Análisis cinemático con movimiento 3D captura de tarea consumo en personas con y sin discapacidad de extremidad superior

Summary

Este protocolo describe un método objetivo para evaluar el rendimiento de movimiento y la función sensoriomotora de la extremidad superior aplicada a las personas con accidente cerebrovascular y controles sanos. Un procedimiento de prueba estandardizada, variables resultado y análisis cinemáticas para captura de movimiento tridimensional de beber tarea se proporcionan.

Abstract

El análisis cinemático es un método eficaz para la evaluación objetiva de los movimientos de la extremidad superior en un espacio tridimensional (3D). Captura de movimiento tridimensional con un sistema de cámara de la optoelectrónica se considera como estándar de oro para análisis de movimiento cinemáticos y se utiliza cada vez más como medida de resultado para evaluar el rendimiento de movimiento y calidad después de una lesión o enfermedad que implican movimientos de la extremidad superior. Este artículo describe un protocolo estandarizado para el análisis cinemático del trabajo aplicado en individuos con deficiencias de la extremidad superior después del accidente cerebrovascular. La tarea de beber incorpora alcanzar, agarrar y levantar una taza de una mesa a tomar una copa, colocar la taza de nuevo y que la mano se desplaza hasta el borde de la mesa. La posición sentada es estandarizada al tamaño del cuerpo del individuo y la tarea se realiza en una velocidad cómoda de su ritmo y movimientos compensatorios no están limitados. La intención es mantener la tarea natural y cerca de una situación de vida real para mejorar la validez ecológica del protocolo. Un sistema de captura de movimiento de cámara 5 se utiliza para obtener posiciones de coordenadas 3D de 9 marcadores reflectantes colocados en puntos anatómicos de la cara, brazo y tronco. La colocación de un simple marcador solo se utiliza para asegurar la viabilidad del protocolo en ajustes clínicos. A la medida software Matlab proporciona análisis rápidos y automatizados de datos de movimiento. Se calcula la cinemática temporal del tiempo del movimiento, velocidad, velocidad máxima, tiempo de velocidad pico y suavidad (número de unidades del movimiento) junto con la cinemática angular espacial de hombro y codo común así como los movimientos del tronco. La tarea de beber es una evaluación válida para las personas con discapacidad moderada y suave de la extremidad superior. El constructo, la validez discriminativa y concurrente junto con sensibilidad (sensibilidad al cambio) de las variables cinemáticas de la tarea de beber han sido establecidas.

Introduction

Análisis cinemático describen los movimientos del cuerpo a través de espacio y tiempo, incluyendo aceleraciones, velocidades y desplazamientos lineales y angulares. Los sistemas de captura de movimiento optoelectrónicos utilizan varias cámaras de alta velocidad que cualquiera envía señales de luz infrarroja para capturar las reflexiones de marcadores pasivos colocado en el cuerpo o transmiten los datos de movimiento de marcadores activos que contiene infrarrojo diodos electroluminosos. Estos sistemas son considerados como 'gold standard' para la adquisición de datos cinemática¹. Estos sistemas son valorados por su alta precisión y flexibilidad en las medidas de diversas tareas. Medidas cinemáticas han demostrado ser eficaces en la captura de pequeños cambios en el rendimiento de movimiento y calidad que puede ser no detectado con tradicional clínica escala^2,3. Se ha sugerido que eso cinemática debe utilizarse para la distinción entre verdadera recuperación (restauración de las características de movimiento premorbid) y el uso de patrones de movimiento (alternativa) compensatoria durante la realización de una tarea de^{4, 5}.

Movimientos de la extremidad superior pueden cuantificarse utilizando cinemática del punto final, generalmente obtenida de un marcador de la mano y la cinemática angular de las articulaciones y segmentos (es decir., tronco). Cinemática del punto final proporcionan información sobre trayectorias, velocidad, estrategias de movimiento temporal, precisión, rectitud y suavidad, mientras que la cinemática angular caracterizar patrones de movimiento en términos de articulación espacial y temporal y los ángulos del segmento, velocidades angulares y la coordinación interjoint. Cinemática del punto final, tales como, tiempo de movimiento, velocidad y suavidad son efectivas para capturar el déficit y mejoras en rendimiento de movimiento después de stroke^6,7,8 y cinemática angular muestra si la movimientos de las articulaciones y segmentos del cuerpo son óptimos para una tarea específica. Cinemática de las personas con discapacidad a menudo son comparadas con rendimiento de movimiento en los individuos sin discapacidades^8,9. Punto final y cinemática angular están correlacionados de manera que un movimiento realizado con velocidad efectiva, suavidad, y precisión requiere control de buen movimiento, coordinación y uso de patrones de movimiento eficaz y óptima. Por ejemplo, un paciente con el movimiento que se mueve lentamente generalmente también muestra disminución de suavidad (mayor número de unidades del movimiento), bajar la velocidad máxima y mayor tronco desplazamiento⁸. Por otro lado, mejoras en la cinemática del punto final, como la velocidad de movimiento y suavidad pueden ocurrir independientemente de los cambios de estrategias de compensación de movimiento de tronco y brazo¹⁰. Se ha establecido que el análisis cinemático pueden proporcionar información adicional y más precisa acerca de cómo se logra la tarea después de una lesión o enfermedad, que a su vez es esencial para un tratamiento individualizado eficaz llegar a la óptima recuperación del motor ¹¹. análisis cinemático es cada vez más utilizado en estudios clínicos para describir los movimientos en personas con deficiencias de la extremidad superior después de la carrera^8,9, para evaluar la recuperación del motor^{7, 12,13} o determinar la efectividad de las intervenciones terapéuticas^10,14.

Tareas de movimiento estudiadas a menudo en movimiento se apunta y llegar, aunque el uso de las tareas funcionales que incorporan la manipulación de los objetos cotidianos reales está aumentando¹. Desde cinemática de alcanzar dependen de las limitaciones experimentales tales como la selección de objetos y el objetivo de la tarea¹⁵, es esencial evaluar los movimientos durante las tareas de útiles y funcionales en el que las dificultades reales del individuo vida diaria se verán reflejada más de cerca.

Así, el objetivo de este trabajo es proporcionar una descripción detallada de un simple protocolo estandarizado utilizado para el análisis cinemático de una tarea útil y funcional, beber tarea, aplicado a las personas con discapacidad de la extremidad superior en etapas agudas y crónicas después del accidente cerebrovascular. Se resumirán los resultados de la validación de este protocolo para personas con discapacidad moderada y suave movimiento.

Protocol

Todos los métodos aquí descritos han sido parte de los estudios aprobados por la Junta de revisión ética Regional en Gotemburgo, Suecia (318-04, 225-08).

1. establecer el sistema de captura de movimiento

1. Montar 4 cámaras en la pared aproximadamente 1.5-3 m de la zona de medición a la altura de 1.5 a 2.5 m frente a la zona de medición. Montaje de una cámara en el techo justo encima del área de medición (figura 1). Inicie el sistema de cámara.
2. Coloque el marco de calibración en forma de L en la mesa con el eje corto en línea con el borde de la mesa y el eje largo apuntando hacia delante.
   Nota: El sistema de coordenadas se define con aXes dirigidos hacia adelante (anterior en el plano sagital), eje y dirigido lateralmente (en el plano frontal) y eje z dirigido hacia arriba (superior, perpendicular al plano transversal).
3. Abrir el seguimiento y datos adquisición software 3D (jefe de pista), iniciar calibración seleccionando captura | Calibrar, introduzca el tiempo de calibración de 30 s y haga clic en Aceptar.
4. Mover la varita en todas las direcciones en toda la zona de medición entero (75 × 75 × 65 cm) por encima de la silla y la mesa para asegurarse de que todas las 5 cámaras captan la varita en tantas orientaciones como posible^16,17. Después de la calibración, los resultados se muestran en la pantalla. Aceptar residuos de calibración por debajo de 0,5 mm.
5. Con el tema, usar una sin mangas top, sentarse en una en una silla de altura ajustable con la espalda contra la chair´s, la parte superior del brazo en posición neutra aducido, la palma de la mano descansando en la mesa y la muñeca alineada con el borde de la mesa. Comprobar que la rodilla, cadera y codo ángulos aproximadamente 90°.
6. Coloque los marcadores pasivos reflectantes con cinta doble adhesiva en hitos esqueléticos¹⁸ en la mano prueba (tercera metacarpofalángicas conjunta), muñeca (proceso estiloide del cúbito), codo (epicóndilo lateral), hombro derecho e izquierdo (parte media del acromion), tórax (parte superior del esternón) y en la frente (hendidura entre las cejas).
7. Colocar dos marcadores en la Copa (borde superior e inferior).

2. procedimientos para el movimiento de captura de la tarea de beber

1. Coloque la taza de plástico duro (diámetro de 7 cm, altura de 9,5 cm) con 100 mL de agua 30 cm desde el borde de la mesa, en la línea media del cuerpo. Deliberadamente se selecciona la posición de copa sobre la mesa para mantener el rendimiento de la tarea natural y cerca de la situación de la vida real.
2. Pedir el tema para llevar a cabo el beber de la tarea en una velocidad cómoda de su ritmo i) alcanzando y agarrando la Copa, ii) levantar la Copa de la mesa hacia la boca, iii) tomando una copa (un sorbo), iv) colocar la taza de nuevo sobre la mesa detrás de una línea marcada (30 cm desde la ficha le borde) y v) volver a la posición inicial con la mano en el borde de la mesa.
3. Asegúrese de que el tema comprende las instrucciones y puede llegar a la Copa cómodamente con el brazo afectado menos sin inclinarse hacia adelante.
4. Antes de cada grabación, asegúrese de que la posición inicial (posición inicial) es correcta, pedir el tema listo, inicie la captura manualmente y dar instrucción verbal "puede empezar ahora".
5. Cuando el sujeto termina la tarea, detener la grabación manualmente.
6. Registrar cinco ensayos con breve pausa entre cada ensayo (aproximadamente 30 s), comenzando con el brazo menos afectado.
7. Compruebe que la adquisición de datos ha sido exitosa (95-100% de datos para cada marcador identificado).
   Nota: Datos de marcador se transfieren automáticamente en tiempo real para el software de adquisición de datos (Administrador de la pista). Se usa un modelo de identificación de marcador automático (AIM) previamente definidos para la identificación automática de los marcadores.
8. Cuando se detectan datos incompletos, realizar ensayos adicionales después de identificar el problema y ajustar las posiciones sentado o marcador para asegurar la total visibilidad de los marcadores para obtener al menos 3 ensayos exitosos.
   Nota: Posibles problemas que pueden ocurrir están que los marcadores se caigan o se ocluyen de las cámaras de visualización de ángulo, que se traduce en datos incompletos. Sin embargo, la configuración de cámara y el marcador, en este protocolo, produce pérdida de datos debido a las lagunas sólo en muy raras ocasiones. En total, la sesión de captura de movimiento tarda aproximadamente 10-15 minutos para completar.

3. Análisis de los datos

1. Transferir los datos registrados desde el administrador de la pista directamente en Matlab haciendo clic en archivo | De exportación | Directamente en Matlab.
2. Utilizar el comando de Matlab en el símbolo del sistema: (>> espacio de trabajo) para ver el conjunto de variables de Matlab.
   Nota: Clave Matlab variables que contienen datos a ser utilizado en las instrucciones y en la creación el análisis son:
   QTMmeasurements.Frames - el número de fotogramas capturados
   QTMmeasurements.FrameRate - el número de fotogramas capturados por segundo (240)
   QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Count - número de etiquetas (10)
   QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Labels - etiquetas tal como se define en el administrador de la pista
   QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Data - datos de las mediciones en una matriz 3D de 10 x 3 x el número de fotogramas, donde cada fotograma y cada etiqueta se registran las 3 coordenadas
3. En Matlab, filtrar la x, y, valores z usando la (mantequilla) y las instrucciones (filtfilt) con un Butterworth de segundo orden 6 Hz filtran en tanto adelante y revertir las direcciones, dando una distorsión de fase cero y filtrado de cuarto orden.
   Nota: ejemplo
   [b, a] = mantequilla (2, 6/240/2); % Frecuencia de atajo 6Hz y con respecto a la frecuencia de muestreo de ½
   xfiltered = filtfilt (b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:));
4. En Matlab, crear un programa para usar la x, y, valores z para cada muestra de marco y cada etiqueta para calcular las variables cinemáticas como la velocidad tangencial de la mano y ángulos de las juntas. Las variables cinemáticas se muestran en la tabla 2.
5. En Matlab, crear un programa para romper la secuencia de las muestras en 5 fases lógicas: alcanzar, hacia delante transporte, beber, posterior transporte y devolver la mano a la posición inicial (figura 2). Definiciones para el comienzo y final de cada fase se muestran en detalle en la tabla 1.
6. En Matlab, utilice la instrucción (parcela) para crear diagramas de posiciones, velocidades, ángulos de las articulaciones y los diagramas de ángulo-ángulo.

Results

El protocolo descrito en este artículo se ha aplicado a las personas con accidente cerebrovascular y controles sanos^{2,6,8,19,20,21}. En total, los datos cinemáticos de 111 individuos con accidente cerebrovascular y 55 controles sanos han sido analizados en diferentes estudios. El deterioro de l...

Discussion

El protocolo puede utilizarse con éxito para cuantificar el rendimiento de movimiento y la calidad en los individuos con discapacidad sensoriomotora moderada y suave de la extremidad superior en todas las etapas después del accidente cerebrovascular. La viabilidad de este protocolo ha sido probada en un entorno clínico tan temprano como 3 días post accidente cerebrovascular y demostró que el sistema puede usarse por profesional de salud capacitado sin cualificación técnica específica. Conocimientos técnicos, sin embargo,...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sistema optoelectrónico de captura de movimiento ProReflex de 5 cámaras (MCU 240 Hz)	Qualisys AB, Gtemburgo, Suecia	N/A	Sistema de análisis de movimiento con marcadores retrorreflectantes pasivos
	Marcadores Qualisys AB, Gtemburgo, Suecia	N/A	Marcadores circulares pasivos retrolectivos, diámetro de 12 mm
Marco de calibración y varilla	Qualisys AB, Gtemburgo, Suecia	N/A	Marco de calibración en forma de L (define el origen y la orientación del sistema de coordenadas); Varilla en forma de T (300 mm)
Qualisys Track Manager	Qualisys AB, Gtemburgo, Suecia	/A	Software de seguimiento 3D
Matlab	Mathworks, Inc, Natick,	Ca N/A	Software de análisis de datos