APPENDIX 13. Visueel voetmodel ter simulatie van voetkinematica aan de hand van plantaire drukdata (Friso Hagman)

Transcriptie

1 APPENDIX 13. Visueel voetmodel ter simulatie van voetkinematica aan de hand van plantaire drukdata (Friso Hagman) 1. Introductie De doelstelling van het SIMKINPRES-project is het ontwikkelen van een klinisch hulpmiddel voor ganganalyse van de voet en het onderste lidmaat welke alleen gebruik maakt van een drukmeetsysteem. Met deze doelstelling in gedachte hebben we de specifieke uitkomsten beschreven als: (1) De gevonden relaties tussen de kinematische en dynamische aspecten (drukverdeling onder de voet) van de gang moeten omgezet worden in algoritmen. Deze algoritmen worden vervolgens verwerkt in softwareapplicaties voor drukmeetsystemen. (2) Het ontwikkelen van een visueel hulpmiddel welke op grond van de gevonden relaties een voetskelet kan laten bewegen, zodat de berekende kinematica voor de klinische gebruiker concreet en visueel voorgesteld kan worden. In eerste instantie dachten we dat de gevonden relaties tussen kinematica en drukverdeling onder de voet afkomstig zouden zijn van, toen nog te ontwikkelen, mechanische modellen. Echter tijdens de uitvoering van het project zijn er nieuwe wegen bewandeld en zijn de gevonden relaties vooral op statistisch vlak te vinden met name door het gebruik van neurale netwerken. Voor het omzetten van deze relaties in algoritmen maakt het niet uit welk pad bewandeld wordt. Het onderzoek gaat door naar het vinden van de nodige relaties, maar parallel hiermee zijn we ook begonnen met de aandacht te richten op het construeren van het visueel hulpmiddel. Hierbij komen twee duidelijk onderscheidbare stappen voor : (1) Welke methode/pakket wordt gekozen om de gevonden relaties te integreren in visueel model van het onderbeen welke een drukmeting gebruikt om een voet/onderbeen skelet te laten bewegen? (2) Hoe wordt dit interface geconstrueerd tussen het model en de footscan software om tot het klinisch hulpmiddel te komen? De methode die traditioneel gekozen wordt, is die van voorwaarts dynamisch modellering. Er zijn vele pakketten op de markt waarmee dit mogelijk is, waaronder het AnyBody Modelling System. Dit product is afkomstig van een Deens bedrijf genaamd AnyBody Technology dat sterke bindingen heeft met de universiteit van Aalborg en ook begonnen is als een spin-off bedrijf. Er werd voor hun product gekozen omdat er reeds een samenwerking bestond tussen AnyBody en RSscan waardoor er al een heel aantal nodige stappen waren gezet. De volgende secties behandelen achtereenvolgens: een introductie van het AnyBody Modelling System, de stappen die reeds gezet waren om drukmetingen te gebruiken binnen dit pakket, de verdere uitbouw om het geheel bruikbaar te maken binnen het

2 Simkinpres-project, en de toekomstige stappen die nog nodig zijn om onze doelstelling te bereiken.

3 2. AnyBody Modelling System Het AnyBody Modelling System welke nu verkrijgbaar is in versie 3.0 is in staat tot het modelleren van het musculair-skeletaal systeem of onderdelen hiervan. In onze toepassing zouden we kinematica willen bereken en visualiseren van het onderste lidmaat, maar met een dergelijk pakket is het ook mogelijk om spierkracht, gewrichtsmomenten, mechanische arbeid, enz te bereken. Figuur 1: een voorbeeld van de AnyBody-applicatie De mannier waarop je binnen AnyBody aan de gang kunt met de implementeren van een model is aan de hand van een scripttaal die bijzonder veel weg heeft van Java of C++. De scripttaal is ook behoorlijk object georiënteerd van opzet waardoor het hergebruiken van stukken code makkelijk gemaakt wordt. In Figuur 2 wordt een voorbeeld gegeven van een deel van de scriptcode die we gebruiken om ons model van onderbeen en voet te doen bewegen.

4 Figuur 2: een deel van de scriptcode die we voor ons model gebruiken 3. Fase 1 Voor de aanvang van het visuele gedeelte in het simkinp-project bestond er al een samenwerkingsverband tussen RSscan en AnyBody. Als resultaat werd er een eerste model opgesteld. Dit model bestond uit de 26 meest courante voetbotjes aangevuld met de tibia. Voor de geometrie werden surface plots gebruikt die verkregen werden uit publieke wetenschappelijke bronnen (dit is dan vooral data van onderzoekers werkzaam op het gebied van anatomie en beeldvorming; zoals we ook in België een sterke tak hebben op de Université Libre de Bruxelles). Hierna werden de sturing van de gewrichten gekoppeld aan variabelen afkomstig van drukmetingen. In totaal worden er 186 vrijheidsgraden aangestuurd. Sommige op een simpele wijze zoals het creëren van een vaste verbinding, bijvoorbeeld tussen het naviculaire bot en de verderop gelegen cuneiforme botjes. Andere gewrichten werden dan weer beperkt door maar een aantal rotationele vrijheden mogelijk te maken, zoals bijvoorbeeld het bovenste spronggewricht. De hierna overgebleven vrijheidsgraden werden met behulp van drukvariabelen zoals het CoP, de inversie-eversie curve, de individuele metatarsale drukprofielen, ea. bepaald. Hierbij dienen we nog op te merken het model een verschillende sturing kreeg in de drie fases van de gang: hielcontact, midstand, en propulsie. De achterliggende reden hiervoor is dat in elke fase er verschillende deelstructuren van de voet niet in contact zijn met de grond, waardoor een directe koppeling tussen een drukvariabelen anders dient beschreven te worden afhankelijk van de fase waarin het zich bevind.

5 4. Fase 2 Het boven beschreven model is bijzonder complex door de vele aannames en de opsplitsing in drie fases. De initiele stap die we dan ook zelf hebben moeten ondernemen is het leren gebruiken van het AnyBody pakket en het huidige model in het bijzonder. Door deze complexiteit was het niet evident om snel op niveau te kunnen instappen in het model en de nodige veranderingen te kunnen aanbrengen. Het bleek dan ook al snel wenselijk te zijn om met de ontwikkelaar van het model rond de tafel te gaan zitten om zo wat sneller in het model weg wijs te worden. Een afspraak in Aalborg werd gemaakt en in de kantoren van AnyBody in Denemarken kregen we een uiteenzetting over het geconstrueerde model. Wat zeker duidelijk werd is dat een heel aantal relaties nog in de experimentele fase zijn, zoals bijvoorbeeld de hoogte van de metatarsale koppen. Na aanleiding van onze afspraak in Denemarken werden er een aantal verbeteringen/veranderingen in het model aangebracht. Zo werd het probleem van de hoogte van de metatarsale koppen voor contact met de grond gekoppeld aan de snelheid van contact en ook de implementatie van de inversie/eversie kromme werd herbekeken. Deze laatste is overigens de implementatie van een algoritme gebruikt in het doctoraat van Hagman waarbij het rollen van de hiel werd gesimuleerd door het rollen van een bol. De implementatie van het algoritme was echter niet volledig juist gebeurd, welke recht werd gezet. Het andere belangrijke punt, zie inleiding, is die van de visualisatie van het model en interface tussen het AnyBody pakket en de footscan software. De normale werkwijze binnen AnyBody is dat er data aangeleverd wordt samen met het model waarna de simulatie wordt gestart en de mogelijkheid bestaat tot het verkrijgen van een visuele feedback van het model. Het generen van deze data binnen de footscan applicatie was geen probleem waarna het AnyBody pakket de analyse kon draaien en de nodige visuele feedback kon geven. De wens is echter dat deze feedback in het footscan programma wordt weergegeven nadat een meting is uitgevoerd. Hiervoor zijn er echter twee zaken nodig. In de eerste plaats moet er een specifieke run-time versie bestaan van AnyBody met het RSscan model die op de een-of-andere manier de nodige visuele feedback geeft. In de tweede plaats moet de visuele feedback worden opgehaald en weergegeven in de footscan applicatie zodat deze na een meting getoond kan worden. Om de eerste stap te zetten werd er samen met de mensen van AnyBody een dll (dynamic link libary) ontwikkeld welke de nodige jpeg-beelden construeert om als feedback te dienen. 5. Fase 3 Voor de laatste maanden van het project willen we stap twee verder uitbreiden: het tonen van de visuele feedback in de footscan software. Waarbij we al een eerste stap hebben gezet, zie Figuur 3, maar wat nog zeker verder doorontwikkeld moet worden.

6 Figuur 3: een voorbeeldscherm van hoe de visuele feedback zou worden vormgegeven binnen de footscan software De belangrijkste stap die we echter willen zetten binnen deze laatste maanden van het project is het uitbreiden/veranderen van het model met de relaties tussen druk en beweging die voortkomen uit het simkin-project. Beide te samen moeten leiden tot een footscan softwareversie die na een drukmeting in staat is tot het tonen van de gewenste visuele feedback voor klinische doeleinden. Laatste fase (= heden) Zoals vroeger reeds vermeld, is het visueel model verdeeld in drie fases: de hielcontactfase, de midstandfase, en de propulsiefase. Tijdens de hielcontactfase wordt de lokale drukcurven onder de twee delen van de hiel gebruikt, te samen met het CoP-pad en de hoeken voor de hielbeweging komende uit het model van Hagman. De rest van de koppelingen (gewrichten) worden als star beschouwd tot bijna het begin van de midstandfase. De grootste beweging tijdens de midstandfase is die van de tibia. De aansturing hiervan wordt gekenmerkt door het CoP-pad als projectiepunt van het meest proximale deel van de tibia te nemen. De hiel beweegt nog en dit wordt gekoppeld met de lokale drukkrommen onder de verschillende zones om een aansturing te formuleren van het vervormen van de medio-laterale brug.

7 In de laastste fase, de propulsiefase, wordt nog altijd het CoP-pad genomen voor de tibia. De meeste andere vrijheidsgraden worden bij contactverlies beschouwd als star. Hierdoor wordt de positie van de tibia bepalend voor het grootste deel van de beweging.