Система відстеження рухів кисті людини під час реабілітації

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorДубко, Андрій Григорович
dc.contributor.authorСтепаненко, Ніна Олександрівна
dc.date.accessioned2026-02-19T14:38:25Z
dc.date.available2026-02-19T14:38:25Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractРобота присвячена розробленню програмної системи для цифрового моніторингу рухів кисті на основі глибинного сенсора Kinect та алгоритмів комп’ютерного зору. Актуальність теми зумовлена потребою у точних, доступних та відтворюваних засобах контролю моторики верхньої кінцівки у пацієнтів після інсультів, черепно-мозкових травм та ортопедичних втручань. Існуючі клінічні методи оцінювання часто обмежені суб’єктивністю, тоді як лабораторні маркерні системи є дорогими та малопридатними для широкої реабілітаційної практики. Розвиток markerless-технологій відкриває можливість створення ефективних систем кількісного аналізу рухів у реальних умовах, що обґрунтовує значущість проведеного дослідження. Робота виконана у межах плану науково-дослідних робіт кафедри біомедичної інженерії НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», спрямованих на створення інтелектуальних технологій медичної реабілітації. Метою дисертації є створення концепції та програмної реалізації системи цифрового моніторингу рухів кисті, що забезпечує реєстрацію 3D-координат та автоматичний розрахунок кінематичних показників на основі даних Kinect і MediaPipe Hands. Для досягнення мети визначено та вирішено такі задачі: аналіз сучасних технологій відстеження рухів; дослідження будови та характеристик Kinect 1.0/2.0; розроблення архітектури системи; формування метрик моторики; реалізація алгоритмів фільтрації та аналітичної обробки; оцінювання точності алгоритму лендмаркінгу; побудова концепції впровадження системи у вигляді перспективного медичного виробу. Об’єкт дослідження — рухи кисті людини у процесі реабілітації. Предмет дослідження — методи та технічні засоби реєстрації, обробки та аналізу рухів кисті на основі глибинного сенсора та алгоритмів комп’ютерного зору. Методи дослідження включають аналітичний огляд літератури; програмну реалізацію алгоритмів у Python; застосування MediaPipe Hands та OpenCV; математичні методи аналізу кінематичних параметрів; експериментальне оцінювання точності за показниками MAE, RMSE, кутових похибок та стабільності сигналу; структурно-функціональний аналіз вимог до медичних виробів. Наукова новизна полягає у формуванні архітектури markerless-системи відстеження рухів кисті з автоматизованим розрахунком кінематичних метрик, удосконаленні методики валідації точності лендмаркінгу та структуризації вимог до функціональних характеристик перспективної реабілітаційної системи. Практичне значення результатів полягає у розробленні програмної реалізації системи моніторингу рухів кисті, що забезпечує реєстрацію 21 ключової точки кисті, обчислення реабілітаційних показників, збереження даних та побудову візуалізацій динаміки відновлення. Результати можуть бути використані у клінічних та домашніх програмах реабілітації. Апробація результатів здійснена на наукових конференціях та семінарах. Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у трьох наукових працях: 1. Stepanenko N., Dubko A. International Science Journal of Engineering & Agriculture, 2025. 2. Степаненко Н.О., Дубко А.Г. Матеріали конференції «МЦНД», 2025. 3. Степаненко Н., Дубко А. Біомедична інженерія і технологія, 2025.
dc.description.abstractotherThe work focuses on the development of a software system for digital monitoring of hand motion using the Kinect depth sensor and computer vision algorithms. The relevance of the topic is determined by the increasing need for accurate, accessible, and reproducible tools for assessing upper-limb motor function in patients after stroke, traumatic brain injury, and orthopedic interventions. Existing clinical scales often rely on subjective assessment, while laboratory marker-based systems are expensive and unsuitable for routine rehabilitation practice. The rapid development of markerless technologies makes it possible to create effective motion-tracking systems applicable in clinical and home settings, which substantiates the significance of this research. The thesis was carried out within the research plan of the Department of Biomedical Engineering of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,” in the framework of developing intelligent technologies for medical rehabilitation. The aim of the thesis is to develop the concept and software implementation of a digital system for hand-motion monitoring that captures 3D coordinates and automatically computes kinematic metrics using data from Kinect and MediaPipe Hands. To achieve this aim, the following tasks were solved: analysis of modern motion-tracking technologies; investigation of the structure and characteristics of Kinect 1.0 and Kinect 2.0; development of the system architecture; selection and formalisation of motor-function metrics; implementation of filtering and analytical algorithms; evaluation of landmark-detection accuracy; and development of a conceptual model for implementing the system as a prospective medical device. The object of the study is human hand motion during rehabilitation. The subject of the study is the methods and technical means for recording, processing, and analysing hand motion using a depth sensor and computer vision algorithms. The research methods include analytical review of scientific literature; software implementation in Python; the use of MediaPipe Hands and OpenCV; mathematical methods for describing and analysing kinematic parameters; experimental accuracy assessment using MAE, RMSE, angular errors, and stability indices; and structural-functional analysis of medical-device requirements. The scientific novelty lies in the development of an architecture for a markerless hand-tracking system with automated computation of clinically relevant kinematic metrics, the improvement of landmark-validation methodology, and the structured formulation of functional and regulatory requirements for a prospective rehabilitation system. The practical significance of the results lies in the developed software solution, which captures 21 hand landmarks, calculates rehabilitation metrics, stores data in standardised formats, and visualises recovery dynamics. The results may be used in clinical and home-based rehabilitation programs and serve as a foundation for further development of medical devices. The results of the thesis were presented at scientific conferences and seminars. Publications. The main results of the thesis were published in three scientific works: 1. Stepanenko N., Dubko A. International Science Journal of Engineering & Agriculture, 2025. 2. Stepanenko N.O., Dubko A.H. Proceedings of the “MCND” Conference, 2025. 3. Stepanenko N., Dubko A. Biomedical Engineering and Technology, 2025.
dc.format.extent93 с.
dc.identifier.citationСтепаненко, Н. О. Система відстеження рухів кисті людини під час реабілітації : магістерська дис. : 163 Біомедична інженерія / Степаненко Ніна Олександрівна. - Київ, 2025. - 93 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78900
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectреабілітація кисті
dc.subjectкомп’ютерний зір
dc.subjectглибинна камера Kinect
dc.subjectMediaPipe Hands
dc.subjectкінематичний аналіз
dc.subjectmarkerless відстеження рухів
dc.subjectцифрова реабілітація
dc.subjectмедичний виріб
dc.subjectстартап-проєкт
dc.subjecthand rehabilitation
dc.subjectcomputer vision
dc.subjectKinect depth camera
dc.subjectMediaPipe Hands
dc.subjectkinematic analysis
dc.subjectmarkerless motion tracking
dc.subjectdigital rehabilitation
dc.subjectmedical device
dc.subjectstartup concept
dc.subject.udc004.93.1:615.8
dc.titleСистема відстеження рухів кисті людини під час реабілітації
dc.typeMaster Thesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Stepanenko_magistr.pdf
Розмір:
2.31 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Магістерські роботи (БМІ)
Магістерські роботи