Method Article

Analisi cinematica utilizzando 3D Motion Capture di bere compito in persone con e senza i danni del superiore-estremità

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

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

Questo protocollo descrive un metodo oggettivo per valutare le prestazioni di movimento e funzione sensitivo-motoria dell'arto superiore applicato agli individui con ictus e controlli sani. Una procedura di prova standardizzati, cinematiche variabili di analisi ed il risultato per la cattura di movimento tridimensionale di bere attività sono fornite.

Abstract

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

Analisi cinematica sono un potente metodo per la valutazione obiettiva dei movimenti dell'arto superiore in uno spazio tridimensionale (3D). Tridimensionale di motion capture con un sistema di fotocamera optoelettronico è considerato come golden standard per l'analisi cinematica del movimento e viene sempre più utilizzata come misura di risultato per valutare le prestazioni di movimento e la qualità dopo un infortunio o malattia che coinvolgono i movimenti dell'arto superiore. Questo articolo descrive un protocollo standardizzato per l'analisi cinematica di bere attività applicata in individui con disabilità dell'arto superiore dopo il colpo. L'attività bere incorpora raggiungere, afferrare e alzare una tazza da una tabella per prendere un drink, posizionando la Coppa torna e spostando indietro la mano verso il bordo della tabella. La posizione di seduta è standardizzata alla dimensione corporea dell'individuo e l'attività viene eseguita in una confortevole velocità di autoapprendimento e movimenti compensativi non sono vincolati. L'intenzione è di mantenere l'attività naturale e vicino a una situazione di vita reale per migliorare la validità ecologica del protocollo. Un sistema di 5-fotocamera motion capture è utilizzato per raccogliere le posizioni delle coordinate 3D da 9 marcatori catarifrangenti posizionati su punti di riferimento anatomici del braccio, del tronco e del viso. Un posizionamento semplice singolo marker viene utilizzato per garantire la fattibilità del protocollo nelle regolazioni cliniche. Software Matlab su misura fornisce analisi automatizzate e veloce dei dati di movimento. Cinematica temporale del tempo di movimento, velocità, velocità di picco, tempo di picco di velocità e scorrevolezza (numero di unità di movimento) insieme a cinematica spaziale angolare di spalla e gomito comune così come i movimenti del tronco vengono calcolati. Il compito di bere è una valutazione valida per gli individui con insufficienza lieve e moderata dell'arto superiore. Il costrutto, validità discriminante e simultanee con reattività (sensibilità al cambiamento) delle variabili cinematiche ottenute dall'attività bere sono state stabilite.

Introduction

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

Analisi cinematica descrive i movimenti del corpo nello spazio e nel tempo, tra cui accelerazioni, velocità e spostamenti lineari e angolari. I sistemi di cattura del movimento optoelettronici utilizzano più telecamere ad alta velocità che invia segnali di luce infra-rosso per catturare i riflessi da marcatori passivi posizionato sul corpo o trasmettono i dati di movimento da marcatori attivi contenenti infrarosso diodi luminescenti. Questi sistemi sono considerati come "gold standard" per l'acquisizione di dati cinematica1. Questi sistemi sono valutati per la loro alta precisione e flessibilità nelle misurazioni di compiti diversi. Misure cinematiche hanno dimostrato di essere efficace nel catturare i più piccoli cambiamenti nelle prestazioni di movimento e qualità che può essere inosservato con tradizionale clinici scale2,3. È stato suggerito che cinematica deve essere utilizzato per la distinzione tra vero recovery (ripristino delle caratteristiche di movimento premorbid) e l'uso di pattern di movimento compensativo (alternativo) durante la realizzazione di un compito4, 5.

I movimenti dell'arto superiore possono essere quantificati utilizzando endpoint cinematica, generalmente ottenuta da un indicatore della mano e angolare cinematica da articolazioni e segmenti (cioè., tronco). Cinematica del punto finale forniscono informazioni su traiettorie, velocità, strategie di movimento temporale, precisione, linearità e morbidezza, mentre angolare cinematica caratterizzano schemi di movimento in termini di articolazione temporale e spaziale e angoli di segmento, velocità angolari e coordinamento interjoint. Cinematica del punto finale, come, tempo del movimento, la velocità e la scorrevolezza sono efficaci per catturare i deficit e miglioramenti nelle prestazioni di movimento dopo ictus6,7,8 e visualizza angolare cinematica se il movimenti delle articolazioni e segmenti del corpo sono ottimali per un'attività specifica. Cinematica da persone con disabilità sono spesso confrontati con le prestazioni di movimento in individui senza danni8,9. End-Point e angolare cinematica sono correlati in modo che un movimento eseguito con velocità effettiva, scorrevolezza, e precisione richiederanno buon movimento controllo, coordinamento e utilizzo di schemi di movimento efficace e ottimale. Ad esempio, un paziente con ictus che si muove lentamente solitamente anche spettacoli in diminuzione scorrevolezza (aumento del numero di unità di movimento), abbassare la velocità massima e aumentato di cilindrata tronco8. D'altra parte, miglioramenti nella cinematica dell'endpoint, ad esempio la velocità di movimento e scorrevolezza potrebbero verificarsi indipendentemente dai cambiamenti delle strategie compensative movimento del tronco e braccio10. È stato stabilito che l'analisi cinematica possono fornire ulteriori e più precise informazioni su come il compito è compiuto dopo un infortunio o malattia, che a sua volta è essenziale per il trattamento individualizzato efficace raggiungere il recupero ottimo del motore 11. analisi cinematica viene sempre più utilizzato negli studi clinici per descrivere i movimenti nelle persone con disabilità dell'arto superiore dopo ictus8,9, per valutare il recupero del motore7, 12,13 o per determinare l'efficacia di interventi terapeutici10,14.

Attività di movimento spesso studiata in corsa sono puntando e raggiungendo, anche se l'uso di attività funzionale che incorporano la manipolazione di oggetti vero e proprio quotidiani sta aumentando1. Poiché cinematica di raggiungere dipendono i vincoli sperimentali quali la selezione di oggetti e l'obiettivo dell' attività15, è essenziale per valutare i movimenti durante le attività di utile e funzionale in cui le difficoltà reali dell'individuo vita quotidiana si rifletterà più da vicino.

Così, lo scopo di questa carta è di fornire una descrizione dettagliata di un semplice protocollo standardizzato utilizzato per l'analisi cinematica di un'attività utile e funzionale, bere attività, applicata agli individui con disabilità dell'arto superiore nelle fasi acute e croniche dopo il colpo. Risultati dalla convalida del presente protocollo per gli individui con insufficienza moderata e lieve ictus saranno riassunti.

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Protocol

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

Tutti i metodi descritti qui sono parte degli studi approvato dal Consiglio di revisione etico regionale a Göteborg, in Svezia (318-04, 225-08).

1. impostare il sistema di Motion Capture

  1. Montare 4 telecamere sul muro circa 1,5-3 metri di distanza l'area di misurazione all'altezza di 1,5-2,5 m rivolto verso la zona di misurazione. Montare una telecamera sul soffitto appena sopra la zona di misurazione (Figura 1). Avviare il sistema di fotocamera.
  2. Posizionare il telaio di calibrazione L-forma sul tavolo con l'asse corto in linea con il bordo del tavolo e l'asse lungo, rivolta in avanti.
    Nota: Il sistema di coordinate viene definito con assi x diretta in avanti (anteriormente nel piano sagittale), asse y diretto lateralmente (nel piano frontale) e asse z diretto verso l'alto (superiormente, perpendicolare al piano trasversale).
  3. Aprire il 3D tracking e dati acquisizione software (Track Manager), avviare la calibrazione selezionando cattura | Calibrare, immettere l'ora di calibrazione di 30 s e fare clic su OK.
  4. Spostare la bacchetta in tutte le direzioni in tutta l'area intera misura (75 × 75 × 65 cm) sopra la sedia e tavolo per garantire che tutte le 5 telecamere catturano la bacchetta in orientamenti come molti come possibile16,17. Dopo la calibrazione, i risultati mostrano sullo schermo. Accettare residui di taratura inferiore a 0,5 mm.
  5. Sono il soggetto, indossando un senza maniche top, sedersi una su una sedia regolabile altezza con la schiena contro il chair´s indietro, parte superiore del braccio in posizione neutra pollici addotti, il palmo della mano al tavolo e il polso a riposo allineata al bordo del tavolo. Verifica che il ginocchio, anca e gomito angoli sono circa 90°.
  6. Posizionare i marcatori passivi a riflessione con nastro biadesivo sui monumenti scheletrico18 lato testata (terzo metacarpofalangea), polso (processo stiloideo dell'ulna), gomito (epicondilo laterale), spalla destra e sinistra (parte centrale dell'acromion), torace (parte superiore dello sterno) e la fronte (tacca tra le sopracciglia).
  7. Posizionare due marcatori sulla tazza (bordo superiore e inferiore).

2. procedure di Motion Capture dell'attività bere

  1. Posizionare la tazza di plastica dura (diametro di 7 cm, altezza 9,5 cm) con 100 mL di acqua 30 cm dal bordo del tavolo, sulla linea mediana del corpo. Deliberatamente, per mantenere le prestazioni di attività naturale e vicino alla situazione di vita reale, si seleziona la posizione della Coppa sul tavolo.
  2. Chiedere al soggetto di eseguire il bere compito in una confortevole velocità di autoapprendimento i) raggiungendo e afferrare la Coppa, ii) alza la Coppa dalla tabella verso la bocca, iii) prendendo un drink (un sorso), iv) ponendo la Coppa torna sul tavolo dietro una linea tracciata (30cm dalla scheda le bordo) e v) ritorno alla posizione iniziale con la mano sul bordo della tabella.
  3. Garantire tale soggetto capisce le istruzioni e può raggiungere la Coppa comodamente con il braccio meno colpiti senza inclinarsi in avanti.
  4. Prima di ogni registrazione, assicurarsi che la posizione iniziale (posizione iniziale) sia corretta, chiedere al soggetto di essere pronto, avviare manualmente l'acquisizione e dare istruzioni verbali "puoi iniziare adesso."
  5. Quando il soggetto completa l'operazione, interrompere la registrazione manualmente.
  6. Registrare cinque prove con breve pausa tra ogni prova (circa 30 s), iniziando con il braccio meno colpiti.
  7. Verifica che l'acquisizione di dati ha avuto successo (95-100% dei dati per ogni indicatore identificati).
    Nota: I dati degli indicatori sono automaticamente trasferiti in tempo reale per il software di acquisizione dati (Track Manager). Un pre-definito modello di identificazione di Marker automatico (AIM) è utilizzato per l'identificazione automatica dei marcatori.
  8. Quando vengono rilevati dati incompleti, eseguire prove supplementari dopo aver identificato il problema e regolazione delle posizioni di seduta o marcatore per garantire piena visibilità degli indicatori al fine di ottenere almeno 3 sperimentazioni di successo.
    Nota: Possibili problemi che possono verificarsi sono che i marcatori possono staccarsi o essi sono occlusi dalle telecamere angolo di visione, che si traduce in dati incompleti. Tuttavia, la macchina fotografica e marker set-up, come utilizzato nel presente protocollo, produce una perdita di dati a causa di lacune solo in occasioni molto rare. In totale, la sessione di acquisizione del movimento prende circa 10-15 minuti per completare.

3. analisi dei dati

  1. Trasferire i dati registrati da Track Manager direttamente in Matlab cliccando File | Esportare | Direttamente in Matlab.
  2. Utilizzare il comando Matlab al prompt di comando: (>> area di lavoro) per vedere il set di variabili di Matlab.
    Nota: Le variabili chiave Matlab contenente i dati da utilizzare nelle istruzioni e nella creazione di analisi sono:
    QTMmeasurements.Frames - il numero di frame acquisiti
    QTMmeasurements.FrameRate - il numero di frame acquisiti al secondo (240)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Count - numero di etichette (10)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Labels - Etichette come definito nel Track Manager
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Data - dati di misurazione in una matrice 3D di 10 x 3 x numero di fotogrammi, dove per ogni fotogramma e ogni etichetta vengono registrate le 3 Coordinate
  3. In Matlab, filtrare la x, y, i valori di z utilizzando il (burro) e istruzioni (filtfilt) con un 6 Hz secondo ordine Butterworth filtro in entrambi avanti e invertire le direzioni, offrendo una fase zero distorsione e filtraggio di indietro-ordine.
    Nota: esempio
    [b, un] = burro (2, 6/240/2); % 6Hz di frequenza di taglio e per quanto riguarda la frequenza di campionamento ½
    xfiltered = filtfilt (b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:));
  4. In Matlab, creare un programma per utilizzare i valori di z per ogni esempio di frame e ogni etichetta di x, y, per calcolare le variabili cinematiche quali velocità tangenziale della mano e angoli articolari. Le variabili cinematiche sono riportate nella tabella 2.
  5. In Matlab, creare un programma per suddividere la sequenza di campioni in 5 fasi logiche: raggiungendo, inoltrare trasporto, bere, trasporto posteriore e restituendo la mano nella posizione iniziale (Figura 2). Definizioni per inizio e fine di ogni fase vengono presentate in dettaglio nella tabella 1.
  6. In Matlab, utilizzare l'istruzione (trama) per creare trame di posizioni, velocità, angoli di giunti e diagrammi-angolo.

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Results

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

Il protocollo descritto in questo articolo è stato applicato agli individui con ictus e comandi sani2,6,8,19,20,21. In totale, dati cinematici da 111 individui con ictus e 55 comandi sani sono stati analizzati negli studi differenti. La compromissione dell'arto superiore dopo ictus è stata def...

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Discussion

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

Il protocollo può essere usato con successo per quantificare le prestazioni di movimento e la qualità in individui con disabilità sensitivo-motoria dell'arto superiore moderato e mite in tutte le fasi, dopo il colpo. La fattibilità di questo protocollo è stata dimostrata in una regolazione clinica fin da 3 giorni dopo la corsa e ha mostrata che il sistema può essere utilizzato da professionista qualificato salute senza qualifiche specifiche tecniche. Competenza tecnica è, tuttavia, necessario per creare e sviluppare un p...

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Disclosures

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

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

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

Speciale a Bo Johnels, Nasser Hosseini, Roy Tranberg e Patrik Almström per aiuto con l'avvio di questo progetto. I dati di ricerca presentati in questo protocollo è stato raccolto presso l'Ospedale Universitario Sahlgrenska.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sistema di motion capture ProReflex optoelettronico a 5 telecamere (MCU 240 Hz)Qualisys AB, Gthenburg, SveziaN/ASistema di analisi del movimento con marcatori passivi retroriflettenti
MarkersQualisys AB, Gthenburg, SveziaN/AMarcatori circolari passivi retroflessivi, diametro di 12 mm
Telaio di calibrazione e bacchettaQualisys AB, Gthenburg, SveziaN/ATelaio di calibrazione a forma di L (definisce l'origine e l'orientamento del sistema di coordinate); Bacchetta a forma di T (300 mm)
Qualisys Track ManagerQualisys AB, Gthenburg, SveziaN/ASoftware di tracciamento 3D
Matlab Mathworks, Inc, Natick, CaN/A Softwaredi analisi dei dati

References

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