Dreidimensionale Bewegungserfassung mit Consumer-Highspeedkameras: Eine Systementwicklung unter besonderer Berücksichtigung der Messunsicherheit

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Test eines auf Consumer-Highspeedkameras basierenden Bewegungserfassungssystems. Consumer-Kameras sind flexibler einsetzbar als kommerzielle Bewegungserfassungssysteme, zugleich kostengünstiger und werden daher oft in der sportwissenschaftlichen Forschung verwendet. Durch ihren Einsatz entstehen jedoch prinzipbedingt höhere Messunsicherheiten, deren Bestimmung in der vorliegenden Arbeit ein besonderer Stellenwert eingeräumt wird. Nach einem Überblick über aktuelle Bewegungserfassungssysteme und deren Genauigkeiten folgt eine Betrachtung der Messunsicherheit aus metrologischer Perspektive. Anschließend werden die Prozesse der Bilderfassung bei digitalen Consumer-Kameras sowie die zur Modellierung des Kameraabbildungsverhaltens notwendigen Parameteridentifikationsmethoden dargestellt. Diese reichen vom häufig genutzten DLT-Verfahren über Methoden mit Verzeichnungskorrektur bis zu Bündelausgleichsverfahren. Im Anschluss werden die für die verwendeten Kameras geeigneten Methoden auf Basis funktionaler Hardwaretests ausgewählt und weitere für das Bewegungserfassungssystem notwendige Softwarekomponenten diskutiert. Dazu gehören neben der automatisierten Video- und Bildverarbeitung, spezielle Verfahren zur Korrektur von Consumer-Kamera-spezifischen Abweichungen, z.B. die Korrektur von Rolling-Shutter-Verzerrungen. Im zweiten Teil der Arbeit richtet sich der Fokus auf die Simulation der Effekte von Parameterungenauigkeiten auf die Systemgenauigkeit sowie auf die Validierung und den Test des implementierten Systems. Dabei konnte die Rekonstruktionsgenauigkeit von 11.86mm bei einer Referenzrahmenkalibration durch den Einsatz der Kalibrationsmethode mit Bündelausgleichsverfahren von Svoboda u. a. (2005) auf maximal 4.126mm (M=0.073 mm; SD=1.486 mm) reduziert werden. Diese Methode erlaubt zudem eine einfachere Kalibration größerer Messvolumen ohne aufwändige Referenzrahmen und ist daher ideal für den sportwissenschaftlichen Einsatz geeignet. Ein weiteres Ergebnis der Arbeit ist die theoretische Ableitung der Fehlerfortpflanzung für die Prozessschritte der Bewegungserfassung. In Kombination mit der entwickelten Simulationsumgebung wird damit die Grundlage für eine Prädiktion der erreichbaren Messunsicherheit bereits vor der eigentlichen Messung gelegt.

A compact and portable deposition chamber to study nanoparticles in air-exposed tissue

BACKGROUND Epidemiological studies show that elevated levels of particulate matter in ambient air are highly correlated with respiratory and cardiovascular diseases. Atmospheric particles originate from a large number of sources and have a highly complex and variable composition. An assessment of their potential health risks and the identification of the most toxic particle sources would require a large number of investigations. Due to ethical and economic reasons, it is desirable to reduce the number of in vivo studies and to develop suitable in vitro systems for the investigation of cell-particle interactions. METHODS We present the design of a new particle deposition chamber in which aerosol particles are deposited onto cell cultures out of a continuous air flow. The chamber allows for a simultaneous exposure of 12 cell cultures. RESULTS Physiological conditions within the deposition chamber can be sustained constantly at 36-37°C and 90-95% relative humidity. Particle deposition within the chamber and especially on the cell cultures was determined in detail, showing that during a deposition time of 2 hr 8.4% (24% relative standard deviation) of particles with a mean diameter of 50 nm [mass median diameter of 100 nm (geometric standard deviation 1.7)] are deposited on the cell cultures, which is equal to 24-34% of all charged particles. The average well-to-well variability of particles deposited simultaneously in the 12 cell cultures during an experiment is 15.6% (24.7% relative standard deviation). CONCLUSIONS This particle deposition chamber is a new in vitro system to investigate realistic cell-particle interactions at physiological conditions, minimizing stress on the cell cultures other than from deposited particles. A detailed knowledge of particle deposition characteristics on the cell cultures allows evaluating reliable dose-response relationships. The compact and portable design of the deposition chamber allows for measurements at any particle sources of interest.