Articolo metodologico

Misurazione della dinamica Scapolare Cinematica Utilizzando un cluster Acromion Marker per minimizzare i movimenti della pelle Artifact

DOI:

10.3791/51717

⸱

10 febbraio 2015

 ,  , 
1Faculty of Health Sciences, University of Southampton, 2Electronics and Computer Sciences, University of Southampton

In questo articolo

Sommario

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Questo rapporto presenta i dettagli su come adottare il metodo gruppo marcatore acromion di ottenere cinematica scapolare quando si utilizza un dispositivo di motion capture marcatore passivo. Come è stato descritto in letteratura, questo metodo fornisce una misura robusta, non invasivo, tridimensionale, dinamica e valida cinematica scapolari, minimizzando il movimento della pelle manufatto.

Abstract

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

La misurazione della cinematica scapolare dinamici è complesso a causa della natura di scorrimento della scapola sotto la superficie della pelle. Lo scopo dello studio è stato quello di descrivere chiaramente il metodo di cluster marcatore acromion (AMC) di determinare cinematica scapolare quando si utilizza un sistema di motion capture marcatore passivo, con considerazione per le fonti di errore che potrebbero influenzare la validità e l'affidabilità delle misurazioni. Il metodo AMC prevede il posizionamento di un gruppo di marcatori sulla acromion posteriori, e durante la calibrazione dei punti di riferimento anatomici rispetto al cluster marcatore è possibile ottenere misurazioni validi di cinematica scapola. L'affidabilità del metodo è stata esaminata tra due giorni in un gruppo di 15 soggetti sani (età 19-38 anni, otto maschi) come eseguite elevazione del braccio, a 120 °, e abbassamento frontale, scapolare e sagittale. I risultati hanno mostrato che tra il giorno affidabilità è stata buona per la rotazione della scapola verso l'alto (Coefficiente di MultCorrelazione iple; CMC = 0.92) e di inclinazione posteriore (CMC = 0,70), ma giusto per la rotazione interna (CMC = 0,53) durante la fase di elevazione del braccio. L'errore di forma d'onda è stata inferiore per la rotazione verso l'alto (2,7 ° a 4,4 °) ed inclinazione posteriore (1,3 ° a 2,8 °), rispetto a rotazione interna (5,4 ° a 7,3 °). L'affidabilità durante la fase di discesa era paragonabile ai risultati osservati durante la fase di elevazione. Se il protocollo descritto in questo studio è rispettata, l'AMC fornisce una misura affidabile di rotazione verso l'alto e la retroversione durante l'elevazione e la fase di abbassamento di movimento del braccio.

Introduzione

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Obiettivo misurazione quantitativa, della cinematica scapolare in grado di fornire una valutazione di schemi di movimento anormali associate a disfunzione spalla 1, come la riduzione rotazione verso l'alto e la retroversione durante l'elevazione del braccio osservati in spalla impingement 2-8. Misura della cinematica scapolari, tuttavia, è difficile a causa della posizione profonda del tessuto osseo e la natura scivolare sotto la superficie della pelle 1. Tipiche tecniche di misurazione cinematiche di fissaggio marcatori riflettenti su punti di riferimento anatomici non adeguatamente monitorare la scapola mentre scivola sotto la superficie della pelle 9. Vari metodi sono stati adottati tutta la letteratura per superare queste difficoltà, compresi; l'imaging (raggi X o risonanza magnetica) 10-14, goniometri 15,16, spille osso 17-22, palpazione manuale 23,24, e il metodo acromion 3,5,19,25. Ogni metodo, tuttavia, ha i suoi limiti che comprendono: excon esposizione a radiazioni, errori proiezione nel caso di bidimensionale analisi basata immagine, richiedono ripetuta interpretazione soggettiva della posizione della scapola, sono statici in natura o sono altamente invasiva (es perni ossei).

Una soluzione per superare alcune di queste difficoltà è di impiegare il metodo acromion cui un sensore elettromagnetico è attaccato alla porzione piatta del acromion 25, una porzione piana di osso che si estende anteriormente nella parte più laterale della scapola che dal dorso scapola. L'idea principio alla base con il metodo acromion è ridurre il movimento della pelle manufatto, come acromion ha dimostrato di avere la minima quantità di movimento della pelle manufatto rispetto ad altri siti scapola 26. Il metodo acromion è non-invasiva e fornisce dinamica di misura tridimensionale di cinematica scapolare. Gli studi di validazione hanno dimostrato il metodo acromion sia valida fino a 120 ° durante il braccio elfase evation quando si utilizzano sensori elettromagnetici 17,27. Quando si utilizzano dispositivi di motion capture marcatore basato una serie di marcatori disposti in un cluster, il cluster marcatore acromion (AMC), è necessario ed è stato dimostrato di essere valido quando si utilizza un sistema di motion capture attivo marcatore 28 e mentre con un passivo-marcatore sistema di motion capture durante l'elevazione del braccio e il braccio abbassamento 29.

L'uso del AMC con un dispositivo di acquisizione motion marcatore passivo per misurare cinematica scapolari è stato usato per valutare variazioni cinematica scapolari seguenti un intervento per affrontare spalla impingement 30. L'uso di questo metodo valido, tuttavia, dipende dalla capacità di applicare con precisione il cluster di marcatori, la cui posizione è stato dimostrato che influisce risultati 31, calibrare punti di riferimento anatomici 32 e assicurando movimenti del braccio sono all'interno di un intervallo valido di movimento (ossia sotto i 120 ° di elevazione del braccio) 29. Essoè stato anche suggerito la riapplicazione del cluster marcatore, quando si utilizza un sistema di motion capture indicatore basato attivo, è risultata essere la fonte di un aumento degli errori per scapolare retroversione 28. È pertanto importante stabilire l'affidabilità tra giorni del metodo acromion per assicurare che fornisce una misura stabile di cinematica scapola. Assicurare che le misurazioni sono affidabili consentirà variazioni cinematica scapolari, a causa di un intervento, ad esempio, da misurare ed esaminati. I metodi utilizzati per misurare la cinematica scapolari sono state descritte altrove 29,33; lo scopo di questo studio è stato quello di fornire uno strumento passo-passo guida e riferimento per l'applicazione di questi metodi utilizza un sistema di cattura movimento passivo-marcatore, in considerazione le potenziali fonti di errore, e di esaminare l'affidabilità del metodo di misurazione .

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Protocollo

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NOTA: L'utilizzo di soggetti umani è stata approvata dalla Facoltà di Scienze della Salute Comitato Etico presso l'Università di Southampton. Tutti i partecipanti hanno firmato i moduli di consenso prima della raccolta dei dati è iniziata. Per i dati presentati in questo studio cinematica sono stati registrati con un sistema di motion capture marcatore passivo costituito da 12 telecamere; sei telecamere a 4 megapixel e sei telecamere da 16 megapixel che operano alla frequenza di campionamento di 120 Hz.

1. partecipante Preparazione

  1. Chiedi soggetti per rimuovere i loro vestiti superiore del corpo o di indossare un reggiseno sportivo, gilet, o top senza spalline. È importante che gli indumenti non interferisca con il movimento dei marcatori o occludono marcatori dalla vista delle telecamere.
  2. Costruire un cluster marcatore acromion costituito da una 'L' pezzo a forma di plastica 70 millimetri di lunghezza lungo ogni aspetto. Attaccare tre marcatori retroriflettenti al AMC, uno alla fine di ciascuna estremità di ciascun elemento e uno in cui each aspetto incontrano (Figura 1).
  3. Attaccare il cluster marcatore acromion (AMC) sulla parte posteriore del acromion dove l'acromion incontra la spina della scapola, con nastro biadesivo. Un aspetto della piastra dovrebbe seguire la spina della scapola rivolta medialmente, l'altra deve puntare anteriore al piano scapolare (Figura 1).
  4. Attaccare un marcatore di cluster impostato al braccio superiore utilizzando cinghie (Figura 2).
  5. Attaccare marcatori retroriflettenti ai seguenti punti di riferimento anatomici al raccomandato dalla Società Internazionale di Biomeccanica 33 (figure 1 e 2): sternale (IJ, Deepest congiunta della tacca sternale), processo Xiphoid (PX, più caudale punto sullo sterno), C7 (processo spinoso della vertebra C7), T8 (spinoso processo della vertebra T8), Sterno-clavicolare comune (SC; La maggior parte ventrale punto sul giunto sterno-clavicolare), stiloide radiale (più poi caudalent sulla stiloide radiale) e ulnare stiloide (più punto caudale sulla stiloide ulnare).

figure-protocol-1
Figura 1:. Posizione del gruppo marcatore acromion, C7 e T8 marcatori anatomici Questo dato è stato modificato dalla Warner, MB, Chappell, PH & Stokes, MJ misurazione cinematica scapolare durante l'abbassamento con il cluster marcatore acromion Hum braccio.. Mov. Sci 31, 386-396, doi:. Http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

figure-protocol-2
Figura 2: la posizione degli indicatori per l'incavo sternale (IJ), processo xifoideo (PX), sterno-clavicolare (SC), gruppo superiore del braccio, stiloide ulnare (US), stiloide radiale (RS).

2. Participant Calibrazione

NOTA: Sedi di punti di riferimento anatomici della scapola deve essere determinato con riferimento al cluster marcatore acromion. È necessaria taratura dei punti di riferimento per ogni partecipante.

  1. Costruire una bacchetta calibrazione consiste di quattro marcatori riflettenti inseriti in una formazione 'T' (figura 3). Misurare la distanza dalla punta della bacchetta di calibrazione al primo marker bacchetta.
  2. Palpate e individuare i seguenti punti di riferimento anatomici, come raccomandato dalla International Society of Biomechanics 33. Posizionare la punta della bacchetta calibrazione sul punto di riferimento (figura 3). Cattura tre secondi di dati con il sistema di motion capture per garantire le icone sulla bacchetta, l'AMC e cluster di braccio sono tutti visibili alle telecamere.
    1. Acromion-claveare (AC) - Collocare una mano sulla clavicola, quindi spostare lateralmente fino al punto in cui la clavicola raggiunge l'acromion.Posizionare la punta della bacchetta in corrispondenza della giunzione tra la clavicola e acromion.
    2. Angolo Acromion (AA) - palpare lungo la spina della scapola al punto più laterale. Posizionare la punta della bacchetta sulla parte dorsale del acromion nel punto più laterale (Figura 3).
    3. Spina dorsale mediale della scapola (TS) - palpare lungo la spina della scapola al punto più mediale. Posizionare la punta della bacchetta nel punto in cui la colonna vertebrale incontra il bordo mediale della scapola.
    4. Angolo inferiore della scapola (AI) - palpare inferiormente lungo il bordo mediale della scapola. Posizionare la punta della bacchetta sul punto più caudale della scapola.
    5. Mediale (EM) - Con il gomito del partecipante nel 90 ° di flessione di puntamento in avanti, con il pollice rivolto verso l'alto, mettere una mano sul lato mediale del gomito per individuare mediale. Posizionare la punta della bacchetta sul punto più caudale mediale.
    6. Epicondili laterali (EL) - Con il gomito del partecipante a 90 ° di flessione di puntamento in avanti, con il pollice rivolto verso l'alto, posto una mano sulla parte laterale del gomito per individuare all'epicondilo laterale. Posizionare la punta della bacchetta sul punto più caudale dell'epicondilo laterale.
  3. Per determinare il centro gleno-omerale, chiedere al partecipante di eseguire un movimento di circonduzione con il braccio superiore con il gomito completamente esteso, da zero gradi elevazione braccio a circa 40 ° di elevazione del braccio. Devono eseguire questo movimento, mentre l'obiettivo di ridurre al minimo protrazione / retrazione e l'elevazione / depressione del complesso della spalla; il ricercatore può fornire assistenza, se necessario. Registrare questo movimento per circa 30 sec.

figure-protocol-3
Figura 3: la bacchetta di calibrazione usatoper individuare anatomica ossea punto di riferimento per quanto riguarda il cluster marcatore acromion (AMC).

3. Esperimento Protocol

  1. Chiedi partecipante di effettuare elevazione braccio da zero a 120 ° di elevazione del braccio, e quindi abbassare il braccio torna a riposare al loro fianco nel piano sagittale, frontale e scapolare. Il piano scapolare è di circa 40 ° anteriore al piano frontale.

4. Post-elaborazione dei dati cinematica

NOTA: Le seguenti fasi riportano la procedura necessaria per calcolare cinematica scapolare durante le prove dinamiche di movimento. Questi passaggi sono stati descritti ed esplorato ampiamente nella letteratura 21,33,34 e lo scopo della sezione seguente è quello di fornire una sintesi e step-by-step guida per l'attuazione delle fasi di modellazione necessarie per ottenere cinematica scapolare. L'applicazione di questi passi è condotta in relativo software di modellazione cinematica. La conta softwarecomandi in per consentire la creazione di sistemi locali di coordinate, la conversione di coordinate da una globale al locale sistema di coordinate, la conversione di coordinate dal locale al globale di sistemi e il calcolo delle rotazioni angolari Eulero coordinate. Questi passaggi consentiranno la scapola, omero e il torace per essere definite come corpi rigidi. Successivamente la rotazione della scapola rispetto torace, e l'omero rispetto torace possono essere determinati.

  1. Utilizzando le coordinate dei marcatori sulla AMC, definire un sistema arbitrario di coordinate locali per la AMC (figura 4a). Per ogni prova calibrazione riferimento anatomico scapolare, determinare la posizione della punta della bacchetta, che rappresenta la posizione del punto di riferimento anatomico, rispetto al sistema di coordinate locale sul AMC procede come segue.
    NOTA: Il software di modellazione cinematica contiene i comandi per consentire la creazione di sistemi locali e la conversione di coordinate coordinate da un globalea un coordinate locali, vedi Figura 4 per i comandi di esempio.
    1. Utilizzare i marcatori sulla bacchetta di creare un sistema di coordinate locale per la bacchetta (figura 4a) utilizzando il seguente comando nel software di modellazione cinematica: AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz] dove AMCO, AMCA e AMCM sono le etichette date ai correttori sulla AMC.
    2. Utilizzando il software di modellazione cinematica, calcolare la posizione della punta della bacchetta nel sistema di coordinate globale. Nell'esempio fornito questo dista 83 mm dal marker 1 (M1) lungo l'asse X della bacchetta (Figura 4b); utilizzare il comando: Wand = [M1, M1-M2, M3-M4, xyz] e Wandtip = M1 + {} 83,0,0 * ATTITUDE (Wand) dove M1, M2, M3 e M4 sono le etichette date ai correttori sulla bacchetta.
    3. Determinare la posizione della punta della bacchetta rispetto al sistema locale del AMC ($% AA) (Figura 4c) coordina utilizzando i comandi di modellazione: $% AA = WandTip / AMC e PARAM ($% AA).
    4. Ripetere i punti da 4.1.1 a 4.1.3 per ogni punto di riferimento anatomico scapolare.
    5. Determinare la posizione dei epicondili mediale e laterale rispetto al cluster marcatore dell'omero, invece del AMC, utilizzando il utilizzando la procedura descritta sopra.
  2. Utilizzare il processo di calibratura dinamica per calcolare la posizione del centro gleno-omerale rispetto alla scapola. Calcolare la posizione del centro gleno-omerale, rispetto alla scapola, come il punto di rotazione dell'asse elicoidale tra omero e scapola. Per maggiori dettagli su questa tecnica fare riferimento a Veeger 35.
  3. Calcolare il centro gomito (ELJC) come a metà distanza tra il laterale (EL) e mediale epicondili (EM) di omero; ELJC = (EM + EL) / 2.
  4. Durante le prove dinamiche, utilizzare la posizione nota dei punti di riferimento anatomici rispetto alla AMC per determinare la posizione dei punti di riferimento anatomici nel sistema globale di coordinate (Figura 5).
    Nota: il software di modellazione contiene i comandi per permettere la conversione di coordinate da locale sistemi di coordinate per sistemi di coordinate globali, vedi figura 5 per i comandi esempio.
    1. Vedere Figura 5a che mostra la posizione del punto di riferimento dell'angolo acromion rispetto al AMC ($% AA) come descritto al punto 4.1.
    2. Convertire la posizione del marcatore virtuale $% AA al sistema di coordinate globale per ogni punto di tempo durante il processo dinamico per creare l'angolo acromion (AA) punto di riferimento (figura 5b) con il seguente comando modellazione cinematica: AA = $% AA * AMC e USCITA (AA).
    3. Ripetere i passaggi 4.4.2 per ogni punto di riferimento anatomici.
  5. Definire un sistema di coordinate locale per il torace e scapola calcolando i vettori unitari tra i marcatori rilevanti per rappresentare ciascun asse per un determinato corpo rigido utilizzando il seguente comando di modellazione cinematica: Scapula = [AA, TS-AA, AA-AI, zxy] . Thorax = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, yzx], dove MUTHX è il punto medio tra l'IJ e C7 punto di riferimento e MLTHX è il punto medio tra i PX e T8 punti di riferimento.
    NOTA: La definizione degli assi sono basati su International Society of Biomechanics '(ISB) raccomandazioni 33 (Tabella 1 e Figura 6).
    1. Utilizzando un metodo simile, definire un sistema di coordinate locale per dell'omero utilizzando 'Opzione 2' come raccomandato dal ISB 33.
      NOTA: L'opzione 2 richiede un piano sufficientemente formato dal Centro comune gleohumeral, gomito il centro comune e la stiloide dell'ulna, cioè un grado di flessione del gomito è richiesto. Se il partecipante si avvicina piena estensione del gomito, gli assi omerale può diventare instabile e quindi 'Opzione 1' devono essere utilizzati (Tabella 1). Per ulteriori informazioni, vedere Wu et al. (2005).
  6. Determinare l'orientamento della scapola rispetto al torace per ciascun punto di tempo durante il processo dinamicocon il metodo di decomposizione angolo di Eulero con una sequenza di rotazione di rotazione interna (Y), rotazione verso l'alto (X ') e la retroversione (Z' '), 33 utilizzando il seguente comando di modellazione cinematica: ScapularKin = - ( Figura 7).
  7. Determinare l'orientamento dell'omero rispetto al torace durante il processo dinamico usando una sequenza non cardanico rotazione Y (piano di elevazione), X '(elevazione) e Y' '(rotazione assiale) 36 utilizzando adeguate software di modellazione cinematica.
    NOTA: Una macro è disponibile per il download dal produttore al fine di determinare le sequenze di rotazione non cardanici all'interno del software di modellazione cinematica utilizzato in questo manoscritto.

figure-protocol-4
MUTHX = mid-point tra IJ e C7. MLTHX = mid-point tra PX e T8. GH = GLCentro congiunto enohumeral. ELJC = gomito centrale congiunto.

Operatori matematici:

^ = Prodotto incrociato di due vettori

|| = Valore assoluto di un vettore

Tabella 1: sistema di coordinate locali per ogni segmento rigido.

5. Data Reduction and Analysis

NOTA: I seguenti passi di riduzione dei dati e di analisi vengono eseguite in software di modellazione numerica (come MATLAB) che consente la manipolazione di matrici di dati. I dati cinematica è diviso in elevazione e abbassamento fasi di movimento omerale, tempo normalizzato per ogni fase di movimento, allora cinematica scapolari sono espresse rispetto ad angolo di elevazione omerale.

  1. Determinare l'elevazione e la fase di abbassamento della elevazione omerale come descritto di seguito (Figura 8). Queste fasi sono determinate dalla velocità angolare dell'angolo di elevazione omerale (Figura 8). Vedere funzione ElevationLoweringPhases.mfile.
    1. Determinare l'inizio di elevazione omerale quando la velocità angolare dell'omero supera una soglia 2% della velocità angolare massima omerale.
    2. Determinare la fine della fase di elevazione come il punto in cui la velocità angolare omerale scende al di sotto del 2% della velocità angolare massima omerale, o quando elevazione omerale supera 120 °.
    3. Determinare l'inizio della fase di abbassamento omerale quando la velocità angolare scende al di sotto del 2% della velocità angolare minima, o il punto in cui elevazione omerale scende al di sotto di 120 °.
    4. Determinare la fine della fase di abbassamento quando la velocità angolare supera il 2% della velocità angolare minima.
  2. Normalizzare i dati interpolando i dati cinematici in ogni fase di movimento a 101 punti di dati (Figura 9). Vedere file funzione Time_normalisation.m.
  3. Esprimere cinematica scapolari in relazione alla elevazione omerale tracciando l'angolo braccio (gradi) vs. r verso l'altoflottazione (gradi) (Figura 10). Vedere file funzione PlotScapHumRhythm.m.

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Risultati

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Quindici i partecipanti che non avevano conosciuto la storia di lesioni della spalla, collo o al braccio sono stati reclutati sul studio (Tabella 2). Per valutare intra-rater (tra giorni) affidabilità, i partecipanti hanno assistito due sessioni di raccolta dati separati da almeno 24 ore e un massimo di 7 giorni. Durante ogni sessione di raccolta dei dati, lo stesso investigatore eseguito il protocollo per collegare i marcatori riflettenti, il cluster marcatore acromion e calibrazioni punto di riferimen...

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Discussione

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

La scelta della metodologia per la determinazione cinematica scapolare è cruciale, e dovrebbe essere oggetto di un esame della validità, l'affidabilità e la sua adeguatezza per lo studio di ricerca. Vari metodi sono stati adottati tutta la letteratura ma ogni metodo ha i suoi limiti. Il cluster marcatore acromion supera un certo numero di queste limitazioni, quali errori di proiezione di immagini 2D o richiedono interpretazione ripetuta della posizione della scapola fornendo non invasiva misura cinematica dinamica d...

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Dichiarazioni

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

Nessuno degli autori aveva alcuna affiliazione con alcuna organizzazione che potesse influenzare il risultato di questo lavoro.

Ringraziamenti

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Questo lavoro si trova all'interno dell'Unità multidisciplinare di Ricerca Muscoloscheletrica di Southampton (Southampton University Hospitals Trust/University of Southampton) e del Centro di Ricerca sull'Artrite del Regno Unito per lo Sport, l'Esercizio Fisico e l'Osteoartrite. Gli autori desiderano ringraziare le loro fonti di finanziamento; Arthritis Research UK per il finanziamento di apparecchiature di laboratorio (sovvenzione n.: 18512) e Vicon Motion System, Oxford UK per il finanziamento di una borsa di dottorato (M.Warner). Gli autori desiderano anche ringraziare i partecipanti e Kate Scott e Lindsay Pringle per il loro aiuto nel reclutamento dei partecipanti.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Sistema di acquisizione di marcatori passiviVicon Motion SystemsN/A
NexusVicon Motion SystemsN/A Softwaredi acquisizione dati
BodybuilderVicon Motion SystemsN/ASoftware di modellazione
Marcatori retroriflettenti da 14 mmVicon Motion SystemsVACC-V162B
Marcatori retroriflettenti da 6,5 mmVicon Motion SystemsVACC-V166
Bacchetta di calibrazioneVicon Motion SystemsN/A
Base in plasticaN/AN/ACostruito "in-house"
MatlabMathworksN/ASoftware di modellazione numerica

Riferimenti

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