Messung der dynamischen Skapulier Kinematik Mit einem Acromion Markierung Cluster zu Haut Bewegung Artefakt Minimieren
10. Februar 2015
Dieser Bericht enthält Einzelheiten, wie das Schulterdach Marker Cluster Methode zur Gewinnung von Skapulier Kinematik bei Verwendung eines passiven Marker Motion-Capture-Gerät übernehmen. Wie in der Literatur beschrieben wurden, bietet dieses Verfahren einen robusten, nicht invasiven, dreidimensionalen, dynamischen und gültige Messung scapular Kinematik Minimierung Haut Bewegungsartefakte.
Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, nichtinvasive dynamische Messungen der skapulären Kinematik zu erhalten. Dies wird erreicht, indem retroreflektierende Marker am Thorax und ein Marker-Cluster am flachen Anteil des Akromions angebracht werden. Der zweite Schritt besteht darin, die Position skapulärer anatomischer Landmarken in Bezug auf den Marker-Cluster mithilfe eines Kalibrierstabes zu bestimmen.
Nach der Kalibrierung führt der Proband Armbewegungen in den relevanten Bewegungsebenen durch, bei denen der Arm angehoben und abgesenkt wird. Im letzten Schritt wird die Position der skapulären anatomischen Landmarken während der dynamischen Bewegungen anhand ihrer bekannten Lage relativ zum Akromion-Markerbündel bestimmt. Letztlich dient die Position der skapulären anatomischen Landmarken dazu, die Orientierung der Skapula in Bezug auf den Thorax darzustellen.
Diese Technik kann helfen, zentrale Fragen auf den Gebieten der Biomechanik und Rehabilitation zu beantworten, beispielsweise welche Bewegungsmuster des Schulterblatts mit einer funktionellen Dysfunktion assoziiert sind. Sie ermöglicht zudem die Beurteilung von therapeutischen Maßnahmen, die gezielt auf die Behandlung von Schulterdysfunktionen abzielen. Beginnen Sie damit, den Probanden darum zu bitten, die Oberbekleidung abzulegen oder Kleidung zu tragen, die die Bewegung der Marker nicht beeinträchtigt oder diese vor dem Erfassungssystem verdeckt.
Konstruieren Sie einen Akromion-Marker-Cluster oder einen MC, bestehend aus einem L-förmigen Kunststoffstück. Befestigen Sie drei retroreflektierende Marker, einen an jedem Ende der beiden Schenkel, an dem Punkt, an dem sie zusammentreffen. Verwenden Sie doppelseitiges Klebeband, um den A-MC am hinteren Bereich des Akromions anzubringen, dort, wo es auf den Skapulabogen trifft.
Ein Abschnitt der Platte sollte entlang der Wirbelsäule des Schulterblatts nach medial zeigen. Der andere sollte anterior zur Ebene des Schulterblatts zeigen. Nächster Gurt.
Am Oberarm des Teilnehmers sollte dann ein Cluster-Marker angebracht werden; retroreflektierende Marker sind an folgenden anatomischen Landmarken zu befestigen: dem Jugulum, dem Xiphoid, der siebten Halswirbelsäule, dem achten Brustwirbel, dem Sterno-claviculargelenk, dem Ulna-Styloid und dem Radius-Styloid. Die anatomischen Landmarken im Verhältnis zum A MC müssen für jeden Teilnehmer kalibriert werden. Dazu wird ein Kalibrierstab konstruiert, der aus vier reflektierenden Markern in einer T-Formation besteht.
Messen Sie den Abstand von der Spitze des Kalibrierstabes bis zum ersten Stab-Marker. Um eine Messung durchzuführen, platzieren Sie die Spitze des Stabes auf dem zu kalibrierenden Bezugspunkt und erfassen Sie drei Sekunden lang Daten mit dem Bewegungserfassungssystem, wobei sichergestellt werden muss, dass die Marker am Stab, am MC und am Oberarm-Cluster für alle Kameras sichtbar sind.
Zunächst lokalisieren Sie das Acromioclaviculargelenk, indem Sie eine Hand auf die Clavicula legen und seitlich verschieben, bis zu der Stelle, an der die Clavicula auf das Acromion trifft. Plazieren Sie die Spitze des Schallkopfs am Gelenk zwischen Clavicula und Acromion, um den Acromionwinkel zu messen. Auch entlang des Spinos der Scapula bis zum am weitesten lateralen Punkt.
Platzieren Sie die Spitze des Messgeräts an dieser Stelle auf der dorsalen Seite des Akromions. Bewegen Sie sich dann entlang der Schulterblattschwange zur medialsten Stelle. Um die mediale Schwange des Schulterblatts zu lokalisieren, platzieren Sie die Spitze des Messgeräts an der Stelle, an der die Schwange auf den medialen Rand des Schulterblatts trifft.
Um den unteren Winkel des Schulterblatts zu finden, tasten Sie entlang des medialen Randes des Schulterblatts nach kaudal und platzieren Sie die Spitze des Schallkopfs am kaudalsten Punkt, wobei der Ellbogen des Probanden im 90-Grad-Winkel gebeugt ist und der Daumen nach oben zeigt. Legen Sie eine Hand auf die mediale Seite des Ellbogens, um den mediale Epicondylus zu finden. Platzieren Sie die Spitze des Schallkopfs am kaudalsten Punkt des medialen Epicondylus.
Platzieren Sie an derselben Stelle eine Hand auf die laterale Seite des Ellbogens, um den lateralen Epikondylus zu lokalisieren, und setzen Sie die Spitze des Wands auf den am weitesten kordial gelegenen Punkt. Um das Zentrum des Schultergelenks (Glenohumerale Gelenk) zu bestimmen, bitten Sie die Versuchsperson, eine Zirkumduktionsbewegung mit dem Oberarm auszuführen. Während der Ellbogen vollständig gestreckt ist, muss die Versuchsperson diese Bewegung im Bereich von null Grad Armhebung bis etwa 40 Grad durchführen und dabei darauf achten, die Protraktion, Retraktion, Hebung oder Senkung des Schulterkomplexes möglichst gering zu halten.
Der Untersucher kann gegebenenfalls Unterstützung leisten. Zeichnen Sie diese Bewegung etwa 30 Sekunden lang auf. Nach der Kalibrierung beginnen Sie mit der Datenerfassung, indem Sie den Teilnehmer auffordern, die Arme von null auf 120 Grad anzuheben und anschließend den Arm wieder in die Ausgangsposition an der Seite abzusenken.
Weisen Sie den Probanden an, diese Bewegung in der sagittalen Frontal- und Skapularebene auszuführen. Die Skapularebene liegt etwa 40 Grad ventral zur Frontalebene, um die Skapularkinematik zu berechnen. Während der dynamischen Bewegungsversuche wird kinematische Modellierungssoftware verwendet.
Die Software enthält Befehle zur Erstellung lokaler Koordinatensysteme, zur Umrechnung von Koordinaten von lokalen in globale Koordinatensysteme sowie zur Berechnung von Euler-Winkel-Rotationen. Zunächst werden die Koordinaten der Marker auf dem A MC verwendet, um ein beliebiges lokales Koordinatensystem zu definieren. Anschließend wird die Position der jeweiligen Spitze im globalen Koordinatensystem für jeden Kalibrierungsdurchlauf des skapulären anatomischen Merkmals berechnet.
Bestimmen Sie die Position der einen Spitze in Bezug auf das lokale Koordinatensystem des A MC. Anschließend ermitteln Sie die Lage der mediale und lateralen Epikondylen in Bezug auf den Markerverbund am Humerus. Nutzen Sie die bekannte Position der anatomischen Landmarken in Bezug auf das A MC, um die Lage im globalen Koordinatensystem für jeden Zeitpunkt während des dynamischen Versuchs zu bestimmen.
Wiederholen Sie diese Schritte für jede anatomische Markierung, die mediale und laterale Epikondylen. Verwenden Sie den Oberarm-Cluster. Berechnen Sie anschließend das Gelenkzentrum des Schultergelenks mithilfe des Drehpunkts der Schraubenachse zwischen Humerus und Skapula.
Als Nächstes definieren Sie ein lokales Koordinatensystem für Thorax, Schulterblatt und Oberarm, indem Sie die Einheitsvektoren zwischen den entsprechenden Markern berechnen, gemäß den Empfehlungen der International Society of Biomechanics für jedes starre Körperteil. Um die Orientierung des Schulterblatts relativ zum Thorax für jeden Zeitpunkt zu bestimmen, verwenden Sie die Euler-Winkel-Zerlegungsmethode mit einer Rotationsreihenfolge aus interner Rotation, oberer Rotation und anschließend posteriorer Neigung. Bestimmen Sie danach die Orientierung des Oberarms bezüglich des Thorax unter Verwendung einer nicht-kardinalen Rotationsreihenfolge, bestehend aus der Hebungsebene, der Hebung und dann der axialen Rotation.
Führen Sie die Schritte zur Datenreduktion und -analyse mithilfe von Software für numerische Modellierung wie matlab durch. Teilen Sie die kinematischen Daten in die Anhebe- und Absenkphasen der humeralen Bewegung ein. Normalisieren Sie die Zeit für jede Bewegungsphase und drücken Sie die skapuläre Kinematik relativ zum humeralen Anhebewinkel aus.
In diesem Beispiel werden die Anhebung und Absenkung des Humerus sowie der Beginn und das Ende jeder Phase durch die grünen gestrichelten Linien gekennzeichnet. Die Phasen der Anhebung und Absenkung werden anhand der Winkelgeschwindigkeit der Humerusanhebung bestimmt. Die oberste rote Strichlinie stellt die Schwelle dar, die zur Bestimmung des Beginns und Endes der Anhebephase verwendet wird.
Die unterste rote gestrichelte Linie stellt eine Schwelle dar, die zur Bestimmung des Beginns und Endes der Absenkbewegung verwendet wird. Grüne gepunktete Linien markieren die Zeitpunkte, an denen die Winkelgeschwindigkeit die Schwellenwerte überschritten hat. Dieses Diagramm zeigt die skapuläre Aufwärtsrotation während der Armelevation, die mit über 101 Datenpunkten interpoliert wurde.
Zur Normierung bezüglich der Zeit. Die Skapularrotationen während der Bewegung des Arms in der Sagittalebene werden dargestellt, und zwar die Aufwärtsrotation in der Hebe- und Senkphase sowie die posteriore Neigung und die Innenrotation jeweils in der Hebe- und Senkphase. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es äußerst wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine sorgfältige Platzierung der Marker und eine präzise Palpation der anatomischen Landmarken entscheidend sind, um valide und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass diese Technik nur bis zu einer humeralen Hebung von 120 Grad gültig ist.
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Übersicht
Dieser Bericht beschreibt die Methode des Akromion-Marker-Clusters zur Erfassung der skapulären Kinematik mithilfe eines passiven Marker-basierten Bewegungserfassungssystems. Diese nichtinvasive Technik ermöglicht robuste dreidimensionale Messungen und minimiert Artefakte durch Hautbewegungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Biomechanik
- Bewegungsaufnahmetechnologie
Hintergrund
- Die Skapulakinematik ist entscheidend für das Verständnis der Schultermechanik.
- Herkömmliche Methoden können Artefakte aufgrund von Hautbewegungen verursachen.
- Die Akromion-Marker-Cluster-Methode zielt darauf ab, genaue Messungen bereitzustellen.
- Nichtinvasive Techniken werden in klinischen und Forschungsumgebungen bevorzugt.
Zweck der Studie
- Um dynamische Messungen der skapulären Kinematik zu erhalten.
- Um die Genauigkeit der Bewertung der Skapulaorientierung zu verbessern.
- Um den Einfluss von Hautbewegungsartefakten während der Messungen zu minimieren.
Verwendete Methoden
- Anbringen von retroreflektierenden Markern am Thorax und am Akromion.
- Verwendung eines Kalibrierstabes zur Lokalisierung skapulärer anatomischer Landmarken.
- Die Probanden führen Hebe- und Senkbewegungen des Arms aus.
- Bestimmung der Positionen skapulärer Landmarken während dynamischer Bewegungen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Kalibrierung der skapulären Landmarken in Bezug auf das Akromion.
- Präzise Verfolgung der skapulären Bewegung während Armbewegungen.
- Nachgewiesene Validität der Akromion-Markerkonfigurations-Methode.
- Reduzierte Bewegungsartefakte des Hautgewebes im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
Schlussfolgerungen
- Die Akromion-Marker-Cluster-Methode eignet sich zur Messung der skapulären Kinematik.
- Diese Methode verbessert die Zuverlässigkeit von Bewegungserfassungsdaten.
- Sie stellt ein wertvolles Werkzeug für Forscher und Kliniker in der Biomechanik dar.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die genaue Messung der dynamischen Skapula-Kinematik ist entscheidend für das Verständnis der Schulterbiomechanik in präklinischen Modellen von muskuloskelettalen Erkrankungen. Die Methode des Akromion-Marker-Clusters verringert Artefakte durch Hautbewegung und verbessert die Datenzuverlässigkeit für die Zielvalidierung in der Rehabilitationsforschung. Dies unterstützt die mechanistische Risikominderung, indem quantitative Bewertung von Veränderungen der Skapula-Orientierung während der Armbewegung in den Phasen Hebung und Absenkung ermöglicht wird.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der skapulothorakalen Mechanik in Krankheitsmodellen, indem zuverlässige Messungen der Aufwärtsrotation und der posterioren Kippung bereitgestellt werden.
- Operativer Wert: Verringert die Messvariabilität aufgrund von Hautartefakten und erhöht somit das Vertrauen in die Beurteilung der Zielstrukturen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert standardisierte, reproduzierbare kinematische Ausgabewerte des Schulterblatts für die Einsatzbereitschaft in Modellen von Schulterfunktionsstörungen.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Wiederverwendung der Plattform über verschiedene Studien hinweg durch definierte Kalibrierungs- und Datenerfassungsprotokolle.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht eine translationale Kontinuität, indem entdeckungsphasenbezogene Bewegungsmuster der Schulterblattregion mit der präklinischen Validierung von Interventionen verknüpft werden.
- Operationaler Wert: Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung anhand zuverlässiger Wellenform-Fehlermetriken (z. B. 2,7°–4,4° für die Aufwärtsrotation).
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in Entdeckungsbiologie-Arbeitsabläufe, indem sie die Hypothesenprüfung zum Beitrag des skapulothorakalen Bereichs an Schulterfunktionsstörungen ermöglicht und die Identifizierung aussichtsreicher Kandidaten durch quantitative biomechanische Phänotypisierung unterstützt.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Aufklärung von Wegen, indem die Skapulaorientierung relativ zum Thorax während der Armhebung und -absenkung in mehreren Ebenen gemessen wird.
- Screening: Liefert assaysbereite, normalisierte kinematische Daten, ausgedrückt bezogen auf den humeralen Hebewinkel, zur vergleichenden Analyse über verschiedene Bedingungen hinweg.
- Analytik: Erzeugt den Korrelationskoeffizienten für multiple Korrelation (CMC) sowie Wellenformfehlermetriken, um die Zuverlässigkeit zu quantifizieren und Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch zu unterstützen.
- Translationale Forschung: Verbindet dynamische Skapulamuster mit präklinischer Kontinuität, indem die Konsistenz der Messungen über Hebe- und Absenkbewegungen hinweg validiert wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare biomechanische Bewertungsmöglichkeit durch standardisierte Markerplatzierung, Nutzung eines Kalibrierstabes und standardisierte numerische Modellierungsabläufe.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit bei skapulothorakalen Mechaniken, Verringerung mechanistischer Unschärfen in Modellen von Schulterdysfunktionen.
- Operationaler Wert: Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit der Messung skapulärer Kinematik über verschiedene Labore hinweg.
- Strategischer Wert: Bessere Go/No-Go-Entscheidungen, Kapital-Effizienz und verringertes biologisches Risiko in fortgeschrittenen Phasen bei muskuloskelettalen Programmen.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierungs- und Voranbringungsentscheidungen basierend auf zuverlässigen Daten zur Aufwärtsrotation (CMC = 0.92) und posterioren Neigung (CMC = 0.70).
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in Biomechanik, Bewegungserfassungssystemen und der Palpation anatomischer Landmarken.
- Abhängig von Bewegungserfassungskameras, retroreflektiven Markern, Kalibrierstab und numerischer Modellierungssoftware (z. B. MATLAB).
- Benötigt eine standardisierte Vorgehensweise innerhalb des Teams hinsichtlich Markerplatzierung, Kalibrierungsverfahren und Phasensegmentierung (Heben/Senken) anhand von Schwellenwerten der Winkelgeschwindigkeit.
- Zu berücksichtigende Anpassungen umfassen die Validierung über 120° humerale Hebung hinaus sowie bei unterschiedlichen skapulären Morphologien.
- Praktische Einschränkungen bestehen in einer mäßigen Reliabilität für die innere Rotation (CMC = 0,53) und einem höheren Wellenformfehler (5,4°–7,3°), was die Anwendung für bestimmte Rotationsachsen einschränkt.
