Mesure de la dynamique Scapulaire cinématique utilisant un cluster Acromion Marker pour minimiser le mouvement de la peau Artefact
10 février 2015
Ce rapport présente les détails de la façon d'adopter la méthode de cluster de marqueur de acromion d'obtenir la cinématique scapulaire lors de l'utilisation d'un dispositif marqueur mouvement de capture passive. Comme cela a été décrit dans la littérature, ce procédé fournit une mesure robuste, non-invasive, en trois dimensions, dynamique et valide de la cinématique de l'omoplate, ce qui minimise le mouvement de la peau artefact.
L'objectif de cette procédure est d'obtenir des mesures dynamiques non invasives de la cinématique scapulaire. Cela est réalisé en fixant des marqueurs rétro-réfléchissants sur le thorax et un ensemble de marqueurs sur la partie plane de l'acromion. La deuxième étape consiste à déterminer la position des repères anatomiques scapulaires par rapport à l'ensemble de marqueurs à l'aide d'une baguette d'étalonnage.
Une fois calibré, le participant effectue des mouvements d'élévation et d'abaissement du bras dans les plans de mouvement pertinents. L'étape finale consiste à déterminer la position des repères anatomiques de l'omoplate pendant les mouvements dynamiques, en se basant sur la position connue par rapport au groupe de marqueurs de l'acromion. En définitive, la position des repères anatomiques de l'omoplate est utilisée pour montrer l'orientation de l'omoplate par rapport au thorax.
Cette technique peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la biomécanique et de la rééducation, comme quelles sont les modalités de mouvement de l'omoplate associées à une dysfonction scapulaire. Elle permet également d'évaluer des interventions thérapeutiques ciblant le traitement des troubles de l'épaule. Pour commencer, demandez au participant de retirer ses vêtements du tronc ou de porter des vêtements qui n'entravent pas le mouvement des marqueurs ni ne les masquent à la vue du système de capture de mouvement.
Construire un groupe de marqueurs acromiaux ou un MC composé d'une pièce en plastique en forme de L. Fixer trois marqueurs rétro-réfléchissants, un à l'extrémité de chaque branche à partir du point où elles se rejoignent. Utiliser un ruban adhésif double face pour fixer le MC sur la partie postérieure de l'acromion, là où il rejoint l'épine scapulaire.
Un côté de la plaque doit suivre le rachis de l'omoplate en pointant vers le milieu. L'autre doit pointer en avant du plan de l'omoplate. Sangle suivante.
Un ensemble de marqueurs en grappe doit alors être fixé sur le bras supérieur du participant, et des marqueurs rétro-réfléchissants doivent être appliqués sur les repères anatomiques suivants : l'incisure sternale, l'apophyse xiphoïde, la vertèbre C7, la vertèbre T8, l'articulation sterno-claviculaire, l'apophyse styloïde ulnaire et l'apophyse styloïde radiale. Les repères anatomiques par rapport au MC doivent être calibrés pour chaque participant. Pour ce faire, construisez une baguette d'étalonnage composée de quatre marqueurs réfléchissants disposés en formation en T.
Mesurez la distance entre l'extrémité de la baguette d'étalonnage et le premier repère sur la baguette. Pour effectuer une mesure, placez l'extrémité de la baguette sur le point anatomique à étalonner et enregistrez trois secondes de données à l'aide du système de capture de mouvement, en veillant à ce que les marqueurs situés sur la baguette, sur le MC A et sur le cluster du bras supérieur soient tous visibles par les caméras.
Tout d'abord, localisez l'articulation acromio-claviculaire en plaçant une main sur la clavicule et en vous déplaçant latéralement jusqu'au point où la clavicule rejoint l'acromion. Placez la pointe de la sonde au niveau de l'articulation entre la clavicule et l'acromion pour mesurer l'angle de l'acromion. Aussi le long de l'épine de l'omoplate jusqu'au point le plus latéral.
Placer la pointe de la sonde sur la face dorsale de l'acromion à ce point. Ensuite, effectuer une ALS le long de l'épine de l'omoplate jusqu'au point le plus médial. Pour localiser l'épine médiale de l'omoplate, placer la pointe de la sonde au point où l'épine rejoint le bord médial de l'omoplate.
Pour localiser l'angle inférieur de l'omoplate, palper en direction inférieure le long du bord médial de l'omoplate et placer l'extrémité de la sonde sur le point le plus caudal, le coude du sujet étant fléchi à 90 degrés et le pouce dirigé vers le haut. Placer une main sur le côté médial du coude afin de localiser l'épicondyle médial. Placer l'extrémité de la sonde sur le point le plus caudal de l'épicondyle médial.
Dans la même position, placez une main sur le côté latéral du coude pour localiser l'épicondyle latéral, puis positionnez la pointe de la sonde sur le point le plus cordal. Pour déterminer le centre de l'articulation gléno-humérale, demandez au participant d'effectuer un mouvement de circonférence avec son bras supérieur. Le participant doit exécuter ce mouvement avec le coude complètement tendu, depuis une élévation du bras à zéro degré jusqu'à environ 40 degrés, en s'efforçant de minimiser la protraction-rétraction, l'élévation ou la dépression du complexe scapulo-huméral.
L'investigateur peut fournir une assistance si nécessaire. Enregistrez ce mouvement pendant environ 30 secondes. Une fois le calibrage effectué, commencez la collecte de données en demandant au participant d'élever son bras de zéro à 120 degrés, puis de ramener son bras à sa position de repos le long du corps.
Demander au participant d’exécuter ce geste dans le plan sagittal, le plan frontal et le plan scapulaire. Le plan scapulaire est situé d’environ 40 degrés en avant du plan frontal afin de calculer la cinématique scapulaire. Lors des essais de mouvement dynamique, un logiciel de modélisation cinématique est utilisé.
Le logiciel contient des commandes permettant la création de systèmes de coordonnées locaux, la conversion des coordonnées d'un système de coordonnées local vers un système global, ainsi que le calcul des rotations angulaires d'Euler. Commencez par utiliser les coordonnées des marqueurs sur le MC A afin de définir un système de coordonnées local arbitraire. Ensuite, calculez la position de l'extrémité dans le système de coordonnées global pour chaque essai de calibration des repères anatomiques de l'omoplate.
Déterminez la position de la pointe unique par rapport au système de coordonnées locales de l'AMC. Ensuite, déterminez la position des épicondyles médial et latéral par rapport au groupe de marqueurs du fémur. Utilisez la position connue des repères anatomiques par rapport à l'AMC afin de déterminer la localisation dans le système de coordonnées global pour chaque instant au cours de l'essai dynamique.
Répétez ces étapes pour chaque repère anatomique, les épicondyles médial et latéral. Utilisez le cluster du bras supérieur. Ensuite, calculez le centre de l'articulation gléno-humérale à l'aide du point de pivot de l'axe hélicoïdal entre l'humérus et l'omoplate.
Ensuite, définir un système de coordonnées local pour le thorax, l'omoplate et l'humérus en calculant les vecteurs unitaires entre les marqueurs pertinents, selon les recommandations de la Société internationale de biomécanique pour chaque segment du corps rigide. Pour déterminer l'orientation de l'omoplate par rapport au thorax à chaque point temporel, utiliser la méthode de décomposition des angles d'Euler avec une séquence de rotation composée de la rotation interne, suivie de la rotation supérieure, puis de l'inclinaison postérieure. Ensuite, déterminer l'orientation de l'humérus par rapport au thorax, en utilisant une séquence de rotation non cardinale composée du plan d'élévation, de l'élévation, puis de la rotation axiale.
Effectuez les étapes de réduction et d'analyse des données à l'aide d'un logiciel de modélisation numérique tel que matlab. Divisez les données cinématiques en phases d'élévation et d'abaissement du mouvement huméral. Normalisez le temps pour chaque phase du mouvement et exprimez la cinématique scapulaire par rapport à l'angle d'élévation humérale.
Dans cet exemple, l'élévation et l'abaissement du bras, avec le début et la fin de chaque phase, sont indiqués par les lignes pointillées vertes. Les phases d'élévation et d'abaissement sont déterminées à l'aide de la vitesse angulaire de l'élévation humérale. La ligne rouge en pointillés supérieure représente le seuil utilisé pour déterminer le début et la fin de la phase d'élévation.
La ligne pointillée rouge la plus basse représente un seuil utilisé pour déterminer le début et la fin de la phase d'abaissement. Les lignes pointillées vertes représentent les points auxquels la vitesse angulaire a dépassé les seuils. Ce graphique montre la rotation ascendante de l'omoplate pendant l'élévation du bras, interpolée avec plus de 101 points de données.
Pour normaliser par rapport au temps. Les rotations scapulaires durant le mouvement du bras dans le plan sagittal sont présentées pour la rotation vers le haut pendant les phases d'élévation et d'abaissement, ainsi que pour l'inclinaison postérieure pendant les phases d'élévation et d'abaissement, et la rotation interne pendant les phases d'élévation et d'abaissement. Lors de la réalisation de cette procédure, il est essentiel de se rappeler que le positionnement précis des marqueurs et la palpation des repères anatomiques sont cruciaux pour obtenir des résultats valides et fiables.
Il est également important de se rappeler que cette technique n'est valable que jusqu'à 120 degrés d'élévation humérale.
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Aperçu
Ce rapport décrit la méthode du cluster de marqueurs acromiaux pour obtenir la cinématique scapulaire à l’aide d’un dispositif passif de capture du mouvement par marqueurs. Cette technique non invasive permet des mesures tridimensionnelles robustes, en minimisant les artefacts dus aux mouvements de la peau.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biomécanique
- Technologie de capture du mouvement
Contexte
- La cinématique scapulaire est essentielle pour comprendre la mécanique de l'épaule.
- Les méthodes traditionnelles peuvent introduire des artefacts dus aux mouvements de la peau.
- La méthode du cluster de marqueurs acromiaux vise à fournir des mesures précises.
- Les techniques non invasives sont privilégiées en milieu clinique et en recherche.
Objectif de l'étude
- Obtenir des mesures dynamiques de la cinématique scapulaire.
- Améliorer la précision des évaluations de l'orientation scapulaire.
- Minimiser l'impact des artefacts de mouvement cutané pendant les mesures.
Méthodes utilisées
- Placer des marqueurs rétroreflecteurs sur le thorax et l'acromion.
- Utiliser une baguette d'étalonnage pour localiser les repères anatomiques de l'omoplate.
- Les participants effectuent des mouvements d'élévation et d'abaissement du bras.
- Déterminer la position des repères anatomiques de l'omoplate pendant les mouvements dynamiques.
Résultats principaux
- Calibration réussie des repères scapulaires par rapport à l'acromion.
- Surveillance précise du mouvement scapulaire pendant les mouvements du bras.
- Validation démontrée de la méthode du groupe de marqueurs acromiaux.
- Réduction des artefacts dus aux mouvements cutanés par rapport aux méthodes traditionnelles.
Conclusions
- La méthode du cluster marquant l’acromion est efficace pour la mesure de la cinématique scapulaire.
- Cette méthode améliore la fiabilité des données de capture du mouvement.
- Elle constitue un outil précieux pour les chercheurs et les cliniciens en biomécanique.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La mesure précise de la cinématique dynamique de l'omoplate est essentielle pour comprendre la biomécanique de l'épaule dans les modèles précliniques des troubles musculosquelettiques. La méthode du cluster de marqueurs acromiaux réduit les artefacts dus aux mouvements de la peau, améliorant ainsi la fiabilité des données pour la validation des cibles en recherche en réadaptation. Cela permet une détection mécanistique plus sûre en rendant possible l'évaluation quantitative des changements d'orientation de l'omoplate pendant le mouvement du bras, tant lors de la phase d'élévation que d'abaissement.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'analyse des mécanismes scapulothoraciques dans les modèles de maladie en fournissant des mesures fiables de la rotation ascendante et de l'inclinaison postérieure.
- Valeur opérationnelle : Réduit la variabilité des mesures due à l'artéfact cutané, augmentant ainsi la fiabilité des évaluations de l'engagement cible.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Fournit des sorties cinématiques scapulaires standardisées et reproductibles pour évaluer la préparation au test dans les modèles de dysfonctionnement de l'épaule.
- Valeur opérationnelle : Permet la réutilisation de la plateforme dans différentes études grâce à des protocoles définis d'étalonnage et de collecte de données.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Facilite la continuité translationnelle en reliant les profils de mouvement de l'omoplate en phase de découverte à la validation préclinique des interventions.
- Valeur opérationnelle : Permet des décisions d'avancement ajustées au risque grâce à des métriques fiables d'erreur des courbes (par exemple, 2,7°–4,4° pour la rotation ascendante).
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'intègre aux flux de travail de biologie de la découverte en permettant le test d'hypothèses sur les contributions scapulothoraciques aux dysfonctionnements de l'épaule, et en soutenant l'identification des candidats par un phénotypage biomécanique quantitatif.
- Découverte en biologie : Facilite l'élucidation des voies en mesurant l'orientation de l'omoplate par rapport au thorax lors de l'élévation et de l'abaissement du bras dans plusieurs plans.
- Dépistage : Fournit des données cinématiques normalisées, prêtes à être analysées, exprimées par rapport à l'angle d'élévation humérale, permettant des comparaisons entre différentes conditions.
- Analyse : Génère des coefficients de corrélation multiple (CMC) et des métriques d'erreur de forme d'onde afin de quantifier la fiabilité et d'aider à prendre des décisions de poursuite ou d'arrêt.
- Recherche translationnelle : Relie les profils dynamiques de l'omoplate à la continuité préclinique en validant la cohérence des mesures au cours des phases d'élévation et d'abaissement.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une capacité d'évaluation biomécanique réutilisable grâce à un positionnement standardisé des marqueurs, à l'utilisation d'une baguette d'étalonnage et à des flux de travail de modélisation numérique.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Confiance prédictive dans la mécanique scapulothoracique, réduction de l'ambiguïté mécanistique dans les modèles de dysfonctionnement de l'épaule.
- Valeur opérationnelle : Normalisation, reproductibilité et évolutivité de la mesure de la cinématique scapulaire entre laboratoires.
- Valeur stratégique : Meilleures décisions d'aller/arrêt, efficacité du capital et réduction des risques biologiques en phase avancée dans les programmes musculosquelettiques.
- Impact sur le portefeuille : Priorisation et décisions d'avancement ajustées au risque, fondées sur des données fiables de fiabilité de la rotation ascendante (CMC = 0,92) et de l'inclinaison postérieure (CMC = 0,70).
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en biomécanique, en systèmes de capture du mouvement et en palpation des repères anatomiques.
- Dépend de caméras de capture du mouvement, de marqueurs rétro-réfléchissants, d'une baguette d'étalonnage et de logiciels de modélisation numérique (par exemple, MATLAB).
- Exige une standardisation inter-équipes du positionnement des marqueurs, des procédures d'étalonnage et de la segmentation des phases (élévation/abaissement) à l'aide de seuils de vitesse angulaire.
- Les considérations d'adaptation incluent la validation au-delà de 120° d'élévation humérale et dans diverses morphologies scapulaires.
- Les limitations pratiques comprennent une fiabilité modérée pour la rotation interne (CMC = 0,53) et une erreur plus élevée sur les formes d'onde (5,4°–7,3°), ce qui restreint l'utilisation pour certains axes de rotation.
