Caracterización cinemática tridimensional de una tarea de recogida de objetos usando captura de movimiento

Summary

Este protocolo presenta un enfoque estandarizado de captura de movimiento de cuerpo completo para evaluar la tarea de recogida de objetos, ilustrando cómo estrategias de movimiento distintas y patrones compensatorios pueden caracterizarse cuantitativamente durante esta actividad funcional común.

Abstract

La tarea de recoger objetos es una actividad fundamental de la vida diaria que integra la coordinación del tronco, las extremidades inferiores y superiores, el equilibrio y el control visomotor dentro de un único movimiento ecológicamente válido. A pesar de su relevancia, los protocolos estandarizados para evaluar cuantitativamente las estrategias de recogida de objetos utilizando captura de movimiento de cuerpo completo siguen siendo limitados. El objetivo de este protocolo es demostrar un método estandarizado para capturar y analizar la tarea de recogida de objetos utilizando captura de movimiento tridimensional de cuerpo completo e ilustrar cómo se pueden identificar y clasificar diferentes estrategias de movimiento. El protocolo detalla la preparación de los participantes, la colocación completa de marcadores, la ejecución de tareas y los análisis cinemáticos representativos. Treinta participantes realizaron la tarea de recogida de objetos, durante la cual se recogieron catorce variables cinemáticas. Las estrategias de movimiento se clasificaron en patrones dominantes en sentadilla, dominantes en bisagra e híbridos, representando enfoques distintos e intermedios a lo largo de un continuo de estrategias de movimiento. Los resultados representativos demuestran diferencias claras en la cinemática articular entre grupos de estrategia, especialmente en la rodilla y el tobillo, con contribuciones adicionales del movimiento del torso. Las diferencias entre las condiciones de la mano dominante y no dominante ilustran aún más la sensibilidad de la tarea a las adaptaciones compensatorias del movimiento. Este protocolo proporciona un marco práctico y reproducible para evaluar estrategias de recogida de objetos y coordinación corporal durante el movimiento funcional.

Introduction

La evaluación del movimiento humano es fundamental en las evaluaciones clínicas y de investigación de la salud musculoesquelética y^{funcional 1}. Tradicionalmente, la evaluación del movimiento se ha basado en gran medida en la observación visual, que, aunque clínicamente valiosa, es inherentemente subjetiva, influida por la experiencia del evaluador y limitada en su capacidad para captar de forma consistente patrones sutiles de coordinación. Las tecnologías de captura de movimiento, incluyendo tanto sistemas basados en marcadores como sin marcadores, permiten un examen detallado y cuantitativo del movimiento de todo el cuerpo con una accesibilidad creciente 2,3,4,5.

Al trasladar estas herramientas a entornos clínicos y de investigación, se consideran importantes limitaciones prácticas como el espacio disponible, el tiempo de evaluación y la facilidad de ejecución de las tareas. Por tanto, las tareas funcionales breves, que requieren una preparación mínima y, sin embargo, proporcionan información rica sobre la coordinación del movimiento son especialmente valiosas. En este contexto, la tarea de recogida de objetos representa un movimiento sencillo y eficiente en tiempo que captura la función integrada de todo el cuerpo. Es un elemento estándar incluido en la Escala de Balance de Berg y en las medidas de balance objetivo^{relacionadas 6,7,8}.

En la vida diaria, recoger un objeto del suelo es una actividad fundamental que requiere un control coordinado del tronco, las extremidades inferiores y las extremidades superiores, junto con el equilibrio y la integración visomotora. La tarea combina inclinación hacia adelante, bajadas controladas, alcance y agarre, manipulación de objetos y un retorno a estar de pie dentro de una única acción continua, imponiendo demandas mecánicas significativas a la columna lumbar y a las articulaciones principales de la extremidad inferior, mientras activa la función de la extremidad superior y el control^{postural 9}.

Las estrategias de recogida han sido durante mucho tiempo centrales en la salud laboral y la ergonomía, formando la base del entrenamiento en flexión y manejo manual, y están estrechamente ligadas a la salud musculoesquelética, especialmente al dolor lumbar, tanto a través de mecanismos contributivos como^{adaptativos 10}. Además, entre los ítems de la Escala de Equilibrio de Berg y medidas de equilibrio objetivo relacionadas, se ha demostrado que la tarea del objeto de recogida discrimina más fuertemente entre los que caen y los que no caen en adultos^{mayores 11}. Sin embargo, a pesar de su relevancia para la función cotidiana, la tarea de recogida suele evalúarse cualitativamente o integrarse en pruebas funcionales compuestas, limitando su reproducibilidad e interpretación cuantitativa en los estudios¹².

La captura de movimiento de cuerpo completo permite una caracterización detallada del movimiento segmentario coordinado durante tareas funcionales, permitiendo describir objetivamente las estrategias de movimiento en lugar de^{inferirse 13}. Los protocolos estandarizados para capturar y clasificar estrategias de movimiento de recogida utilizando cinemática de cuerpo completo siguen siendo limitados. Este artículo demuestra una tarea estandarizada de recogida de objetos utilizando captura de movimiento de cuerpo completo e ilustra cómo se pueden identificar y clasificar estrategias de movimiento distintas basándose en cinemática de todo el cuerpo.

Aunque la tarea tiene amplias aplicaciones potenciales, el presente trabajo se centra en demostrar el protocolo e ilustrar estrategias de movimiento representativo en lugar de evaluar los resultados clínicos. Además, demostramos la colocación de marcadores en todo el cuerpo utilizada para esta tarea, proporcionando una referencia práctica para investigadores y clínicos que buscan implementar captura de movimiento basada en marcadores de referencia para el análisis del movimiento funcional de todo el cuerpo. Se utilizó un sistema de captura de movimiento tridimensional de cuerpo completo basado en marcadores con un conjunto completo de marcadores reflectantes para registrar datos cinemáticos (Figura 1).

Protocol

El estudio (IRB-2018-04-014) fue aprobado por el comité de revisión institucional de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, y se llevó a cabo conforme a los estándares éticos establecidos en la Declaración de Helsinki de 1964 o estándares éticos comparables. Todos los participantes proporcionaron su consentimiento informado por escrito antes de participar.

1. Preparación de los participantes

NOTA: La tarea consiste en que los participantes recogan un objeto estandarizado del suelo a un ritmo cómodo, vuelvan a ponerse de pie y entreguen el objeto, como se describe en la Sección 7.

1. Pide al participante que lleve una camiseta y pantalones cortos ligeros para permitir una colocación y visualización precisa de los marcadores reflectantes (Figura 2A).
2. Asegúrate de que el participante vaya descalzo.
3. Indica al participante que se quite los accesorios reflectantes, como el reloj de pulsera.
4. Registrar la antropometría de los participantes según lo requiera el sistema de captura de movimiento (por ejemplo, altura, peso) y documentar la dominancia de la mano.
   NOTA: Para los participantes con limitaciones de modestia, se puede usar un traje de captura de movimiento de cuerpo completo en lugar de una camiseta y pantalones cortos.

2. Revisión de participantes y control de seguridad

1. Instruye al participante para que camine una corta distancia del examinador a un ritmo cómodo y seleccionado por él mismo (Figura 2B).
2. Pide al participante que se gire y camine de vuelta hacia el examinador al mismo ritmo (Figura 2C).
3. Observa al participante durante ambas direcciones para confirmar que puede caminar, girar y mantener el equilibrio sin ayuda.
4. Pide al participante que realice los siguientes movimientos en secuencia: extiende el cuello mirando hacia arriba, flexiona el cuello mirando hacia abajo, gira la cabeza a la izquierda y derecha, e inclina la cabeza a ambos lados (Figura 2D).
5. Pide al participante que realice los siguientes movimientos en secuencia: doblar el cuerpo hacia adelante, doblar el cuerpo hacia atrás, girar el cuerpo a la izquierda y derecha, y realizar flexiones laterales a ambos lados (Figura 2E).
6. Observa la capacidad del participante para seguir instrucciones y realizar todos los movimientos sin molestias ni restricciones evidentes.
7. Si se observa alguna restricción o dificultad de movimiento, documenta antes de proceder.
8. Una vez que el participante ha completado todos los movimientos de forma cómoda y segura, indíquele que permanezca de pie para la colocación posterior del marcador.
   NOTA: Este breve cribado se realiza para confirmar la seguridad de los participantes, su capacidad para seguir instrucciones y para señalar cualquier restricción evidente de movimiento antes de la realización de la tarea. No se registran datos de captura de movimiento durante esta fase, y el cribado no pretende ser una evaluación diagnóstica ni una medida de resultado.

3. Colocación de marcadores de cuerpo completo

1. Indica al participante que se dé de espaldas al examinador.
2. Asegúrate de que el participante esté de pie en una postura relajada y erguida, con los brazos apoyados de forma natural a los lados.
   NOTA: Se colocaron un total de 50 marcadores reflectantes en hitos anatómicos y en grupos de 10 segmentos para capturar la cinemática de todo el cuerpo.
3. Palpar los puntos anatómicos posteriores y colocar las bases magnéticas secuencialmente sobre los procesos espinosos T4, T8 y T10, las espinas ilíacas posteriores superiores izquierda y derecha (PSIS), y la superficie posterior de la cresta ilíaca, aproximadamente 2-3 pulgadas superolaterales respecto al PSIS (Figura 3A).
4. Una vez posicionadas las bases magnéticas posteriores, fíjalas con cinta adhesiva (Figura 3B).
5. Verifica visualmente la alineación de la línea media, la simetría bilateral y la comodidad del participante antes de continuar.
6. Pide al participante que se gire y mire al examinador estando de pie.
7. Palpar las espinas ilíacas superiores anteriores izquierda y derecha (ASIS) y colocar las bases magnéticas bilateralmente.
8. Palpa el proceso xifoides y coloca una base magnética sobre este punto de referencia.
9. Asegura las bases magnéticas anteriores con cinta adhesiva.
10. Pide al participante que se vuelva a poner la parte superior y vuelva a una postura erguida.
11. Palpar las bases magnéticas previamente colocadas a través de la ropa y colocar marcadores reflectantes en las bases magnéticas secuencialmente (Figura 3C).
12. Asegúrate de que todos los marcadores reflectores estén firmemente asentados sobre sus bases magnéticas correspondientes y permanezcan visibles.
13. Pide al participante que se gire de espaldas al examinador y flexione el cuello hacia adelante.
14. Palpar la séptima vértebra cervical (C7) y colocar un marcador reflectante sobre este punto de referencia (Figura 4A).
15. Pide al participante que vuelva a una posición neutral con la cabeza y se gire para mirar al examinador.
16. Palpa el esternón y coloca un marcador reflectante sobre este punto de referencia.
17. Palpar los procesos del acromión izquierdo y derecho y colocar marcadores reflectantes bilateralmente (Figura 4B).
18. Pide al participante que se siente cómodamente y coloque la palma derecha sobre la rodilla izquierda.
19. Palpar los epicóndilos medial y lateral del húmero derecho y colocar marcadores reflectantes sobre ambos puntos de referencia.
20. Repite el procedimiento para el codo izquierdo (Figura 4C).
21. Pide al participante que coloque ambas manos cómodamente sobre los muslos.
22. Palpar los procesos estiloides radiales y cubitales y colocar los marcadores reflectantes bilateralmente (Figura 4D).
23. Palpar el hueso capitado en la mano y colocar un marcador reflectante sobre este punto de referencia en cada mano.
24. Coloca un rotulador reflectante en la uña del pulgar y otro en la uña anular de cada mano (Figuras 5A, B).
25. Con el participante sentado cómodamente, palpar los cóndilos femoral medial y lateral de la rodilla derecha y colocar marcadores reflectantes sobre ambos puntos de referencia (Figura 5C).
26. Repite el procedimiento para la rodilla izquierda.
27. Palpar los maléolos medial y lateral del tobillo derecho y colocar marcadores reflectantes sobre ambos puntos de referencia (Figura 5D).
28. Repite el procedimiento para el tobillo izquierdo.
29. Palpar las cabezas del primer, segundo y quinto metatarsiano del pie derecho y colocar marcadores reflectantes sobre cada punto de referencia.
30. Palpar el cuneiforme intermedio del pie derecho y colocar un marcador reflectante.
31. Palpar la tuberosidad calcânea del pie derecho y colocar un marcador reflectante.
32. Repite los pasos 29–31 para el pie izquierdo y así completar la colocación de los marcadores para los pies (Figura 6A).
33. Colocar los grupos de marcadores en los segmentos del antebrazo, parte superior del brazo, mano, muslo y vástago (pierna) bilateralmente (Figura 6B-D).
34. Asegura bien cada grupo con correas o cinta adhesiva.
35. Pide al participante que se coloque frente al examinador y mire hacia adelante.
36. Coloca marcadores reflectantes bilateralmente en el hueso frontal, justo encima de las cejas.
37. Colocar marcadores reflectantes bilateralmente en el hueso temporal (Figura 7A).
38. Inspecciona visualmente todos los marcadores y agrupaciones para confirmar la colocación, simetría y visibilidad correctas.
39. Asegura todas las bases de marcadores con cinta adhesiva para evitar desplazamientos o desprendimientos durante la ejecución de la tarea.
40. Para todos los marcadores colocados directamente sobre la piel (sin bases magnéticas), y para los grupos situados sobre la piel, delinea las posiciones respectivas usando un marcador de piel lavable para documentar la colocación y facilitar un reposicionamiento consistente si es necesario (Figura 7B).
41. Revisa si hay marcadores sueltos, movimientos en grupo u oclusión durante la postura de pie.
42. Corregir cualquier error de colocación o accesorios inseguros según sea necesario.
43. Si no se identifican problemas, procede a la tarea de recogida de objetos.
    NOTA: La colocación de los marcadores descrita anteriormente refleja el flujo de trabajo utilizado en nuestro laboratorio para la captura cinemática de todo el cuerpo de la tarea de recogida de objetos. Aunque pueden usarse diferentes conjuntos de marcadores en laboratorios, los principios de identificación, consistencia y verificación de hitos anatómicos siguen siendo esenciales.

4. Configuración del sistema de captura de movimiento

1. Coloca las cámaras de captura de movimiento alrededor del volumen de captura para asegurar la visibilidad de todo el cuerpo durante la flexión hacia adelante, la interacción con objetos y el regreso a estar de pie.
2. Define un volumen de captura lo suficientemente grande para acomodar el movimiento completo de la pastilla sin oclusión.
3. Calibrar el sistema de captura de movimiento según las directrices del fabricante para establecer el sistema global de coordenadas.
4. Verifica que todas las cámaras detecten claramente los marcadores reflectantes y que no haya objetos reflectantes no intencionados en la zona de captura.
   NOTA: Esta configuración del sistema normalmente se realiza antes o en paralelo con la colocación del marcador del participante pero de otro personal. Una cobertura adecuada de las extremidades inferiores, el tronco y las extremidades superiores es esencial para capturar toda la secuencia de movimiento de la tarea de recogida.

5. Adquisición de datos

1. Inicia la grabación por captura de movimiento antes de que el participante que instruya a iniciar el movimiento.
2. Detener la grabación solo después de que el participante haya completado la tarea.
3. Revisa la grabación para asegurarte de que todos los marcadores están presentes antes de pasar a la siguiente.
4. Repite el procedimiento para el número deseado de grabaciones.
   NOTA: La grabación continua garantiza la captura completa de todas las fases de la tarea y evita errores de segmentación que puedan ocurrir si la grabación se inicia o se detiene durante el movimiento.

6. Juicio estático

1. Pide al jugador que se mantenga erguido dentro del volumen de captura.
2. Instruye al participante para que abduja ambos brazos aproximadamente a 45° del cuerpo, con los codos completamente extendidos y las palmas mirando hacia adelante (Figura 8A).
3. Pide al participante que permanezca quieto durante 2 segundos, mientras el examinador cuenta en voz alta "mil, dos mil."
4. Instruye al participante a abducir ambos brazos hasta aproximadamente 90° del cuerpo, manteniendo los codos extendidos y las palmas hacia abajo (Figura 8B).
5. Pide al participante que permanezca quieto durante 2 segundos, mientras el examinador cuenta en voz alta "mil, dos mil."
6. Instruye al participante a bajar ambos brazos a los lados y mantenerse de pie en una postura relajada y neutral (Figura 8C).
   NOTA: La prueba de calibración estática se realiza para establecer sistemas de coordenadas segmentales, mejorar la definición de las articulaciones de la extremidad superior y verificar la visibilidad de los marcadores antes de la ejecución dinámica de la tarea.

7. Tarea de recogida de objetos

1. Coloca un objeto estandarizado en el suelo en una ubicación predefinida dentro del volumen de captura.
2. Pide al participante que se mantenga erguido en una postura cómoda y autoseleccionada, mirando hacia el objeto (Figura 9A).
3. Proporciona la siguiente instrucción al participante: "Por favor, recoge el objeto del suelo a un ritmo cómodo, vuelve a estar de pie y entrégalo."
4. Colócate cómodamente sentado o de rodillas en el suelo para recuperar y reposicionar el objeto entre pruebas, asegurando una colocación consistente.
5. Permite que el participante realice una prueba de familiarización si es necesario.
6. Instruye al participante para que realice tres ensayos con una sola mano (Figuras 9B, C).
7. Instruye al participante para que repita la tarea durante tres ensayos con la otra mano (Figura 9D).
8. Permite breves descansos entre ensayos según sea necesario para minimizar la fatiga.
   NOTA: No se dan instrucciones sobre la estrategia de movimiento que permitan una variación natural en el comportamiento de recogida de objetos. Aunque este protocolo se centra en el análisis cinemático, la tarea también puede realizarse sobre placas de fuerza si se requieren datos cinéticos. En tales casos, se puede indicar a los participantes que se coloquen dentro de regiones predefinidas alineadas con las placas de fuerza, colocando un pie en cada placa de fuerza.

8. Limpieza, etiquetado y postprocesamiento de datos

1. Utiliza el software Qualisys Track Manager (QTM) para etiquetar los marcadores según Liang et^{al 13}.
2. Utiliza funciones del editor de trayectorias para interpolar los datos de marcadores faltantes tanto de los archivos estáticos como de movimiento. Asegúrate de que todos los marcadores estén 100% llenos.
3. El uso de funciones de Identificación Automática de Marcadores (AIM) para generar un modelo que ayude a etiquetar ensayos posteriores.
4. Exporta los datos limpios como archivos .c3d (Figura 10).
5. Importa los archivos .c3d al software Visual 3D (V3D) Professional.
6. Asigna los archivos de movimiento al archivo de calibración (estática) correspondiente.
7. Aplica un filtro pasa-bajos Butterworth (6Hz) a todos los datos brutos de los marcadores.
8. Aplica el archivo modelo (archivo suplementario 1) para implementar un modelo híbrido al archivo estático y al archivo de movimiento^{asignado 14}.
9. Usando la función de Compute Model Based Data, calcula el ángulo articular necesario en consecuencia.
   NOTA: El archivo del modelo se proporciona como Archivo Suplementario 1 para permitir a los lectores replicar nuestro modelo. Para usar el modelo, renombra la extensión del archivo de ".txt" a ".mdh." Los pasos específicos para el etiquetado de datos, la creación de modelos, el filtrado y el cálculo de ángulos articulares pueden variar dependiendo del software de captura de movimiento y análisis biomecánico utilizado.

9. Definición de fases de movimiento

1. Aplicar una tubería desarrollada a medida escrita dentro de V3D para segmentar cada una de las seis repeticiones en tres fases distintas: 1) Descenso, 2) Ascenso, 3) Traspaso de objetos (Tabla 1) (Figura 11).
2. Define la recogida de objetos derecha e izquierda evaluando las trayectorias de los marcadores de muñeca e intégrala en la pipeline personalizada desarrollada (Figura 12A, B).
3. Dentro de la misma trayectoria, exporta los ángulos máximos del plano sagital del torso, cadera, rodilla y articulación del tobillo utilizando los eventos de descenso y ascenso previamente identificados, y separa estos resultados por lado (izquierda vs derecha; por ejemplo, flexión de cadera izquierda, flexión de cadera derecha) y por mano dominante frente a no dominante durante la tarea de recogida.
   NOTA: Se recomiendan desplazamientos marcadores y cinemática articular como señales para la segmentación de las distintas fases. Reconociendo las variaciones de movimiento en la ejecución de tareas, se fomenta la selección de señales con grandes desplazamientos para superar el ruido.

10. Clasificación de las estrategias de recogida

1. Examinar la cinemática del tronco y de las extremidades inferiores durante la fase de descenso.
2. Clasificar las estrategias de recogida en las siguientes categorías basándose en la contribución relativa de la flexión del tronco y el movimiento de las articulaciones de las extremidades inferiores:
   1. Dominante en sentadillas (Figura 13A)
   2. Dominante en bisagra (Figura 13B)
   3. Híbrido (Figura 13C)
      NOTA: Aunque la tarea de recogida de objetos tiene el potencial de apoyar el análisis de múltiples resultados biomecánicos, neuromotores y relacionados con la coordinación, este protocolo se centra específicamente en demostrar cómo se pueden identificar y clasificar estrategias de recogida basándose en patrones de movimiento del tronco y de las extremidades inferiores, proporcionando una referencia normativa.

Results

Treinta participantes realizaron la tarea de recogida de objetos, durante la cual se recogieron 14 variables cinemáticas. Posteriormente, los participantes se clasificaron en tres grupos estratégicos que representaban enfoques distintos e intermedios a lo largo de un continuo de estrategias de movimiento, interpretadas como dominantes en sentadillas (Grupo 1), dominantes en bisagra (Grupo 2) e estrategias híbridas (Grupo 3). No se observaron diferencias estadísticamente significativas en...

Discussion

Este protocolo demuestra un enfoque estandarizado para capturar y analizar una tarea de recogida de objetos utilizando captura de movimiento tridimensional de cuerpo completo e ilustra cómo se pueden caracterizar cuantitativamente diferentes estrategias de movimiento. Los participantes fueron seleccionados y agrupados intencionadamente para representar patrones de estrategia de movimiento distintos e intermedios observados dentro de la muestra. La inspección visual de la cinemática artic...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Caja para la tarea de recogida	N/A	N/A	70mm x 70mm x 70mm (Lx N x H) impreso en 3D usando filamento de ácido poliláctico (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Marcadores de agrupación	Qualisys, AB	& middot; 160146 Parte superior del cuerpo y middot; 160145 Parte inferior del cuerpo y middot; 160149 SuperWrap para clúster	Los grupos incluían dos grupos en la parte superior del cuerpo (brazos superiores) y cuatro en la parte inferior del cuerpo (dos en los muslos y dos en las pernas).
Marcadores de grupo (personalizados)	N/A	N/A	Marcadores de clúster diseñados a medida para rastrear la muñeca (RFA, LFA) y la mano (RHMC, LHMC) fueron impresos en 3D usando filamento de ácido poliláctico (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Estación de trabajo informática	Genérico	NA	Procesador Intel Core i9, 32 GB de RAM, 10 TB de disco duro, NVIDIA RTX2080
Cinta adhesiva de piel de doble cara	Qualisys, AB	160188 Cinta adhesiva de doble cara	Para fijar la base del marcador a la piel
Placa de fuerza	Kistler	Tipo 9260AA6	Dos placas (600 y 500 x 50 mm) incrustadas bajo el suelo, una para cada pie.
Cinta adhesiva hipoalergénica para la piel	3M	Microporo
Base del marcador	Optitrack	Base de marcador M4
Sistema de captura de movimiento	Qualisys, AB	Miqus Vídeo Aqus A12	x2, Full HD / 2 MP, resolución 1920 y horarios; 1080 x12, 12 MP 300fps, resolución 4096 y horarios; 3072, FOV 54 y horas; 42 & deg; (motorizado)
Imanes de neodimio	Genérico	N/A	Diámetro 15mm, grosor 1mm
Gerente de la pista de Qualisys (QTM)	Qualisys, AB	Versión 2019	El software se utiliza para registrar los movimientos durante el experimento y realizar el postprocesamiento de datos.
Marcadores retroreflectantes	Optitrack	Marcadores M4 de 12,7 mm (1/2)
Visual3D	HAS-Motion	Versión 2021	El software se utiliza para realizar modelado biomecánico y producir los ángulos articulares relevantes