Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RECORDING AND ANALYSIS OF TREMOR BY MEANS WEBCAM

Frolov S.V. 1 Gorbunov A.V. 1 Potlov A.Y. 1
1 Tambov State Technical University
In the article: tremor and its place in various diseases, the existing methods of diagnosis of tremor. Found that the tremor is an integral part of a large number of diseases and current diagnostic techniques it is not always applicable and does not always give an adequate result. The author ‘s method of visualization of the tremor – videovizualizatsiya based on the use of computer programs for motion detection. The patient should be offered rapid test – pull out and keep it as exactly one minute. Outstretched hand holds the patient strictly at a distance of 50 cm in the center of the review of the webcam on a white background. To visualize the motion for a rapid test using the selected color selection and construction of the graph of intensity. The test is accompanied by a video recording required for the history of the disease, and every second definition of the frequency of tremor, essential for the identification of existing disease in a patient.
tremor
motion detection
rapid test
the graph of the intensity
1. Kuuz R.A., RonkinM.A., FirsovG.I. Metodi paramet­rocheskoro spectralnoro analiza stabiloraphicheskoy informatsii v zadachakh klinicheskoy nevrologii (Parametric methods spektralnogoanaliza stabilographic information in problems of clinical neurology).Kursk, 2004, pp. 11–14.
2. Magomedova R.K. Kliniko-phisiologichesciy analizes sentsialnoro tremora [Clinical and physiological analysis of essential tremor]. Moscow, 2005, pp. 76–77.
3. Tremor, Available at: http://society.parkinsonizm.ru/?page = 84 (accessed 6 November 2011).
4. Tremor: phenomenology and how to register, Available at: http://www.bsmu.by/index.php?option = com_content&view = article&id = 3755:2010-09-01-07-32-57&catid = 241:-22010&Itemid = 52 (accessed 20 January 2012).
5. AForge.NETFramework,Available at: http://code.google.com/p/aforge/(accessed 11 January 2012).
6. GENIUS ISLIM 321R,Available at: http://www.genius.ru/products.aspx?pnum = 20464 (accessed 12 January 2012).

Тремор (дрожание) - один из наиболее частых симптомов, возникающий изолированно или в комбинации с другими симптомами при различных поражениях нервной системы, а также нередко сопровождающий эндокринные, соматические заболевания и различные интоксикации. Международная исследовательская группа определяет тремор как ритмичные механические осцилляции, по крайней мере, одной функциональной области тела [3].

Тремор имеет место при большом количестве заболеваний. Чаще всего это наследственные или приобретённые болезни центральной нервной системы: болезнь Паркинсона, мультисистемная атрофия, эссенциальный тремор и отравления, например, марганцем. Таким образом, тремор является основной и неотъемлемой частью многих заболеваний и его диагностика является важной задачей медицины. Существующие методы диагностики тремора являются достаточно сложными (электромиография, акселерометрия) или информативными не во всех случаях (механография, стабилография) [1, 2]. И к тому же оборудование, необходимое для подобной диагностики, стоит не дешево. Целью нашего исследования является разработка максимально удобного, недорогого и эффективного метода регистрации и анализа тремора.

В основе нашего метода лежит тот факт, что тремор можно зафиксировать с помощью детектора движения, основанного на сравнении кадров путём вычитания из последующего кадра предыдущего [5].

При работе нами используется:

  • Веб-камера iSlim 321R;
  • Персональный компьютер с операционной системой Windows XP\ Vista\7.

Использование заранее определённой веб-камеры объясняется тем, что для неё заранее известны: разрешение, число кадров в секунду, интерфейс, системные требования и т.п.

Камера iSlim 321R при хорошей освещённости работает со скоростью 30 кадров в секунду [6], это значит, что одна секунда видео состоит из 30 картинок. Если в течение этой секунды объект не совершал никакого перемещения в пространстве, то все 30 картинок будут одинаковыми и пиксельное сравнение их не выдаст движения. Если же за это время было совершено хотя бы небольшое движение, то часть картинок будут отличаться друг от друга и разница между ними и будет движением. Таким образом, сравнивая 30 картинок в секунду, можно выделять новые движения каждые 1/30 доли секунды. Для удобства восприятия места на картинках, соответствующие изменению положения объекта, будут выделяться особым цветом, выбранным пользователем по своему усмотрению.

Основываясь на этом и приняв определённые правила, можно зафиксировать и проанализировать тремор:

  1. Фиксированное расстояние. Очевидно, что чем дальше от камеры объект, тем меньше пикселей на изображении он занимает. Поэтому его движения становятся менее значительными и для адекватности метода необходимо выбрать четкое расстояние от руки пациента до веб-камеры. Наиболее оптимальным является расстояние - 50 см.
  2. Нулевой уклон. Большинство современных веб-камер и в том числе iSlim 321R имеют возможность регулирования угла обзора. Для точности измерений камера должна смотреть на руку в профиль с нулевым уклоном.
  3. Адекватное расположение руки. Очевидно, что если в обзор камеры будет попадать рука вместе с одеждой, то работа программы будет не адекватной. Идеальным является следующее расположение руки в обзоре камеры: рука выровнена по ширине так, что кончики пальцев не достают 1-2 сантиметра до правого края обзорного изображения камеры, а по высоте находится посередине.
  4. Специальный фон. Желательно использовать однородный белый, черный и т.п. фон. Ведь программа не может отличить пиксель с руки и с фона на их границе если они абсолютно одинакового цвета. Если тест на тремор проводить на фоне, очень близком по цвету с рукой человека, то движения будут фиксироваться хуже, в такой ситуации всё будет зависеть от освещённости.
  5. Порог тремора. Так как размеры изображения с камеры iSlim 321R - 640×480 точек, то получается, что в одном кадре 307200 точек и соответственно можно зафиксировать даже небольшое движение (разница между двумя изображениями в 50 и более пикселей). Но если разница составляет всего несколько пикселей, то очевидно, что это ошибка, ведь размеры руки несоизмеримо больше, чем 1-2 точки. С другой стороны, если разница между 2 кадрами - 200000 точек, то очевидно, что это тоже какая-то ошибка, например, задели камеру. Поэтому для визуализации тремора устанавливают минимальный и максимальный порог движения. Слишком слабые и слишком сильные движения отбрасываются, как помехи.
  6. Хорошая освещённость. Большинство современных веб-камер, в том числе iSlim 321R, автоматически настраивают количество кадров под освещённость от 8 в полной темноте, до 30 при средней и хорошей освещённости. Поэтому освещённость должна быть дневной - тогда количество кадров будет 30 в секунду, т.е. постоянным значением, вполне достаточным для нормальной работы.

На основе вышесказанного авторами была создана компьютерная программа «Видеовизуализация тремора» (рис. 1.) и методика работы с ней. В качестве языка программирования использовался MicrosoftVisualC# 2005 Express.

Для диагностики тремора пациенту предлагают пройти экспресс-тест. Он вытягивает руку и держит её так ровно, как сможет в течение одной минуты. Руку пациент вытягивает и держит строго на расстоянии 50 см в центре обзора веб-камеры на фоне, резко контрастирующем с рукой. Для визуализации движения в течение экспресс-теста используется (рис. 2.):

  • Выделение выбранным цветом.
  • График интенсивности.
  • Рассчитываемая в реальном времени частота тремора.

График интенсивности показывает в виде столбиков интенсивность тремора, чем выше столбик, тем больше была разница между двумя кадрами. Этот график строится в реальном времени. Легкие движения на нём указываются зелёным цветом, средние - желтым и сильные - красным. Расчёт частоты тремора проводится ежесекундно на основе данных с внутреннего таймера программы и рассчитанных данных о треморе средней силы.

Для удобства анализа экспресс-тест сопровождается записью видео, необходимого для истории болезни.

Следует отметить, что данный метод прост и достаточно удобен в использовании. Компьютерная программа работает на обычных компьютерах с операционной системой WindowsXP\ Vista\7, программной платформой Microsoft.NET Framework версии 2.0 или выше и видеокодеком DivX 3. При этом наш метод принципиально отличается от существующих на данный момент методов видеорегистрации тремора тем, что в нем оценивается движение самой руки, а не специального маркера, приклеенного на руку [4].

В статье предложена авторская методика визуализации тремора, основанная на использовании компьютерной программы детектора движения, с целью повышения эффективности диагностики и лечения ряда заболеваний центральной нервной системы.

Рис. 1. Программа «Видеовизуализация тремора»

Рис. 2. Экспресс-тест тремора

Рецензенты:

  • Тютюнник В.М., д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов;
  • Туголуков Е.Н., д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов.

Работа поступила в редакцию 12.03.2012.