A Guide to Inverse Kinematic Marker-Guided Rotoscoping Using IK Solvers

X-ray Reconstruction of Moving Morphology (XROMM) permits researchers to see beneath the skin, usually to see musculoskeletal movements. These movements can be tracked and later used to provide information regarding the mechanics of movement. Here, we discuss "IK marker-guided rotoscoping"-a method that combines inverse kinematic solvers with that of traditional scientific rotoscoping methods to quickly and efficiently overlay 3D bone geometries with the X-ray shadows from XROMM data. We use a case study of three Nile crocodiles' (Crocodylus niloticus) forelimbs and hindlimbs to evaluate this method. Within these limbs, different marker configurations were used: some configurations had six markers, others had five markers, and all forelimb data only had three markers. To evaluate IK marker-guided rotoscoping, we systematically remove markers in the six-marker configuration and then test the magnitudes of deviation in translations and rotations of the rigged setup with fewer markers versus those of the six-marker configuration. We establish that IK marker-guided rotoscoping is a suitable method for "salvaging" data that may have too few markers.Die Röntgen-Rekonstruktion sich bewegender Morphologie (XROMM) bietet den Forschern eine Möglichkeit, unter die Haut zu blicken, in der Regel, um Bewegungsabläufe des Bewegungsapparates nachzuvollziehen. Diese Bewegungen können erfasst und später verwendet werden, um Informationen über die Funktionsweise der Bewegungen zu erhalten. Hier beschreiben wir das “IK marker-guided Rotoscoping” - eine Methode, die Lösungen aus der inversen Kinematik mit traditionellen wissenschaftlichen Rotoskopiemethoden kombiniert, um 3D-Knochengeometrien schnell und effizient mit Röntgenschatten aus XROMM-Daten zu überlagern. Diese Methode wird anhand einer Fallstudie an den Vorder- und Hintergliedmaßen von drei Nilkrokodilen (Crocodylus niloticus) bewertet. Für die einzelnen Gliedmaßen wurden unterschiedliche Markerkonfigurationen verwendet: Einige Konfigurationen der Hintergliedmassen enthielten sechs Marker, andere fünf Marker, sämtliche Vordergliedmaßen enthielten jeweils nur drei Marker. Um das IK marker-guided Rotoscoping zu evaluieren, entfernten wir systematisch Marker in der Sechs-Marker-Konfiguration und verglichen dann die Abweichungen von Translationen und Rotationen der mit weniger Markern ausgestatteten Setups mit denjenigen der Sechs-Marker-Konfiguration. Wir konnten aufzeigen, dass das IK marker-guided Rotoscoping eine geeignete Methode ist, um zusätzliche Daten zu gewinnen, wenn die Anzahl enthaltener Marker anderweitig unzureichend ist.X-ray Reconstruction of Moving Morphology (XROMM) consente a ricercatori di vedere sotto la pelle, solitamente per osservare movimenti muscoloscheletrici. Questi movimenti possono essere tracciati per poi ottenere informazioni sulle meccaniche del movimento. In questo articolo discutiamo ‘IK marker-guided rotoscoping’ - un metodo che combina inverse kinematic solvers con metodi scientifici tradizionali di rotoscoping per sovrapporre modelli geometrici 3D delle ossa in modo rapido ed efficiente utilizzando le ombre a raggi x dai dati XROMM. Per valutare questo metodo usiamo come studio di caso arti anteriori e posteriori di tre coccodrilli del Nilo (Crocodylus niloticus). Tra questi arti, sono state usate diverse configurazioni per i marker: alcune configurazioni avevano 6 marker, altre 5 e tutti gli arti anteriori avevano 3 marker. Per valutare ‘IK marker-guided rotoscoping', sistematicamente rimuoviamo marker dalla configurazione che usava 6 marker e poi testiamo la magnitudine della deviazione in traslazione e rotazione tra il modello con meno marker e quello originale da 6. Stabiliamo che ‘IK marker-guided rotoscoping' è un metodo adatto per ‘salvare' dati che possono contenere troppo pochi marker.(by Vittorio La Barbera).X線動態構築 (XROMM) は筋骨格運動など皮下の観察を可能にする.撮影された筋骨格運動は運動機構に関する知見をもたらす.本研究では, “IK (逆運動学) マーカー・ロトスコープ法” - 逆運動学ソルバーと元来の科学的ロトスコープ法の組合せにより, 迅速かつ効果的にD骨ジオメトリーとXROMMから得たX線陰影を重ね合せた.本手法は, ナイルワニ (Crocodylus niloticus) の前後肢を用いた事例研究により評価された.異なる前後肢のマーカー構成 (5もしくは6マーカー, 全ての前肢は3マーカー) が用いられた.IKマーカー・ロトスコープ法を評価するため, 6マーカー構成から体系的にマーカーを取除き, 少ないマーカー構成と6マーカー構成で組立モデルの並進・回転方向のずれ度合を比べた.その結果, IKマーカー・ロトスコープ法は, 少ないマーカー構成から得られたデータを“救出”するのに適した手法であることが分かった.(by Masaya Iijima).La reconstruction par rayons X de la morphologie en mouvement (XROMM) permet aux chercheurs d'observer les structures internes d'un organisme en mouvement, notamment au niveau musculo-squelettique. Ces mouvements peuvent être suivis à l'aide de marqueurs, renseignant ainsi sur la mécanique des mouvements de l'organisme étudié. Nous présentons ici la méthode ‘IK marker-guided rotoscoping’ qui combine des solveurs de cinématique inverse (IK) et des méthodes de rotoscopie scientifique pour superposer efficacement et de manière fiable des os en 3D avec les données obtenues par XROMM. Afin d'estimer la précision de cette méthode, nous l'avons appliquée sur un échantillon composé de membres antérieurs et postérieurs de trois crocodiles du Nil (Crocodylus niloticus) en utilisant trois configurations différentes : certaines comprenaient six marqueurs, d'autres cinq, tandis que toutes les configurations sur le membre antérieur comprenaient trois marqueurs. Nous avons ensuite retiré des marqueurs dans toutes les configurations comprenant six marqueurs afin de vérifier si cette différence avait un impact sur les mouvements de translations et de rotations obtenus respectivement avec ces deux configurations. Nous démontrons ainsi qu'il est possible d’étudier des données incomplètes, et donc n'offrant que très peu de marqueurs, en utilisant la méthode ‘IK marker-guided rotoscoping’.(by Romain Pintore).