System automatycznych pomiarów rynometrycznych (1)

 

Zakres zastosowań antropometrii jest bardzo szeroki: począwszy od wzornictwa przemysłowego przez badania antropologiczne, systemy monitoringu, a skończywszy na medycynie. Zwłaszcza ta ostatnia dziedzina zawiera duży potencjał dla zastosowania inżynierii komputerowej. Na pograniczu medycyny i informatyki prowadzi się badania dotyczące oceny wad postawy i jej zmienności w ciągu życia czy diagnozowania problemów zdrowotnych m.in. związanych z działaniem górnych dróg oddechowych. Prace na temat związku między rynometrią (pomiarami nosa) a kwestiami zdrowotnymi prowadzone są na Warszawskim Uniwersytecie Medycznym [1]. Wiadomo, że na wyniki diagnoz dotyczących nosa wpływ ma nie tylko stan zdrowia osoby badanej ale również jej budowa antropologiczna [1]. Pozyskanie takiej wiedzy jest niezwykle ważne w celu uwzględnienia jej wpływu na wynik badania.

W tradycyjnej antropometrii stosuje się wciąż najprostsze narzędzia, jednak prowadzi się prace nad użyciem technik komputerowych w połączeniu ze znacznie bardziej rozwiniętym instrumentarium. Współczesne skanery powierzchni 3D stwarzają nowe możliwości. Stosowanie nowych technologii wiąże się z licznymi problemami (za [2]): istniejące rozwiązania są bardzo drogie i niedoskonałe, brakuje też opracowań (zwłaszcza algorytmów analizy) na ten temat. Metodą zajmuje się stosunkowo niewielka grupa firm i ośrodków naukowych.

Technika automatycznych pomiarów antropometrycznych leży na pograniczu antropologii, mechatroniki i informatyki. Kolejne aspekty, które należy rozważyć i opracować projektując system realizujący takie zadanie to:

• określenie stanu istniejącej wiedzy na temat antropometrii, która umożliwi dobór charakterystycznych punktów twarzoczaszki i mierzonych parametrów; dane a priori dotyczące tych wymiarów mogą znacznie ułatwić projektowanie algorytmów automatycznego pomiaru
• przegląd i analiza działania istniejących rozwiązań w zakresie skanningu 3D, co pozwoli na zapoznanie się z korzyściami i wadami takiego podejścia w zastosowaniu do antropometrii
• opracowanie algorytmów wstępnego przetwarzania danych pozyskiwanych ze skanera 3D (adaptacja istniejących lub opracowanie nowych)
• opracowanie nowych metod i algorytmów analizy danych i poszukiwania punktów charakterystycznych ciała
• ocena i weryfikacja uzyskanych rozwiązań.

Tradycyjne pomiary antropometryczne

Definicje, podstawowe pojęcia i stosowane narzędzia

Antropometria to technika stosowana w antropologii. Polega na liczbowym opisie wymiarów ciała ludzkiego. Jej nazwa wywodzi się z greckich słów: anthropos – człowiek i metrikos – pomiar. Metoda ta rozwijana jest od ponad 200 lat. W wersji klasycznej dokonuje się pomiarów statycznych za pomocą elementarnego zestawu narzędzi [2, 7]:

• waga – pomiar ciężaru
• aparat fotograficzny – utrwalanie wyglądu części ciała
• taśma pomiarowa – długość krzywizn i obwody części ciała
• antropometr (ang. anthropometer) – pomiar odległości między punktami na ciele
• suwak (cyrkiel liniowy, ang. spreading caliper) – pomiar średnic
• goniometr – pomiary kątów
• cyrkle kabłąkowe.

Zarys metodyki pomiarów antropometrycznych

Podstawowymi pojęciami z zakresu antropometrii są rzuty, płaszczyzny i linie ciała (rys. 2). Najważniejszą płaszczyzną dotyczącą głowy jest płaszczyzna frankfurcka. Odpowiada ona takiemu ułożeniu głowy, w którym najniższy punkt kostnej krawędzi oczodołu i najwyższy punkt na kostnej krawędzi kanału słuchowego znajdują się w jednej płaszczyźnie (poziomej). Drugim pojęciem potrzebnym do definiowania punktów pomiarowych antropometrii są linie – ślady, jakie pozostawiają płaszczyzny na powierzchni ciała [7]. Istotną jest linia pośrodkowa przednia, która przechodzi przez środek czoła, środek wcięcia szyjnego rękojeści mostka, aż do środkowego punktu dolnego brzegu spojenia łonowego.

Pomiaru [3] należy dokonywać w ułożeniu maksymalnie zbliżonym do pozycji anatomicznej: stojąc wyprostowanym, pięty złączone, pośladki, tył głowy i łopatki dotykają ściany za plecami osoby, na której dokonywany jest pomiar. Ramiona i palce powinny być wyprostowane. Głowa powinna być nieskręcona i ułożona w płaszczyźnie frankfurckiej.

Głównymi źródłami błędów i niepowtarzalności pomiarów dokonanych za pomocą tej metody są:

• subiektywność ustalenia punktów charakterystycznych ciała – różne osoby różnie oceniają spełnienie kryteriów określających ich położenie
• niedokładność ułożenia ciała przy pomiarze
• niedokładność narzędzi.

Poprawę wyników można uzyskać poprzez zwiększenie liczby osób dokonujących subiektywnej oceny pomiaru i uśrednienie wyników.

Punkty charakterystyczne i parametry twarzy

Podstawowym zagadnieniem antropometrii jest wybór punktów lub obszarów charakterystycznych (ang. landmarks) na ciele, pomiędzy którymi dokonywane są pomiary. Punkty te powinny spełniać następujące kryteria:

• być jednoznacznie określone i łatwe do identyfikacji
• znajdować się w obszarach łatwo dostępnych
• dobrze różnicować i charakteryzować osoby.

Z punktu widzenia wrażliwości na błędy, wskazane jest, by małe przesunięcie punktu charakterystycznego w nieistotnym stopniu wpływało na wartość zmierzonego parametru.

Medycyna definiuje wiele punktów charakterystycznych dla twarzy (cefalometrycznych czyli rozmieszczonych na czaszce ale rzutowanych na powierzchnię miękką), jednak nie wszystkie są użyteczne dla pomiarów antropometrycznych w każdym zastosowaniu. Dzieli się je na parzyste, dla których istnieją dwa punkty na ciele spełniające kryterium oraz nieparzyste – pojedyncze. Są to m.in. [1, 2, 7]:

• vertex (v) – punkt najwyżej położony na szczycie głowy ustawionej w płaszczyźnie frankfurckiej
• glabella (g) – punkt na kości czołowej, najbardziej wysunięty ku przodowi, znajdujący się na przecięciu linii pośrodkowej ciała z linią przeprowadzoną przez wyniosłości nadoczodołowe
• gnathion (gn) – punkt położony na krawędzi dolnej żuchwy (czaszka w płaszczyźnie frankfurckiej), zwykle punkt najniższy na żuchwie
• opisthocranion (op) – punkt na kości potylicznej najbardziej odległy od punktu glabella w płaszczyźnie pośrodkowej
• zygion (zy) – najdalej bocznie wysunięty punkt łuku jarzmowego.

Punkty dotyczące nosa to:

• subnasale (sn) – punkt leżący w linii pośrodkowej ciała, na połączeniu słupka nosa i rynienki podnosowej wargi górnej; położony jest na szczycie kąta, jaki tworzy dolna krawędź przegrody nosowej i rynienka wargowa
• alare (al) – najbardziej bocznie wysunięty punkt skrzydełka nosowego
• pronasale (prn) – punkt w linii pośrodkowej, w najbardziej wysuniętym ku przodowi punkcie końca nosa, przy ustawieniu głowy w płaszczyźnie uszno-ocznej
• stomion (st) – punkt leżący na przecięciu linii pośrodkowej ciała ze szparą ust
• supraalare (sala) – punkt położony jest w miejscu najwyższym na bruździe skrzydła nosa
• nariale (na) – punkt położony najniżej na krawędzi dolnej otworu gruszkowatego
• postalare (pal) – punkt położony z tyłu skrzydełek nosa w miejscu, gdzie skóra nosa przechodzi w skórę twarzy, najbardziej bocznie
• nasion (n) – punkt leżący w linii pośrodkowej, na wysokości nasady nosa.

Wykorzystując tak zdefiniowane punkty można wyznaczyć wiele odległości. W medycynie jednak przyjęło się stosować te najbardziej intuicyjne, które zdają się najlepiej charakteryzować człowieka:

• największa długość głowy (glabella – opisthocranion,  g – op)
• największa szerokość głowy (euryon – euryon, eu – eu)
• wysokość głowy uszna (vertex – tragion, v – t)
• szerokość jarzmowa twarzy (zygion – zygion, zy – zy)
• wysokość morfologiczna górno-twarzowa (nasion – stomion, n – st).

Te dotyczące nosa [1, 7]:

• wysokość (długość) nosa (nasion – subnasale, n – sn)
• długość grzbietu nosa (nasion – pronasale, n – prn)
• szerokość nosa (alare – alare, al – al) – pomiar przy bezdechu i braku napięcia skrzydełek nosa
• wysokość słupka nosa (długość podstawy nosa) (subnasale – pronasale, sn – prn)
• szerokość nasady nosa (pal-pal) – pomiar ze skrzydełkami nosa u jego nasady
• kąt profilu nosa, nachylenie linii nasion – subnasale (n-sn) do pionu.

Zastosowania i problemy antropometrii

Mając do dyspozycji zbiór pomiarów antropometrycznych można estymować rozkład wartości danych cech dla gatunku ludzkiego. Wyniki mogą być użyte we wzornictwie przemysłowym [7]. Jednym z możliwych obszarów zastosowań szybkich pomiarów antropometrycznych jest przemysł odzieżowy.

Informacje antropometryczne używane są również w medycynie: do oceny stanu zdrowia danego osobnika – np. znając stopień korelacji pomiędzy danymi wymiarami, a trudnymi do zbadania cechami charakteryzującymi zdrowie osoby: wymiary zewnętrzne nosa, a wymiary jam nosa [1]. Inne przykłady zastosowań to klasyfikacja antropologiczna oraz chirurgia plastyczna. Współcześnie nietrudno znaleźć kolejne zastosowania zaawansowanych technik antropometrii:

• do weryfikacji tożsamości – np. można wyobrazić sobie system, który na podstawie automatycznych pomiarów wymiarów akceptuje lub odrzuca osobę chcącą dostać się do budynku
• przy produkcji modeli 3D do gier/animacji komputerowych
• przy doborze ubioru lub automatycznej personalizacji stanowiska pracy.

Pomiary ciała ludzkiego mają swoistą specyfikę, które znacznie ograniczają ich stosowalność. Podstawowymi problemami utrudniającymi praktyczne zastosowania antropometrii są:

• zmienność ciała ludzkiego w ciągu życia – widoczne jest to szczególnie w okresie od urodzenia do osiągnięcia dojrzałości [1]
• plastyczność twarzy i ciała jako całości [6]
• trudności związane z dostępem do obszarów pomiarowych (np. ze względu na ubiór).

Anatomia twarzoczaszki i nosa

Znajomość specyfiki budowy twarzoczaszki i nosa stanowią wiedzę niezwykle istotną dla dokładnej analizy tych obszarów, jak i dla późniejszego opracowywania algorytmów automatyzujących ich pomiary.

Twarz można podzielić w pionie na trzy obszary: od linii włosów do glabelli (część czołowa) od linii brwi do podstawy nosa (środek) od podstawy nosa do brody wyznaczonej przez gnathion (część dolna). Niezależnie od tego podziału wyróżnia się następujące regiony twarzy: czoło, brwi, oczy, nos, policzki, usta, podbródek. Podział ten jest naturalny i dlatego łatwy do użycia. W budowie nosa obecnie wydziela się [1]:

• grzbiet nosa (dorsum nasi) – składa się z dwóch części: górnej (opartej wewnętrznie na kości czaszki) i dolnej, zakończonej wierzchołkiem nosa (opartej wewnętrznie na chrząstce); w zależności od kształtu grzbietu nosa wyróżnić można nos prosty, wypukły, wklęsły oraz postacie mieszane
• wierzchołek lub koniec nosa (apex nasi) – może być szeroki, wąski, rozlany lub zaostrzony
• skrzydła nosa (ala nasi) – z boku przechodzą w policzki, a do dołu i przyśrodkowo w wargę górną; ogranicza je rowek skrzydłowy, mogą być wąskie lub szerokie, owalne, okrągłe lub zaostrzone
• nasadę nosa (radix nasi) – miejsce, gdzie grzbiet nosa przechodzi w czoło, w tym miejscu powstaje różnej wielkości zagłębienie.

Statystyki parametrów antropometrycznych

Parametry charakteryzujące twarzoczaszkę jak i nos przedstawiono wcześniej, jednak dla opracowania systemów pomiarowych  pomocna jest wiedza na temat oczekiwanych wyników. Zestawienie wartości średnich wraz z odchyleniami standardowymi wartości pomiarów przedstawiają tabele.

Tab. 1. Zestawienie wartości parametrów twarzoczaszki dla osób powyżej 17 roku życia w okolicach Warszawy [1]

Mierzony wymiar	Średnia dla kobiet [mm]	Odchylenie standardowe [mm]	Średnia dla mężczyzn [mm]	Odchylenie standardowe [mm]
Największa szerokość głowy	152,43	5,09	159,64	5,40
Największa długość głowy	179,09	5,40	192,05	5,91
Wysokość uszna głowy	148,91	5,59	157,21	5,52
Szerokość jarzmowa twarzy	135,51	4,92	144,46	4,77
Wysokość twarzy górna	74,45	12,78	78,51	4,81

 

Tab. 2. Zestawienie wartości parametrów nosa dla osób powyżej 17 roku życia w okolicach Warszawy [1]

Mierzony wymiar	Średnia dla kobiet [mm]	Odchylenie standardowe [mm]	Średnia dla mężczyzn [mm]	Odchylenie standardowe [mm]
Wysokość nosa	51,00	3,37	55,08	4,62
Długość grzbietu nosa	47,51	3,44	50,92	4,95
Szerokość nosa	32,17	2,80	35,82	2,85
Wysokość słupka nosa	24,61	2,32	26,77	4,77
Wysokość twarzy górna	74,45	12,78	78,51	2,53

 

Podsumowanie

W części tej omówione zostały tradycyjne pomiary antropometryczne. Pokazane zostały wady stosowanej obecnie metody jak i narzędzi. Dodatkowo scharakteryzowano budowę twarzoczaszki i nosa. Wyszczególnione zostały punkty charakterystyczne tych obszarów jak również ich parametry. Załączono również informację o rozkładzie statystycznym tych wartości.

Wiedza w przedstawionym zakresie daje dobry obraz dziedziny nauki, jaką jest antropometria i pozwala na dalsze prace w jej obszarze. Kolejnym aspektem w dążeniu do stworzenia w pełni automatycznego systemu pomiarowego jest rozważenie aspektów technicznych, co zostanie zrobione w kolejnej części.

Bibliografia

1. Szczęsnowicz-Dąbrowska P.: Związek Pomiędzy Wynikami Rynometrii Akustycznej a Parametrami Antropometrycznymi u Zdrowych Osobników. Rozprawa na stopień doktora, Akademia Medyczna w Warszawie: Zakład Profilaktyki Zagrożeń Środowiskowych Wydziału Nauki o Zdrowiu, Warszawa 2006.
2. Peavy Simmons K.: Body Measurement Techniques: A comparison of three-dimensional body scanning and physical anthropometric methods. North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, January 12, 2001
3. Kroemer K.H.E., Kroemer H.J., Kroemer-Elbert K.E.: Engineering physiology: Physiologic bases of human factors/ergonomics. Amsterdam, Elsevier, 1986.
4. Montagu M.F.A.: A handbook of anthropometry. Springfield, IL: Charles C. Thomas, 1960
5. Young J.: Head and Face Anthropometry of Adult U.S. Civilians, Final Report, July 1993.
6. Raouzaiou A., Ioannou S., Akrivas G., Karpouzis K., Kollias S.: Adaptation of expression analysis based on evaluation principles, National Technical University of Athens
7. Napoleon Wolański przy współautorstwie Stanisława Niemca i Miry Pyżuk: Antropometria inżynieryjna: Kształt i wymiary ciała, a wzornictwo przemysłowe, Książka i Wiedza, Warszawa 1975
8. Malinowski A., Wolański N.: Metody Badań w Biologii Człowieka: Wybór metod antropologicznych, PWN, Warszawa 1988

Tomasz Kuśmierczyk – Studenckie Koło Naukowe Cybernetyki
Politechnika Warszawska