Misurazione della dinamica Scapolare Cinematica Utilizzando un cluster Acromion Marker per minimizzare i movimenti della pelle Artifact
10 febbraio 2015
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.
L'obiettivo di questa procedura è ottenere misurazioni dinamiche non invasive della cinematica della scapola. Questo viene raggiunto posizionando marcatori retro-reflectenti sul torace e un gruppo di marcatori sulla porzione piatta dell'acromion. Il secondo passaggio consiste nel determinare la posizione dei punti di repère anatomici della scapola rispetto al gruppo di marcatori, utilizzando una bacchetta di calibrazione.
Dopo la calibrazione, il partecipante esegue movimenti di elevazione e abbassamento del braccio nei piani di movimento rilevanti. L'ultimo passaggio consiste nel determinare la posizione dei punti di repère anatomici della scapola durante i movimenti dinamici, basandosi sulla posizione nota rispetto al gruppo di marcatori dell'acromion. Infine, la posizione dei punti di repère anatomici della scapola viene utilizzata per mostrare l'orientamento della scapola rispetto al torace.
Questa tecnica può aiutare a rispondere a domande fondamentali nei campi della biomeccanica e della riabilitazione, ad esempio quali sono i pattern di movimento della scapola associati a una disfunzione scapolotoracica. Consente inoltre di valutare interventi terapeutici mirati al trattamento delle disfunzioni della spalla. Per iniziare, chiedere al partecipante di togliere gli indumenti della parte superiore del corpo oppure di indossare abiti che non interferiscano con il movimento dei marcatori né li nascondano alla vista del sistema di acquisizione del movimento.
Costruire un gruppo di marcatori acromiali o un MC costituito da un pezzo di plastica a forma di L. Applicare tre marcatori retroflettivi, uno all'estremità di ciascun braccio del pezzo, a partire dal punto in cui si incontrano. Utilizzare nastro adesivo bifacciale per fissare il MC sulla porzione posteriore dell'acromion, nel punto in cui si congiunge con la spina scapolare.
Un aspetto della piastra deve seguire il bordo mediale della scapola. L'altro deve essere orientato anteriormente rispetto al piano scapolare. Fase successiva: cinghia.
Un gruppo di marcatori deve essere posizionato sull'avambraccio del partecipante; i marcatori retroflettenti devono quindi essere applicati sui seguenti punti anatomici: incisura giugulare, processo xifoidale, vertebra C7, vertebra T8, articolazione sternoclavicolare, stiloidi dell'ulna e del radio. I punti anatomici rispetto al sistema di coordinate anatomico (A MC) devono essere calibrati per ogni partecipante. Per fare ciò, costruire un'asta di calibrazione composta da quattro marcatori riflettenti disposti in una formazione a T.
Misurare la distanza tra la punta dell'asta di calibrazione e il primo marcatore sull'asta. Per effettuare una misurazione, posizionare la punta dell'asta sul punto di riferimento da calibrare e acquisire tre secondi di dati mediante il sistema di cattura del movimento, assicurandosi che tutti i marcatori presenti sull'asta, sul MC A e sul gruppo del braccio superiore siano visibili alle telecamere.
Per prima cosa, individuare l'articolazione acromioclavicolare posizionando una mano sulla clavicola e spostandosi lateralmente fino al punto in cui la clavicola raggiunge l'acromion. Posizionare la punta della sonda all'articolazione tra la clavicola e l'acromion per misurare l'angolo dell'acromion. Inoltre, lungo la spina della scapola fino al punto più laterale.
Posizionare la punta della sonda sulla faccia dorsale dell'acromion in corrispondenza di questo punto. Successivamente, spostarsi in alto lungo la spina della scapola fino al punto più mediale. Per individuare la spina mediale della scapola, posizionare la punta della sonda nel punto in cui la spina incontra il margine mediale della scapola.
Per individuare l'angolo inferiore della scapola, palpare in direzione inferiore lungo il margine mediale della scapola e posizionare la punta della sonda sul punto più cordale con il gomito del soggetto flesso a 90 gradi e il pollice rivolto verso l'alto. Posizionare una mano sul lato mediale del gomito per individuare l'epicondilo mediale. Appoggiare la punta della sonda sul punto più cordale dell'epicondilo mediale.
Nella stessa posizione, posizionare una mano sul lato laterale del gomito per individuare l'epicondilo laterale e appoggiare la punta della sonda sul punto più cordale. Per determinare il centro dell'articolazione glenomerale, chiedere al soggetto di eseguire un movimento di circonduzione con il braccio superiore. Con il gomito completamente esteso, da un'elevazione del braccio di zero gradi fino a circa 40 gradi, il soggetto deve eseguire questo movimento cercando di minimizzare la protrazione e la retrazione, nonché l'elevazione o la depressione del complesso della spalla.
L'investigatore può fornire assistenza se necessario. Registrare questo movimento per circa 30 secondi. Una volta calibrato, iniziare la raccolta dei dati chiedendo al partecipante di eseguire sollevamenti del braccio da zero a 120 gradi, quindi di abbassare nuovamente il braccio fino alla posizione di riposo lungo il fianco.
Chiedere al partecipante di eseguire questa azione nel piano sagittale, frontale e scapolare. Il piano scapolare è approssimativamente di 40 gradi in avanti rispetto al piano frontale, al fine di calcolare la cinematica scapolare. Durante le prove di movimento dinamico, si utilizza un software di modellazione cinematica.
Il software contiene comandi per creare sistemi di coordinate locali, convertire le coordinate da sistemi locali a sistemi globali e calcolare le rotazioni degli angoli di Eulero. Per prima cosa, utilizzare le coordinate dei marker presenti sul MC A per definire un sistema di coordinate locali arbitrario. Successivamente, calcolare la posizione della punta in questione nel sistema di coordinate globali per ogni prova di calibrazione dei punti anatomici della scapola.
Determinare la posizione della punta rispetto al sistema di coordinate locali di A MC. Successivamente, determinare la posizione dei condili epicondilari mediale e laterale rispetto al gruppo di marker dell'omero. Utilizzare la posizione nota dei punti di repère anatomici rispetto ad A MC per determinare la posizione all'interno del sistema di coordinate globale per ciascun punto temporale durante la prova dinamica.
Ripetere questi passaggi per ogni punto di repère anatomico, i condili epicondilari mediale e laterale. Utilizzare il gruppo del braccio superiore. Successivamente, calcolare il centro dell'articolazione glenomerale utilizzando il punto di rotazione dell'asse elicoidale tra l'omero e la scapola.
Successivamente, definire un sistema di coordinate locale per il torace, la scapola e l'omero calcolando i vettori unitari tra i marcatori pertinenti, seguendo le raccomandazioni della International Society of Biomechanics per ciascun segmento corporeo rigido. Per determinare l'orientamento della scapola rispetto al torace in ogni punto temporale, utilizzare il metodo di decomposizione degli angoli di Eulero con una sequenza di rotazione costituita da rotazione interna, rotazione superiore e successivamente inclinazione posteriore. Successivamente, determinare l'orientamento dell'omero rispetto al torace, utilizzando una sequenza di rotazione non cardinale composta dal piano di elevazione, elevazione e poi rotazione assiale.
Eseguire i passaggi di riduzione e analisi dei dati utilizzando un software di modellazione numerica come matlab. Dividere i dati cinematici nelle fasi di elevazione e abbassamento del movimento dell'omero. Normalizzare il tempo per ciascuna fase del movimento ed esprimere la cinematica della scapola in relazione all'angolo di elevazione dell'omero.
In questo esempio, l'elevazione e l'abbassamento dell'omero, con l'inizio e la fine di ciascuna fase, sono indicati dalle linee verdi tratteggiate. Le fasi di elevazione e abbassamento sono determinate utilizzando la velocità angolare dell'elevazione dell'omero. La linea rossa tratteggiata superiore rappresenta la soglia utilizzata per determinare l'inizio e la fine della fase di elevazione.
La linea tratteggiata rossa più bassa rappresenta una soglia utilizzata per determinare l'inizio e la fine della fase di abbassamento. Le linee verdi punteggiate rappresentano i punti in cui la velocità angolare ha superato le soglie. Questo grafico mostra la rotazione superiore della scapola durante l'elevazione del braccio, interpolata con oltre 101 punti dati.
Per normalizzare rispetto al tempo. Le rotazioni della scapola durante il movimento del braccio nel piano sagittale sono mostrate per la rotazione verso l'alto durante le fasi di sollevamento e abbassamento, così come per l'inclinazione posteriore durante le fasi di sollevamento e abbassamento e la rotazione interna durante le fasi di sollevamento e abbassamento. Nel tentativo di eseguire questa procedura, è molto importante ricordare che un posizionamento accurato dei marker e la palpazione dei punti di repère anatomici sono fondamentali per ottenere risultati validi e affidabili.
È inoltre importante ricordare che questa tecnica è valida solo fino a 120 gradi di elevazione dell'omero.
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Panoramica
Questo rapporto descrive il metodo del cluster di marker acromiale per ottenere la cinematica della scapola mediante un dispositivo passivo di cattura del movimento con marker. Questa tecnica non invasiva consente misurazioni tridimensionali affidabili, riducendo al minimo gli artefatti dovuti al movimento della pelle.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biomeccanica
- Tecnologia di acquisizione del movimento
Sfondo
- La cinematica della scapola è fondamentale per comprendere la meccanica della spalla.
- I metodi tradizionali possono introdurre artefatti a causa del movimento cutaneo.
- Il metodo del cluster di marker acromiale mira a fornire misurazioni accurate.
- Le tecniche non invasive sono preferite negli ambiti clinici e di ricerca.
Scopo dello studio
- Ottenere misurazioni dinamiche della cinematica della scapola.
- Migliorare l'accuratezza delle valutazioni dell'orientamento scapolare.
- Minimizzare l'impatto degli artefatti dovuti al movimento della pelle durante le misurazioni.
Metodi Utilizzati
- Applicare marcatori retroflettenti sul torace e sull'acromion.
- Utilizzare una bacchetta di calibrazione per individuare i punti di repère anatomici della scapola.
- I partecipanti eseguono movimenti di elevazione e abbassamento del braccio.
- Determinare la posizione dei punti di repère scapolari durante movimenti dinamici.
Risultati Principali
- Calibrazione corretta dei punti di repère della scapola rispetto all'acromion.
- Monitoraggio accurato del movimento scapolare durante i movimenti del braccio.
- Dimostrata validità del metodo basato sul raggruppamento di marcatori sull'acromion.
- Riduzione degli artefatti dovuti al movimento cutaneo rispetto ai metodi tradizionali.
Conclusioni
- Il metodo del cluster di marker acromiale è efficace per la misurazione della cinetica scapolare.
- Questo metodo migliora l'affidabilità dei dati acquisiti mediante analisi del movimento.
- Fornisce uno strumento prezioso per ricercatori e clinici nel campo della biomeccanica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
La misurazione accurata della cinematica scapolare dinamica è essenziale per comprendere la biomeccanica della spalla in modelli preclinici di disturbi muscoloscheletrici. Il metodo del cluster di marker acromiali riduce gli artefatti dovuti al movimento cutaneo, migliorando l'affidabilità dei dati per la validazione degli obiettivi nella ricerca riabilitativa. Questo approccio favorisce la riduzione del rischio meccanicistico, consentendo una valutazione quantitativa delle variazioni dell'orientamento scapolare durante il movimento del braccio nelle fasi di elevazione e abbassamento.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Permette l'analisi della meccanica scapolo-toracica in modelli di malattia fornendo misurazioni affidabili della rotazione superiore e dell'inclinazione posteriore.
- Valore operativo: Riduce la variabilità delle misurazioni dovuta all'artefatto cutaneo, aumentando la fiducia nelle valutazioni dell'attivazione del bersaglio.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce output cinetici scapolari standardizzati e riproducibili per la preparazione del saggio in modelli di disfunzione della spalla.
- Valore operativo: Favorisce il riutilizzo della piattaforma in diversi studi attraverso protocolli definiti di calibrazione e raccolta dati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita la continuità traslazionale collegando i modelli di movimento della scapola nella fase di scoperta alla validazione preclinica degli interventi.
- Valore operativo: Consente decisioni di avanzamento aggiustate per il rischio grazie a metriche affidabili di errore delle forme d'onda (ad esempio, 2,7°–4,4° per la rotazione verso l'alto).
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro della biologia della scoperta consentendo la verifica di ipotesi sui contributi scapolo-toracici alla disfunzione della spalla, supportando l'identificazione dei candidati principali mediante fenotipizzazione biomeccanica quantitativa.
- Biologia della scoperta: Supporta la chiarificazione dei percorsi misurando l'orientamento della scapola rispetto al torace durante l'elevazione e l'abbassamento del braccio in più piani.
- Screening: Fornisce dati cinetici normalizzati e pronti per il saggio, espressi in relazione all'angolo di elevazione omerale, per il confronto tra diverse condizioni.
- Analisi: Genera il Coefficiente di Correlazione Multipla (CMC) e metriche di errore delle forme d'onda per quantificare l'affidabilità e guidare le decisioni di avanzamento o interruzione.
- Ricerca traslazionale: Collega i modelli dinamici della scapola alla continuità preclinica validando la coerenza delle misurazioni durante le fasi di elevazione e abbassamento.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità di valutazione biomeccanica riutilizzabile attraverso posizionamento standardizzato dei marker, uso del bastone di calibrazione e flussi di lavoro di modellazione numerica.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nella meccanica scapolo-toracica, riduzione dell'ambiguità meccanicistica nei modelli di disfunzione della spalla.
- Valore operativo: Standardizzazione, riproducibilità e scalabilità della misurazione della cinematica scapolare tra diversi laboratori.
- Valore strategico: Migliori decisioni di avanzamento o interruzione, maggiore efficienza nell'uso del capitale e riduzione del rischio biologico in fase avanzata nei programmi muscoloscheletrici.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione e decisioni di avanzamento corrette per rischio, basate su dati affidabili sulla rotazione superiore (CMC = 0.92) e sull'inclinazione posteriore (CMC = 0.70).
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in biomeccanica, sistemi di acquisizione del movimento e palpazione dei punti di repère anatomici.
- È dipendente da telecamere per l'acquisizione del movimento, marker retro-reflectenti, asta di calibrazione e software di modellazione numerica (ad esempio, MATLAB).
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per il posizionamento dei marker, le procedure di calibrazione e la segmentazione delle fasi (elevazione/abbassamento) mediante soglie di velocità angolare.
- Le considerazioni relative all'adattamento includono la validazione oltre i 120° di elevazione omerale e in presenza di diverse morfologie scapolari.
- I limiti pratici comprendono una affidabilità moderata per la rotazione interna (CMC = 0.53) e un errore maggiore nelle forme d'onda (5,4°–7,3°), che ne limitano l'uso per determinati assi rotazionali.
