Method Article

Kinematische Analyse mit 3D Motion Capture trinken Aufgabe bei Menschen mit und ohne Beeinträchtigungen der oberen Extremitäten

DOI:

10.3791/57228

⸱

March 28th, 2018

 ,  ,  ,  , 
1Institution of Neuroscience and Physiology, Rehabilitation Medicine, Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, 2Securesoft Sweden, 3Departement of Occupational Therapy and Physiotherapy, Sahlgrenska University Hospital

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll beschreibt eine objektive Methode zur Bewertung der Bewegung Leistung und sensomotorische Funktion der oberen Extremität auf Personen mit Schlaganfall und gesunden Kontrollpersonen angewendet. Ein standardisiertes Testverfahren sind kinematische Analyse und Ergebnis Variablen für dreidimensionale Motion Capture trinken Aufgabe bereitgestellt.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kinematische Analyse ist eine leistungsfähige Methode für die objektive Beurteilung der oberen Extremität Bewegungen in einem dreidimensionalen (3D) Raum. Dreidimensionale Motion-Capture mit einem optoelektronischen-Kamera-System gilt als Goldstandard für kinematische Bewegungsanalyse und wird zunehmend als Ergebnis Maßnahme verwendet werden, um die Bewegung Leistung und Qualität nach einer Verletzung oder Krankheit zu bewerten Zusammenhang mit Bewegungen der oberen Extremität. Dieser Artikel beschreibt ein standardisiertes Protokoll für kinematische Analyse der Aufgabe angewendet bei Personen mit Beeinträchtigungen der oberen Extremität nach Schlaganfall zu trinken. Die trinkende Aufgabe beinhaltet erreichen, greifen und Anheben einer Tasse aus einer Tabelle zu nehmen einen Drink, platzieren den Pokal zurück, und bewegen die Hand wieder an den Rand des Tisches. Die Sitzposition ist auf die individuelle Körpergröße standardisiert und die Aufgabe erfolgt in einem angenehmen Tempo Selbststudium und ausgleichende Bewegungen werden nicht eingeschränkt. Soll die Aufgabe natürlich und in der Nähe einer realen Situation, die ökologische Validität des Protokolls zu verbessern zu halten. Ein 5-Kamera Motion-Capture-System wird verwendet, um 3D Koordinatenpositionen aus 9 retroreflektierende Markierungen auf anatomischen Landmarken der Arm, Rumpf und Gesicht positioniert zu sammeln. Eine einfache einzelne Markierung-Platzierung wird verwendet, um die Machbarkeit des Protokolls in klinischen Umgebungen zu gewährleisten. Maßgeschneiderte Matlab Software liefert automatisierte und schnelle Analysen von Bewegungsdaten. Zeitliche Kinematik der Bewegungszeit, Geschwindigkeit, Peak Geschwindigkeit, Zeit der Höhepunkt Geschwindigkeit und Glätte (Anzahl der Bewegung Einheiten) zusammen mit räumlichen eckige Kinematik von Schulter und Ellenbogen gemeinsame sowie Stamm Bewegungen werden berechnet. Die trinkende Aufgabe ist eine gültige Bewertung für Menschen mit Beeinträchtigung gemäßigt und mild Obere Extremität. Das Konstrukt, diskriminierende und gleichzeitige Gültigkeit sowie Reaktionsfähigkeit (Empfindlichkeit ändern) der kinematischen Variablen aus dem Trinken Aufgabe gewonnen wurden.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kinematische Analyse beschreibt die Bewegungen des Körpers durch Raum und Zeit, einschließlich linear und eckige Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die optoelektronischen Motion Capture Systeme verwenden mehrere High-Speed-Kameras, die entweder senden Infrarot-Lichtsignale, die Reflexionen von passiven Markern zu erfassen, die auf den Körper gelegt oder übertragen die Bewegungsdaten von aktiven Marker mit Infrarot Leuchtdioden. Diese Systeme werden als "Goldstandard" für den Erwerb von kinematische Daten1angesehen. Diese Systeme sind für ihre hohe Genauigkeit und Flexibilität bei der Messung der vielfältigen Aufgaben bewertet. Kinematische Maßnahmen haben gezeigt, wirksam bei der Erfassung von kleineren Veränderungen in der Bewegung Leistung und Qualität, die mit herkömmlichen klinischen unentdeckt kann skaliert2,3. Es wurde vermutet, dass diese Kinematik zur Unterscheidung zwischen echten Recovery (Wiederherstellung der Vorsorgemaßnahmen Bewegung Eigenschaften) und die Verwendung von Ausgleichsmaßnahmen (alternative) Bewegungsmuster während der Erfüllung einer Aufgabe4verwendet werden soll, 5.

Bewegungen der oberen Extremität mit Endpunkt Kinematik, erhalten in der Regel aus einer Hand-Markierung, und eckige Kinematik von Gelenken und Segmente quantifiziert werden können (zB., Stamm). Endpunkt-Kinematik informieren über Flugbahnen, Geschwindigkeit, zeitliche Bewegungsstrategien, Präzision, Geradheit und Glätte, während eckige Kinematik charakterisieren Bewegungsmuster in Bezug auf die zeitliche und räumliche Gelenk- und Segment-Winkel, Winkelgeschwindigkeiten und gelenkübergreifenden Koordination. Endpunkt-Kinematik, wie, Bewegungszeit, Geschwindigkeit und Glätte sind wirksam, um die Defizite und Leistungssteigerungen nach Schlaganfall6,7,8 und eckige Kinematik zeigen Bewegung erfassen, ob die Bewegungen der Gelenke und Körperteile sind optimal für eine bestimmte Aufgabe. Kinematik von Menschen mit Beeinträchtigungen sind oft im Vergleich mit Bewegung Leistung bei Personen ohne Beeinträchtigungen8,9. Endpunkt und eckige Kinematik korrelieren in einer Weise, dass eine Bewegung mit Effektivgeschwindigkeit, Glätte durchgeführt, und Präzision gute Bewegungskontrolle, Koordinierung und Nutzung der effektive und optimale Bewegungsmuster erfordert. Beispielsweise ein Patient mit Schlaganfall, bewegt sich langsam in der Regel auch zeigt Glätte (erhöhte Anzahl der Bewegung Einheiten), verringerte, Maximalgeschwindigkeit zu senken und Stamm Verschiebung8erhöht. Auf der anderen Seite können Verbesserungen im Endpunkt Kinematik, wie Geschwindigkeit und Glätte auftreten, unabhängig von den Veränderungen der kompensatorische Bewegungsstrategien Stamm und arm10. Es wurde festgestellt, dass kinematische Analyse möglicherweise zusätzliche und genauere Informationen über wie die Aufgabe ausgeführt wird, nach einer Verletzung oder Erkrankung, die wiederum Voraussetzung für individuelle wirksame Behandlung zur optimalen motorischen Wiederherstellung zu erreichen ist 11. kinematische Analyse wird zunehmend in klinischen Studien verwendet, um die Bewegungen bei Menschen mit Beeinträchtigungen der oberen Extremität nach Schlaganfall8,9, zu beschreiben, zur Bewertung der motorischen Wiederherstellung7, 12,13 oder die Wirksamkeit therapeutischer Interventionen10,14.

Bewegung-Aufgaben, die oft in Schlaganfall untersucht sind zeigen und erreichen, obwohl die Verwendung von funktionellen Aufgaben, die Manipulation von realen alltäglichen Objekten integrieren1steigt. Da Kinematik zu erreichen ist abhängig von der experimentellen Einschränkungen wie z. B. die Auswahl von Objekten und das Ziel der Aufgabe15, es ist wichtig, Bewegungen während der zielgerichtete und funktionale Aufgaben in dem bewerten die wirklichen Schwierigkeiten in einzelnen Alltag wird stärker berücksichtigt.

Somit ist das Ziel dieser Arbeit, eine detaillierte Beschreibung eines einfachen standardisierten Protokolls für die kinematische Analyse einer zielgerichteten und funktionelle Aufgabe, trinken Aufgabe, Personen mit Beeinträchtigungen der oberen Extremität im akuten und chronischen Stadien angewandt nach einem Schlaganfall. Ergebnisse aus der Validierung dieses Protokolls für Einzelpersonen mit gemäßigt und mild Schlaganfall Beeinträchtigung werden zusammengefasst.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle hier beschriebene Methoden wurden Teil der Studien von regionalen Ethical Review Board in Göteborg, Schweden (318 / 04, 225 / 08) zugelassen.

1. einrichten das Motion-Capture-System

  1. Befestigen Sie die 4 Kameras an der Wand ca. 1,5-3 m entfernt von den Messbereich auf der Höhe von 1,5 bis 2,5 m mit Blick auf den Messbereich. Befestigen Sie eine Kamera an Decke oberhalb der Messbereich (Abbildung 1). Starten Sie das Kamerasystem.
  2. Legen Sie den Kalibrierrahmen L-Form auf den Tisch mit der kurzen Achse im Einklang mit der Kante des Tisches und der langen Achse zeigen nach vorn.
    Hinweis: Das Koordinatensystem wird mit X-Achsen gerichtet nach vorn (anterior in der Sagittalebene), Y-Achse seitlich (in der Frontalebene) gerichtet und z-Achse nach oben gerichtet (kranial, senkrecht zur transversalen Ebene) definiert.
  3. Öffnen Sie die 3D Tracking und Daten Erfassungssoftware (Track-Manager), Kalibrierung durch Auswahl Capture starten | Kalibrieren Sie, geben Sie die Kalibrierungszeit 30 s und klicken Sie auf "OK".
  4. Verschieben Sie den Zauberstab in alle Richtungen über den gesamten Messbereich (75 × 75 × 65 cm) über den Stuhl und Tisch um sicherzustellen, dass alle 5 Kameras den Zauberstab in so viele Richtungen wie möglich16,17 erfassen. Nach der Kalibrierung zeigen die Ergebnisse auf dem Bildschirm. Akzeptieren Sie die Kalibrierung Residuen unter 0,5 mm.
  5. Das Thema, trug ein ärmelloses top, sitzen in einer in einer Höhe verstellbaren Sessel mit dem Rücken gegen die Chair´s zurück, der Oberarm in Neutralstellung adduziert, der Handfläche ruhen am Tisch und das Handgelenk ausgerichtet an den Rand des Tisches. Prüfen Sie die Knie, Hüfte und Ellbogen Winkel etwa 90°.
  6. Legen Sie die retroreflektierenden passive Marker mit Doppel-Klebeband am Skelett Sehenswürdigkeiten18 getesteten andererseits (dritte metakarpo gemeinsame), Handgelenk (Styloids Prozess der Elle (Ulna)), Ellbogen (seitlichen Epicondylus), Rechte und linke Schulter (Mittelteil der Schulterdach) Thorax (oberer Teil des Brustbeins) und Stirn (Kerbe zwischen den Augenbrauen).
  7. Zwei Markierungen auf dem Becher (Ober- und Unterkante) platzieren.

2. Verfahren für Motion Capture trinken Aufgabe

  1. Legen Sie die Hartplastik Tasse (Durchmesser von 7 cm, Höhe 9,5 cm) mit 100 mL Wasser 30 cm von der Tischkante in der Mittellinie des Körpers. Die Position der Tasse auf dem Tisch ist bewusst gewählt, um die Aufgabenleistung Natur- und nah an der realen Situation zu halten.
  2. Bitte das Thema durchzuführen das Trinken Aufgabe in einem angenehmen Tempo Selbststudium durch i) erreichen und greifen den Cup, Ii) heben die Tasse aus der Tabelle in Richtung Mündung, Iii) nehmen einen Drink (ein Schluck), iv) platzieren die Tasse auf den Tisch hinter einer markierten Linie (30 cm von der Registerkarte "zurück Le-Rand), und V) wieder in die Ausgangsstellung zurück mit der Hand auf die Kante des Tisches.
  3. Stellen Sie sicher, dieses Thema versteht die Anweisungen und die Tasse bequem mit der weniger betroffenen Arm erreichen kann, ohne nach vorne lehnen.
  4. Vor jeder Aufnahme, sicherzustellen, dass die Startposition (Ausgangsposition) korrekt ist, Fragen, das Thema bereit sein, starten Sie die Aufnahme manuell und verbale Anweisung zu geben, "Sie können jetzt beginnen."
  5. Wenn das Thema die Aufgabe abgeschlossen ist, halten Sie die Aufnahme manuell.
  6. Aufzeichnen von fünf Studien mit kurzen Pause zwischen jeder Prüfung (ca. 30 s), beginnend mit dem Arm weniger betroffen.
  7. Überprüfen Sie, dass die Datenerfassung erfolgreich war (95-100 % Daten für jede identifizierte Marker).
    Hinweis: Marker automatisch Daten Echtzeit an die Datenerfassungs-Software (Track-Manager). Ein vordefinierte automatische Marker Identifikation (AIM) Modell wird für die automatische Identifizierung der Marker verwendet.
  8. Bei unvollständige Daten erkannt werden, führen Sie zusätzliche Prüfungen nach Identifizierung des Problems und die Anpassung der Sitz- oder Marker Positionen um vollständige Transparenz der Marker zu gewährleisten, um mindestens 3 erfolgreiche Versuche zu erhalten.
    Hinweis: Mögliche Probleme, die auftreten können sind, dass Marker abfallen können oder sie werden von den Kameras Blickwinkel, die Ergebnisse in unvollständigen Daten verschlossen. Jedoch produziert die Kamera und Marker Set-up, wie in diesem Protokoll verwendet Datenverlust aufgrund von Lücken nur in sehr seltenen Fällen. Insgesamt dauert die Bewegung Aufzeichnungssitzung ca. 10-15 Minuten in Anspruch.

(3) Datenanalyse

  1. Übertragen die aufgezeichneten Daten aus Track-Manager direkt in Matlab durch Klicken auf Datei | Exportieren | Direkt in Matlab.
  2. Matlab mit dem Befehl an der Eingabeaufforderung: (>> Arbeitsbereich) um die Matlab Variablen anzuzeigen.
    Hinweis: Schlüssel Matlab Variablen mit Daten, die in der Anleitung und bei der Erstellung der Analysis verwendet werden sind:
    QTMmeasurements.Frames - die Anzahl der erfassten frames
    QTMmeasurements.FrameRate - die Anzahl der Frames pro Sekunde (240) erfasst
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Count - Anzahl der Etiketten (10)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Labels - Etiketten im Track-Manager definiert
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Data - Messdaten in eine 3D-Anordnung 10 x 3 X Anzahl der Frames, wo für jedes Bild und jedes Etikett 3 Koordinaten aufgezeichnet werden
  3. In Matlab filtern die X, y, Z Werte mit der (Butter) und (Filtfilt) Anleitung mit einer 6 Hz zweiter Ordnung Butterworth filter in sowohl nach vorne und Richtungen, geben eine Null-Phase Verzerrung und Filterung her-Reihenfolge umkehren.
    Hinweis: Beispiel
    [b, eine] = Butter (2, 6/240/2); % Cutoff-Frequenz 6Hz und in Bezug auf ½ Sampling-Frequenz
    Xfiltered = Filtfilt (b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:));
  4. Erstellen Sie in Matlab ein Programm verwenden, um die kinematischen Variablen wie tangentiale Geschwindigkeit der Hand und Gelenkwinkel berechnen die X, y, Z-Werte für jedes Frame Sample und jedes Etikett. Die kinematischen Variablen sind in Tabelle 2dargestellt.
  5. In Matlab, erstellen Sie ein Programm, um die Reihenfolge der Proben in 5 logische Phasen aufteilen: erreichen, weiterleiten, Transport, trinken, Rücktransport und wieder die Hand in die Ausgangsposition (Abbildung 2). Definitionen für Beginn und Ende der einzelnen Phasen sind detailliert in Tabelle 1gezeigt.
  6. Verwenden Sie in Matlab die (Plot) Anweisung Grundstücke Positionen, Geschwindigkeiten und Gelenke Winkel Winkel-Winkel-Diagramme zu erstellen.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll wurde für Personen mit Schlaganfall und gesunden Kontrollpersonen2,6,8,19,20,21angewendet. Insgesamt wurden in verschiedenen Studien kinematische Daten von 111 Personen mit Schlaganfall und 55 gesunden Kontrollpersonen analysiert. Die Beeinträchtigu...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Protokoll kann erfolgreich eingesetzt werden, um die Bewegung Leistung und Qualität bei Personen mit gemäßigt und mild oberen Extremität sensomotorische Beeinträchtigungen in allen Phasen nach Schlaganfall zu quantifizieren. Die Durchführbarkeit dieses Protokolls wurde erwies sich in einer klinischen Umgebung so früh wie 3 Tage-Schlaganfall Post, und zeigte, dass das System durch ausgebildete Mediziner ohne besondere technische Qualifikationen eingesetzt werden kann. Technisches Know-how ist jedoch erforderlich, um e...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Besonderen Dank an Bo Johnels, Nasser Hosseini, Roy Tranberg und Patrik Almström um Hilfe mit der Initiierung dieses Projektes. Die Forschungsdaten präsentiert in diesem Protokoll wurde an der Sahlgrenska University Hospital gesammelt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Optoelektronisches ProReflex Motion-Capture-System mit 5 Kameras (MCU 240 Hz)Qualisys AB, Gthenburg, SchwedenN/ABewegungsanalysesystem mit passiven retroreflektierenden Markierern
MarkiererQualisys AB, Gthenburg, SchwedenN/ARetroleflektive passive kreisförmige Markierer, Durchmesser von 12 mm
Kalibrierrahmen und StabQualisys AB, Gthenburg, SchwedenN/AL-förmiger Kalibrierrahmen (definiert den Ursprung und die Ausrichtung des Koordinatensystems); T-förmiger Stab (300 mm)
Qualisys Track ManagerQualisys AB, Gthenburg, SchwedenN/A3D-Tracking-Software
MatlabMathworks, Inc, Natick, CAN/ASoftware zur Datenanalyse

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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