corpo(10)(11) – assicurarsi che i punti di riferimento del corpo rilevanti per l’analisi siano esposti e ben visibili

  • Esporre la linea della cintura
  • Esporre la piega cutanea poplitea nella parte posteriore del ginocchio
  • Per l’arto superiore esporre T1, scapole e gomiti

Registrazione dell’immagine/video( modifica | modifica sorgente )

Le prove prima della registrazione permettono al paziente di familiarizzare con i movimenti da registrare e al clinico di esercitarsi con le indicazioni verbali da dare al paziente. Dopo le prove, catturare la registrazione assicurandosi che il punto finale venga raggiunto. È importante ottenere un campionamento sufficiente per tenere conto dell’effetto di parallasse.(10)

Eseguire una revisione e un’analisi preliminare della registrazione video con il paziente per assicurarsi che il video sia stato registrato bene e che non vi siano errori di videografia. Assicurare al paziente che si tratta solo di una revisione preliminare e che dopo la visita verrà effettuata un’analisi approfondita, i cui risultati verranno condivisi nella visita successiva. L’analisi iniziale può essere effettuata utilizzando la funzione di riproduzione video standard e incorporando la funzione di scrubbing disponibile sulla maggior parte degli smartphone/tablet. Lo scrubbing consente di regolare la velocità di riproduzione mediante l’uso del punto/pulsante sulla barra di scorrimento e crea un modo per effettuare una prima analisi al rallentatore.

Funzione di scrubbing

Utilizzo della funzione di scrubbing: (10)

  • Durante la riproduzione del video, toccare e tenere premuto il punto/pulsante sulla barra di scorrimento, quindi trascinarlo a sinistra o a destra per scorrere indietro o in avanti a velocità lenta o veloce
  • Per modificare la velocità di scrub, far scorrere il dito verso l’alto/il basso sulla barra di scorrimento tenendo premuto il punto
  • Il display cambia per visualizzare la velocità di scrub. Le opzioni includono il valore predefinito, ½ velocità, ¼ di velocità e Fine

Applicazioni software di editing video( modifica | modifica sorgente )

L’analisi del movimento video può essere effettuata anche con l’uso di un software di editing video che consente anche altre funzioni. Quando si sceglie un software di editing video, le funzioni o le caratteristiche preferibili per eseguire l’analisi al rallentatore sono:(10)

  • Consente l’analisi fotogramma per fotogramma e l’acquisizione di immagini fisse (7)(18)
  • Funzione di schermo diviso
  • Funzione di disegno di linee
  • Funzione di zoom nel software
  • Capacità di convertire il formato dei file da un sistema operativo all’altro (Windows, iOS, Android)

Tra le numerose applicazioni software di editing video disponibili, Kinovea (open-source) e Slow Motion Video Function sono particolarmente utili (vedi immagine seguente).(1)(4)(10)

Opzioni del software di editing video.jpg

L’analisi video iniziale( modifica | modifica fonte )

È utile fare l’analisi iniziale con il paziente in tempo reale, cercando di coinvolgerlo con domande evocative. Quando condividete il video con il paziente, tenete presente il principio “pausa – stimolazione – elogio”.(10)

  • Pausa – “Cosa vedi?”
  • Stimolare il paziente ponendo domande evocative
    • “Vedi…?”
    • “Cosa pensi di poter cambiare?”
    • “Che idee hai per modificare il tuo modo di camminare/correre?”
    • “Quanto è importante?”
  • Elogio: dare un feedback positivo anche quando vengono identificati punti deboli/problemi

Rendere l’analisi più affidabile( modifica | modifica fonte )

La seconda domanda posta da Windt et al. (9) è “Ci si può fidare delle informazioni che fornisce?” I seguenti fattori contribuiscono a migliorare l’affidabilità dell’analisi video:(10)

1. Sviluppare un sistema di flusso di lavoro coerente, completo e sistematico.(1)(15)

  • Vista e analisi dalla testa ai piedi
  • Vista del lato destro e sinistro del corpo
  • Vista del lato non coinvolto (supponendo che sia meno deviante)
  • Vista del lato coinvolto

2. Definire un punto o un momento standard in cui il movimento viene osservato e misurato.

  • Quando il paziente/l’immagine è perpendicolare alla videocamera
  • Quando il dolore viene provocato, ad esempio durante la fase di stance (appoggio)
  • Quando il paziente è sufficientemente affaticato
  • Quando il paziente si muove abbastanza velocemente
  • Quando si verifica il movimento deviante

3. Utilizzare processi di miglioramento della qualità – i dati video consentono osservazioni e analisi ripetute del movimento senza affaticare il paziente o generare ulteriore dolore/lesione, consentendo al clinico di determinare l’affidabilità dell’analisi. I processi di miglioramento della qualità includono:

  • Auto-riflessione
  • Peer reviews – Revisioni dei video tra clinici
  • Osservazioni del video ripetute in tempi diversi da parte di un operatore che lavora da solo

4. Essere consapevoli dell’influenza dei pregiudizi di conferma– i nostri pregiudizi di conferma possono influenzare la nostra percezione delle immagini. La condivisione di immagini/video con i colleghi può risolvere la possibilità di pregiudizi di conferma da parte del singolo clinico. L’immagine sottostante fornisce un esempio di differenze di percezione: alcune persone vedono un’anatra e altre un coniglio.(10)

Imgae Open Source - Illusione del coniglio d'anatra.jpg

Considerazioni sul caricamento e il trasferimento dei dati video( modifica | modifica sorgente )

Alcuni fattori da considerare per il caricamento/trasferimento dei dati video registrati includono:

  • L’hardware necessario per trasferire i dati dalla videocamera alla memoria – Cavo USB/slot della scheda sul computer/adattatore USB della scheda/Wi-Fi
  • Applicazioni software per il trasferimento del video da uno smartphone alla cartella clinica elettronica del paziente(19) – stanno emergendo applicazioni di imaging clinico dedicate:
    • WABA Medical Pics
    • Secure Image Transfer
    • Clinical Uploader
    • PicSafe

Considerazioni sull’archiviazione e il recupero dei dati video( modifica | modifica sorgente )

Dopo la registrazione dell’immagine e l’analisi iniziale, è importante stabilire un modo per archiviare e recuperare il file video, come si fa con le radiografie. I fattori da considerare sono:(10)

  • Dove conservarlo? Sul cloud, su un disco rigido o, eventualmente, su entrambi
  • Se si utilizza una videocamera personale, archiviare il file in una cartella separata dalle immagini personali
  • L’archiviazione necessita di privacy, sicurezza, crittografia e protezione con password (19)
  • Rinominare il file video dal numero di file assegnato al numero di cartella clinica del paziente e specificare la data della registrazione
  • I pacchetti di editing video consentono anche di “etichettare” le parole chiave: attività, diagnosi, vista, movimento originale preferito, movimento alterato, altre informazioni
  • Memorizzare i dati video grezzi e i dati relativi alla descrizione delle interpretazioni dell’analisi
  • Utilizzare i processi di “trimming” – eliminare o mantenere l’audio, ridimensionare le immagini
  • Avere un processo di backup sistematico

(20)

Citazioni(edit | edit source)

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 Parks MT, Wang Z, Siu KC. Current low-cost video-based motion analysis options for clinical rehabilitation: a systematic review. Physical therapy. 2019 Oct 28;99(10):1405-25.
  2. 2.0 2.1 Peart DJ, Balsalobre-Fernández C, Shaw MP. Use of mobile applications to collect data in sport, health, and exercise science: A narrative review. The Journal of Strength & Conditioning Research. 2019 Apr 1;33(4):1167-77.
  3. 3.0 3.1 Colyer SL, Evans M, Cosker DP, Salo AI. A review of the evolution of vision-based motion analysis and the integration of advanced computer vision methods towards developing a markerless system. Sports medicine-open. 2018 Dec;4(1):1-5.
  4. 4.0 4.1 4.2 4.3 Dingenen B, Barton C, Janssen T, Benoit A, Malliaras P. Test-retest reliability of two-dimensional video analysis during running. Physical therapy in Sport. 2018 Sep 1;33:40-7.
  5. Numata H, Nakase J, Kitaoka K, Shima Y, Oshima T, Takata Y, Shimozaki K, Tsuchiya H. Two-dimensional motion analysis of dynamic knee valgus identifies female high school athletes at risk of non-contact anterior cruciate ligament injury. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2018 Feb;26(2):442-7.
  6. 6.0 6.1 Alahmari A, Herrington L, Jones R. Concurrent validity of two-dimensional video analysis of lower-extremity frontal plane of movement during multidirectional single-leg landing. Physical Therapy in Sport. 2020 Mar 1;42:40-5.
  7. 7.0 7.1 Finkbiner MJ, Gaina KM, McRandall MC, Wolf MM, Pardo VM, Reid K, Adams B, Galen SS. Video movement analysis using smartphones (ViMAS): a pilot study. Journal of visualized experiments: JoVE. 2017(121).
  8. Hendricks S, Till K, Den Hollander S, Savage TN, Roberts SP, Tierney G, Burger N, Kerr H, Kemp S, Cross M, Patricios J. Consensus on a video analysis framework of descriptors and definitions by the Rugby Union Video Analysis Consensus group. British journal of sports medicine. 2020 May 1;54(10):566-72.
  9. 9.0 9.1 Windt J, MacDonald K, Taylor D, Zumbo BD, Sporer BC, Martin DT. “To Tech or Not to Tech?” A Critical Decision-Making Framework for Implementing Technology in Sport. Journal of Athletic Training. 2020 Sep;55(9):902-10.
  10. 10.00 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 10.07 10.08 10.09 10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 Howell D. Techniques of Two-Dimensional Slow-Motion Video Data Motion Analysis Course. Plus , 2022.
  11. 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 Payton C, Bartlett R. Eds. Biomechanical Evaluation of Movement in Sport and Exercise: The British Association of Sport and Exercise Sciences Guidelines. Routledge; 2008.
  12. 12.0 12.1 12.2 Stephens J, Bostjancic M, Koskulitz T. A study on parallax error in video analysis. The Physics Teacher. 2019 Mar;57(3):193-5.
  13. 13.0 13.1 13.2 Camerapedia Fandom. Parallax. (Accessed 9 Nov 2021).
  14. Wikipedia. Parallax. Available from https://en.wikipedia.org/wiki/Parallax (Accessed 9 November 2021).
  15. 15.0 15.1 15.2 Souza RB. An evidence-based videotaped running biomechanics analysis. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics. 2016 Feb 1;27(1):217-36.
  16. van der Kruk E, Reijne MM. Accuracy of human motion capture systems for sport applications; state-of-the-art review. European Journal of Sport Science. 2018 Jul 3;18(6):806-19.
  17. Kellan Reck. Video Frame Rates Explained. Published April 18 2018. Available from https://www.youtube.com/watch?v=Iwog2NN6iBw (last accessed 12 November 2021).
  18. Puig-Diví A, Escalona-Marfil C, Padullés-Riu JM, Busquets A, Padullés-Chando X, Marcos-Ruiz D. Validity and reliability of the Kinovea program in obtaining angles and distances using coordinates in 4 perspectives. PloS one. 2019 Jun 5;14(6):e0216448.
  19. 19.0 19.1 Chandawarkar R, Nadkarni P. Safe clinical photography: best practice guidelines for risk management and mitigation. Archives of Plastic Surgery. 2021 May;48(3):295.
  20. Let’s Teach Science. Video Analysis Considerations. Published Aug 30 2020. https://www.youtube.com/watch?v=4SW0D_ywZYQ (last accessed 12 November 2021).


Lo sviluppo professionale nella tua lingua

Unisciti alla nostra comunità internazionale e partecipa ai corsi online pensati per tutti i professionisti della riabilitazione.

Visualizza i corsi disponibili