Method Article

Analyse cinématique 3D Motion Capture de tâche de consommation d’alcool chez les personnes avec et sans handicap de haut-extrémité

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

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

Ce protocole décrit une méthode objective pour évaluer la performance de mouvement et la fonction sensori-motrice du membre supérieur appliqué aux personnes atteintes d’accidents vasculaires cérébraux et les témoins sains. Une méthode d’essai normalisée cinématiques variables analyse et résultat pour la capture de mouvement tridimensionnel de boisson spéciale sont fournis.

Abstract

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

Analyse cinématique est une méthode puissante pour une évaluation objective des mouvements du membre supérieur dans un espace à trois dimensions (3D). Capture de mouvement en trois dimensions avec un système de caméra optoélectronique est considérée comme méthode de référence pour l’analyse du mouvement cinématique et est plus utilisée comme critère d’évaluation pour évaluer la performance de mouvement et de la qualité après un accident ou une maladie impliquant des mouvements du membre supérieur. Cet article décrit un protocole standardisé pour l’analyse cinématique de boisson spéciale appliquée chez les personnes atteintes de déficiences du membre supérieur après un AVC. La tâche de boire incorpore pour atteindre, en saisissant et en levant une coupe d’une table pour prendre un verre, plaçant la coupe retour et en déplaçant la main en arrière vers le bord de la table. La position assise est normalisée à la taille corporelle de l’individu et les tâches sont exécutées à une vitesse confortable à progression autocontrôlée et mouvements compensatoires ne sont pas contraints. L’intention est de garder la tâche naturelle et à proximité d’une situation de vie réelle d’améliorer la validité écologique du protocole. Un système de capture de mouvement de caméra-5 est utilisé pour recueillir des positions coordonnées 3D de 9 marqueurs rétroréfléchissants positionnés sur des repères anatomiques du bras, tronc et du visage. Un placement simple marqueur unique est utilisé pour garantir la faisabilité du protocole en milieu clinique. Sur mesure logiciel Matlab contient une analyse automatisée et rapide des données de mouvement. Cinématique temporelle des temps de mouvement, vitesse, vitesse maximale, temps de vitesse maximale et la douceur (nombre d’unités de mouvement) ainsi que la cinématique angulaire spatiale de l’épaule et coude mixte ainsi que les mouvements du tronc sont calculés. La tâche de boire est une évaluation valable pour les personnes ayant une déficience modérée et légère des membres supérieurs. La construction, la validité discriminative et simultanée avec réactivité (sensibilité au changement) des cinématiques variables provenant de la consommation d’alcool tâche ont été établis.

Introduction

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

Analyse cinématique décrit les mouvements du corps dans l’espace et le temps, y compris les déplacements linéaires et angulaires, vitesses et accélérations. Les systèmes de capture de mouvement optoélectroniques utilisent plusieurs caméras haute vitesse qui soit envoyer des signaux lumineux infrarouge pour saisir les reflets des marqueurs passifs placé sur le corps ou transmettent les données de mouvement des marqueurs actifs contenant infrarouge diodes électroluminescentes. Ces systèmes sont considérés comme « gold standard » pour l’acquisition de données cinématiques1. Ces systèmes sont appréciées pour leur grande précision et flexibilité dans les mesures de tâches diverses. Qualité qui peut-être être détectée avec traditionnel clinique échelles2,3et mesures cinématiques ont montré pour être efficace dans la capture de petits changements dans la performance du mouvement. Il a été suggéré que cinématique doit être utilisée pour la distinction entre le vrai recouvrement (restauration des caractéristiques du mouvement prémorbide) et l’utilisation des modes de compensation de mouvement (alternative) au cours de l’accomplissement d’une tâche4, 5.

Mouvements du membre supérieur peuvent être quantifiées à l’aide de la cinématique du point final, généralement obtenus d’un repère de la main et la cinématique angulaire de joints et segments (i.e., tronc). Cinématique du point final fournissent des informations sur les trajectoires, vitesse, stratégies de mouvement temporel, précision, rectitude et lissage, alors que la cinématique angulaire caractériser les mouvements migratoires en termes d’articulation temporelle et spatiale et les angles de segment, vitesses angulaires et la coordination interjoint. La cinématique de fin, tels que, le temps de mouvement, la vitesse et finesse sont efficaces pour capturer les déficits et l’amélioration des performances du mouvement après la course6,7,8 et voir la cinématique angulaire si le les mouvements des articulations et des segments corporels sont optimales pour une tâche spécifique. Cinématique de personnes ayant une déficience sont souvent comparé avec mouvement chez les personnes sans handicap8,9. Point final et la cinématique angulaire sont corrélés de manière qu’un mouvement exécuté avec la vitesse effective, douceur, et précision il faudra bon mouvement contrôle, coordination et utilisation des modèles de mouvement efficace et optimale. Par exemple, un patient avec une course qui se déplace lentement habituellement spectacles ont aussi diminué de douceur (augmentation du nombre d’unités de mouvement), abaisser la vitesse maximale et augmenter de déplacement tronc8. En revanche, des améliorations dans la cinématique du point de terminaison, tels que la vitesse de déplacement et de la douceur pourraient se produire indépendamment des changements de stratégies compensatoires mouvement du tronc et bras10. Il a été établi que l’analyse cinématique peut fournir des informations supplémentaires et plus précises sur comment la tâche est exécutée après une blessure ou une maladie, qui à son tour est essentielle pour un traitement efficace individualisé atteindre une récupération optimale moteur 11. analyse cinématique est plus utilisé dans les études cliniques pour décrire les mouvements chez les personnes atteintes de déficiences du membre supérieur après AVC8,9, afin d’évaluer la récupération moteur7, 12,13 ou pour déterminer l’efficacité des interventions thérapeutiques10,14.

Tâches de mouvement souvent étudiés dans les accidents vasculaires cérébraux sont pointant et atteint, bien que l’utilisation des tâches fonctionnelles qui incorporent la manipulation des objets du quotidien réel augmente de1. Cinématique d’atteindre dépendent des contraintes expérimentales telles que la sélection d’objets et l’objectif de la tâche à15, il est essentiel d’évaluer les mouvements lors de tâches tenace et fonctionnels dans lequel les difficultés réelles en particulier vie quotidienne se reflétera plus étroitement.

Ainsi, le but du présent document est de fournir une description détaillée d’un simple protocole normalisé utilisé pour l’analyse cinématique d’une tâche tenace et fonctionnelle, boire la tâche, appliqué aux personnes ayant une déficience des membres supérieurs dans les phases aiguës et chroniques après un AVC. Les résultats de la validation du présent protocole, pour les personnes ayant une déficience modérée et légère la course seront résumées.

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Protocol

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

Toutes les méthodes décrites ici ont fait partie des études approuvées par le Conseil de révision éthique régional à Göteborg, en Suède (318-04, 225-08).

1. mise en place le système de Capture de mouvement

  1. Monter 4 caméras sur le mur d’environ 1,5 à 3 m loin de la zone de mesure à la hauteur de 1,5 à 2,5 m, face à la zone de mesure. Monter une caméra sur le plafond juste au-dessus de la zone de mesure (Figure 1). Démarrer le système de caméra.
  2. Placer le cadre de calibrage d’équerre sur la table avec l’axe court aligné avec le bord de la table et l’axe long pointant vers l’avant.
    Remarque : Le système de coordonnées est défini avec X-axes dirigées vers l’avant (vers l’avant dans le plan sagittal), axe y dirigée latéralement (dans le plan frontal) et dirigée vers le haut de l’axe z (supérieurement, perpendiculaire au plan transversal).
  3. Ouvrez le logiciel acquisition 3D tracking et de données (gestionnaire de piste), de commencer l’étalonnage en sélectionnant Capture | Calibrer, saisissez l’heure de l’étalonnage de 30 s, puis cliquez sur OK.
  4. Déplacer la baguette dans toutes les directions tout au long de la zone de mesure entière (75 × 75 × 65 cm) au-dessus de la chaise et table pour vous assurer que tous les 5 caméras capturent la baguette dans les orientations autant que possible16,17. Après la calibration, les résultats montrent à l’écran. Accepter des résidus de calibration inférieur à 0,5 mm.
  5. Ont le sujet, portant un sleeveless top, assis dans un dans un fauteuil réglable hauteur dos contre le chair´s arrière, le bras en position de neutre, la paume de la main posée sur la table et le poignet alignée sur le bord de la table. Vérifiez que le genou, la hanche et du coude angles sont environ 90°.
  6. Placer les marqueurs passifs rétroréfléchissants avec du ruban adhésif double face sur les sites squelettiques18 part testé (métacarpophalangiennes troisième mixte), poignet (processus styloïdes du cubitus), coude (épicondyle latéral), épaule droite et gauche (partie centrale de l’acromion), thorax (partie supérieure du sternum) et le front (encoche entre les sourcils).
  7. Placez deux repères sur la coupe (bord supérieur et inférieur).

2. procédures de Motion capturent de la tâche de boire

  1. Placez la tasse en plastique dur (diamètre de 7 cm, hauteur 9,5 cm) avec 100 mL d’eau 30 cm entre le bord de la table, dans la ligne médiane du corps. La position de coupe sur la table est sélectionnée délibérément de garder l’exécution de la tâche naturelle et à proximité de la réalité.
  2. Demander l’objet pour effectuer la consommation d’alcool des tâches à une vitesse confortable à progression autocontrôlée par i) pour atteindre et saisir la coupe, ii) soulever la coupe de la table vers la bouche, iii) prendre une boisson (une gorgée), iv) plaçant la coupe arrière sur la table derrière une ligne marquée (30 cm à partir de l’onglet le bord) et v) revenant à la position initiale avec la main sur le bord de la table.
  3. S’assurer que ce sujet comprend les instructions et peut atteindre la coupe confortablement avec le bras moins touchées sans se pencher vers l’avant.
  4. Avant chaque enregistrement, vérifiez que la position de départ (position initiale) est correcte, demander le sujet à être prêt, démarrer la capture manuellement et donner des directives verbales « vous pouvez commencer maintenant. »
  5. Lorsque le sujet termine la tâche, arrêter l’enregistrement manuellement.
  6. Enregistrer cinq essais avec une courte pause entre chaque essai (environ 30 s), en commençant avec le bras moins touchées.
  7. Vérifier que l’acquisition de données a réussi (95-100 % des données pour chaque marqueur identifié).
    NOTE : Données de marqueur sont transférées automatiquement en temps réel pour le logiciel d’acquisition de données (gestionnaire de piste). Un modèle prédéfini de Identification du marqueur automatique (AIM) est utilisé pour l’identification automatique des marqueurs.
  8. Lorsque des données incomplètes sont détectées, effectuer des essais supplémentaires après avoir identifié le problème et d’ajuster les positions assise ou marqueur afin d’assurer une visibilité complète des marqueurs afin d’obtenir au moins 3 essais couronnés de succès.
    Remarque : Les problèmes possibles qui peuvent survenir sont que marqueurs peuvent tomber ou qu’ils sont obstrués par les caméras à l’angle de vision, qui se traduit par des données incomplètes. Toutefois, l’installation de caméra et le marqueur, tel qu’utilisé dans le présent protocole, produit des pertes de données en raison de lacunes que dans très rares occasions. Au total, la session de capture de mouvement prend environ 10-15 min pour terminer.

3. analyse des données

  1. Transférer les données enregistrées dans le gestionnaire de piste directement dans Matlab en cliquant sur fichier | Export | Directement dans Matlab.
  2. Utiliser la commande Matlab à l’invite de commande : (>> espace de travail) pour voir l’ensemble des variables Matlab.
    NOTE : Clé Matlab variables contenant les données à utiliser dans les instructions et dans la création de l’analyse sont :
    QTMmeasurements.Frames - le nombre d’images capturées
    QTMmeasurements.FrameRate - le nombre d’images capturées par seconde (240)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Count - nombre d’étiquettes (10)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Labels - étiquettes tel que défini dans le gestionnaire de la voie
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Data - données de mesure dans un tableau 3D de 10 x 3 x le nombre de cadres, où figurent les 3 coordonnées pour chaque cadre et chaque étiquette
  3. Dans Matlab, filtrez les x, y, les valeurs de z à l’aide de la (beurre) et (filtfilt) les instructions d’un Butterworth de second ordre 6 Hz filtrent dans les deux vers l’avant et d’inverser les directions, ce qui donne une distorsion de phase zéro et filtrage de quatrième ordre.
    Remarque : exemple
    [b, a] = beurre (2, 6/240/2) ; % Fréquence de coupure 6Hz et en ce qui concerne la fréquence d’échantillonnage ½
    xfiltered = filtfilt (b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:)) ;
  4. Dans Matlab, créer un programme d’utiliser x, y, les valeurs de z pour chaque échantillon de cadre et de chaque étiquette pour calculer les variables cinématiques vitesse tangentielle de la main et les angles articulaires. Les variables cinématiques sont indiquées dans le tableau 2.
  5. Dans Matlab, créer un programme visant à briser la séquence des échantillons en 5 phases logiques : pour atteindre, en avant transport, boire, dos et la main de retour à la position initiale (Figure 2). Définitions de début et de fin de chaque phase sont indiquées en détail dans le tableau 1.
  6. Dans Matlab, utilisez l’instruction (parcelle) pour créer parcelles des positions, vitesses, angles des articulations et diagrammes d’angle-angle.

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Results

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

Le protocole décrit dans cet article a été appliqué aux personnes atteintes d’accidents vasculaires cérébraux et les témoins sains2,6,8,19,20,21. Au total, les données cinématiques de 111 individus avec les accidents vasculaires cérébraux et 55 témoins sains ont été analysées dans différentes ...

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Discussion

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

Le protocole peut être utilisé avec succès pour quantifier la performance du mouvement et la qualité chez les personnes ayant une déficience sensori-motrice modéré et doux membre supérieur à tous les stades après accident vasculaire cérébral. La faisabilité de ce protocole a été prouvée dans un contexte clinique, dès 3 jours après l’accident vasculaire cérébral et a montré que le système peut être utilisé par le professionnel de la santé formés sans les qualifications techniques particulières. Expertise technique, cepend...

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Disclosures

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

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgements

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

Merci à Bo Johnels, Nasser Hosseini, Roy Tranberg et Patrik Almström de l’aide avec le lancement de ce projet. Les données de recherche présentées dans le présent protocole ont été recueillies à l’hôpital universitaire Sahlgrenska.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5 caméras optoélectroniques ProReflex Système de capture de mouvement (MCU 240 Hz)Qualisys AB, Gthenburg, SuèdeN/ASystème d’analyse du mouvement avec marqueurs rétroréfléchissants passifs
MarqueursQualisys AB, Gthenburg, SuèdeN/AMarqueurs circulaires passifs rétroléflectifs, diamètre de 12 mm
Cadre et baguette d’étalonnageQualisys AB, Gthenburg, SuèdeN/ACadre d’étalonnage en forme de L (définit l’origine et l’orientation du système de coordonnées) ; Baguette en forme de T (300 mm)
Qualisys Track ManagerQualisys AB, Gthenburg, SuèdeN/ALogiciel de suivi 3D
MatlabMathworks, Inc, Natick, CaN/ALogiciel d’analyse de données

References

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