モーションキャプチャを用いた物体拾取タスクの三次元運動学的特徴付け

サマリー

このプロトコルは、物体の拾取タスクを評価するための標準化された全身動作キャプチャ手法を示し、この共通の機能活動中に異なる動き戦略や補償パターンを定量的に特徴付ける方法を示しています。

要約

物拾いタスクは、体幹、下肢、上肢の協調、バランス、視覚運動制御を一つの生態学的に有効な動きに統合した日常生活の基本的な活動です。関連性があるにもかかわらず、全身モーションキャプチャーを用いた物体ピックアップ戦略を定量的に評価するための標準化されたプロトコルは依然として限られています。このプロトコルの目的は、全身三次元モーションキャプチャを用いて物体拾取タスクを捉え解析する標準化された方法を示し、異なる移動戦略をどのように特定・分類できるかを示すことです。プロトコルは参加者の準備、包括的なマーカー配置、課題の実行、代表的な運動学的分析を詳細に示しています。30人の参加者が物体拾いタスクを行い、その間に14の運動変数が収集されました。移動戦略はスクワット優勢、ヒンジ優勢、ハイブリッドパターンに分類され、連続した動き戦略の連続体上における異なる中間的なアプローチを表しました。代表的な結果は、戦略群間、特に膝と足首の関節運動学に明確な違いを示し、さらに胴体の動きも寄与していることが示されています。利き手と非利き手の状態の違いは、この課題が補償的な動き適応に対して敏感であることをさらに示しています。このプロトコルは、機能的運動中の物体の拾い上げ戦略と全身の協調性を評価するための実践的かつ再現可能な枠組みを提供します。

概要

人間の動きの評価は、筋骨格系および^{機能的健康}の臨床および研究評価において中心的です。従来、動きの評価は主に視覚的観察に依存してきましたが、臨床的には価値があるものの、本質的に主観的であり、評価者の経験に影響され、微妙な協調パターンを一貫して捉える能力には限界があります。マーカーベースのシステムとマーカーレスの両方を含むモーションキャプチャ技術は、アクセスのしやすさを高めながら全身の動きを詳細かつ定量的に検証すること^{を可能にします。}

これらのツールを臨床や研究の場に応用する際には、利用可能なスペース、評価時間、作業のしやすさといった実務的な制約が重要な考慮事項となります。短時間で最小限のセットアップで済みながら、動きの協調に関する豊富な情報を提供する機能的作業は特に価値があります。この文脈で、物体のピックアップタスクは、統合された全身機能を捉えるシンプルで時間効率の良い動きを表します。これはバーグバランススケールに含まれる標準項目であり、関連する客観的バランス指標^6、7、8にも含まれています。

日常生活において、床から物を拾うことは基本的な活動であり、体幹、下肢、上肢の協調的なコントロールとバランス、視覚運動の統合が必要です。この課題は前屈、制御された下降、リーチと掴み、物体の取り扱い、そして立つことへの復帰を一つの連続した動作で組み合わせ、腰椎や下肢の主要関節に意味のある機械的負荷をかけ、上肢の機能と^{姿勢制御を}刺激します。

ピックアップ戦略は長らく労働衛生や人間工学の中心であり、曲げや手作業のトレーニングの基礎を形成しています。また、特に腰痛などの筋骨格系の健康と、寄与的および適応的メカニズムの両方を通じて密接に結びつい^{ています。}さらに、バーグバランススケールおよび関連する客観的バランス指標の項目の中で、ピックアップオブジェクト課題は高齢者において落下者と非落下者を最も強く区別することが示されています¹¹。しかし、日常の機能に関連するにもかかわらず、ピックアップ課題は質的に評価されたり、複合機能検定に組み込まれたりすることが多いため、再現性や定量的解釈が限られ、研究全体で¹²。

全身モーションキャプチャは、機能的課題中の協調的なセグメント運動を詳細に特徴づけ、運動戦略を推論するのではなく客観的に記述することを可能にします¹³。全身運動学を用いたピックアップの動き戦略を捉え分類するための標準化されたプロトコルは限られています。本記事では、全身モーションキャプチャを用いた標準化された物体拾取タスクを実演し、全身運動学に基づいて異なる動き戦略を識別・分類する方法を示しています。

この課題は広範な応用の可能性を持っていますが、本研究は臨床結果の評価よりも、プロトコルの実証や代表的な動き戦略の解説に焦点を当てています。さらに、この課題で用いられる全身マーカーの配置を示し、全身機能的運動分析にゴールドスタンダードのマーカーベースのモーションキャプチャを導入しようとする研究者や臨床医にとって実践的な参考資料を提供します。マーカーベースの全身三次元モーションキャプチャシステムが、包括的な反射マーカーセットを備えて運動学的データを記録しました (図1)。

プロトコル

本研究(IRB-2018-04-014)は、シンガポール南洋理工大学の機関審査委員会により承認され、1964年のヘルシンキ宣言またはそれに類する倫理基準に従って実施されました。参加者全員が参加前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。

1. 参加者の準備

注:この課題は、参加者が床から標準化された物体を快適なペースで拾い上げ、再び立ち上がり、第7節で説明されているようにその物体を手渡すものです。

1. 参加者にシングルレットと軽量ショーツを着用してもらい、反射マーカーの正確な配置と視覚化を図ります(図2A)。
2. 参加者が裸足であることを確認しましょう。
3. 参加者に腕時計などの反射アクセサリーを外すよう指示します。
4. モーションキャプチャシステムで求められる参加者の人体計測(例:身長、体重)を記録し、手の利きを記録します。
   注意:控えめさに制限がある参加者は、シングルレットとショートパンツの代わりに全身モーションキャプチャースーツを使用することがあります。

2. 参加者のスクリーニングと安全確認

1. 参加者に試験官から少し離れた距離を、快適な自己選択の歩幅で歩くよう指示します(図2B)。
2. 参加者に同じペースで振り返り、試験官の方へ歩いて戻るように指示します(図2C参照)。
3. 両方の歩行指示で参加者を観察し、補助なしで歩き、回転し、バランスを保てるかを確認しましょう。
4. 参加者に次の動きを順番に行わせます:上を見て首を伸ばす、下を見て首を曲げる、頭を左右に回転させ、頭を両側に傾ける(図2D)。
5. 参加者に次の動作を順番に行わせます:体を前方に曲げる、体を後ろに曲げる、体を左右に回転させる、そして両側に横に曲げる(図2E)。
6. 参加者が指示に従い、不快感や明らかな制限なくすべての動きを行う能力を観察してください。
7. 移動制限や困難が見られた場合は、手続き前に記録してください。
8. 参加者がすべての動作を快適かつ安全に終えたら、次のマーカー設置のために立ったままの姿勢を指示します。
   注:この簡単なスクリーニングは、参加者の安全、指示の実行能力、そしてタスク実行前に明らかな動きの制限を確認するために行われます。この段階ではモーションキャプチャデータの記録はなく、スクリーニングは診断評価やアウトカム測定を目的としたものではありません。

3. 全身のマーカーの配置

1. 参加者に試験官から背を向けるよう指示します。
2. 参加者がリラックスした姿勢で立っているかを確認し、腕は自然に体の横に置かれるようにしてください。
   注:全身の運動学を捉えるために、解剖学的ランドマークと10のセグメントクラスターに合計50個の反射マーカーが設置されました。
3. 触診後方解剖学的ランドマークを触診し、磁気基部を順にT4、T8、T10棘突起、左右後上腸骨棘(PSIS)、およびPSISより約2〜3インチ上方の腸骨娴後面に配置します(図3A)。
4. 後方磁気ベースを位置決めた後、テープで固定します(図3B)。
5. 進行前に、正中ラインの位置、両側の対称性、参加者の快適さを目で確認してください。
6. 参加者に立ち直ったまま振り返って試験官に向き直るよう促します。
7. 左右前上腸骨棘(ASIS)を触診し、磁気基を両側に置きます。
8. 刀突起を触診し、このランドマークの上に磁気基を置く。
9. 前方の磁気ベースをテープで固定してください。
10. 参加者にトップを着直して、再び直立姿勢に戻るように言います。
11. 以前に置かれた磁気ベースを衣服を通して触診し、反射マーカーを順次磁気ベースに取り付けます(図3C)。
12. すべての反射マーカーが対応する磁気ベースにしっかり固定され、見える状態に保たれていることを確認してください。
13. 参加者に試験官から背を向け、首を前に曲げるよう促します。
14. 第7頸椎(C7)を触診し、この ランドマーク(図4A)に反射マーカーを置きます。
15. 参加者に中立の頭の位置に戻り、試験官の方を向くよう指示します。
16. 胸骨を触診し、この目印の上に反射マーカーを置いてください。
17. 左右の肩峰突起を触診し、反射マーカーを両側に配置します(図4B)。
18. 参加者に楽な姿勢で座るように言い、右手のひらを左膝の上に置きます。
19. 右上腕骨の内側および外側上顆を触診し、両方のランドマークの上に反射マーカーを置きます。
20. 左肘についても同じ手順を繰り返します(図4C)。
21. 参加者に両手を太ももに快適に置くように言います。
22. 橈骨および尺骨茎突起を触診し、反射標識を両側に配置します(図4D)。
23. 手の頭骨を触診し、その目印の上に反射マーカーを置きます。
24. 両手の親指爪に反射マーカーを1つずつ、薬爪に1つずつ置きます(図5A、B)。
25. 参加者が快適に座った状態で、右膝の内側および外側大腿蓋頭を触診し、両ランドマークの上に反射マーカーを置きます(図5C)。
26. 左膝の手術を繰り返します。
27. 右足首の内側および外側の大槌を触診し、両方のランドマークに反射マーカーを置きます(図5D)。
28. 左足首にも同じ手順を繰り返します。
29. 右足の第1、第2、第5中足骨の頭を触診し、それぞれのランドマークの上に反射マーカーを置いてください。
30. 右足の中間楔形を触診し、反射するマーカーを置いてください。
31. 右足の脚骨結節を触診し、反射するマーカーを置いてください。
32. 足印の設置を完了するために左足のステップ29–31を繰り返します(図6A)。
33. 前腕、上腕、手、太もも、脚(すくま)の節に両側にマーカークラスターを取り付けます(図6B-D)。
34. 各クラスターはストラップやテープでしっかりと固定してください。
35. 参加者に試験官の方を向いて立って、まっすぐ前を見るように言います。
36. 眉のすぐ上、前頭骨に反射マーカーを両側に置きます。
37. 側頭骨に両側に反射マーカーを配置します(図7A)。
38. すべてのマーカーやクラスターを目視で点検し、正しい配置、対称性、視認性を確認してください。
39. 作業実行中の移動や剥離を防ぐため、すべてのマーカーベースをテープで固定してください。
40. 皮膚に直接置かれたすべてのマーカー(磁気ベースなし)および皮膚上に置かれたクラスターについては、洗浄可能な皮膚マーカーを使ってそれぞれの位置を輪郭として描き、配置を記録し、必要に応じて一貫した再配置を容易にします(図7B)。
41. 立っている時の緩いマーカー、群集の動き、閉塞がないか確認してください。
42. 必要に応じて配置ミスや不安定な取り付け箇所を修正してください。
43. 問題が見つからなければ、オブジェクトピックアップ作業に進みます。
    注:上記のマーカー配置は、当研究室で使われている全身運動学的オブジェクトピックアップ作業のワークフローを反映しています。異なるマーカーセットは研究所間で使用されることがありますが、解剖学的ランドマークの識別、一貫性、検証の原則は依然として不可欠です。

4. モーションキャプチャシステムのセットアップ

1. 前屈み、物体との相互作用、立ち上がる際の全身の視認性を確保するために、キャプチャボリュームの周りにモーションキャプチャカメラを配置してください。
2. オクルージョンなしにピックアップの動きを全て収容できる十分なキャプチャボリュームを定義してください。
3. メーカーのガイドラインに従ってモーションキャプチャシステムを校正し、グローバル座標系を確立します。
4. すべてのカメラが反射マーカーを明確に検出し、撮影エリア内に意図しない反射物がないか確認してください。
   注意:このシステムのセットアップは通常、参加者のマーカー設置の前または並行して行われますが、別のスタッフが行います。下肢、胴体、上肢の十分なカバーは、ピックアップ作業の全動作シーケンスを捉えるために不可欠です。

5. データ取得

1. 動作を指示する参加者より先にモーションキャプチャの記録を開始します。
2. 参加者が課題を完了した後にのみ録画を停止してください。
3. 次の録音に進む前に、すべてのマーカーが録音に揃っているか確認してください。
4. 希望する録画数を同じ手順で繰り返します。
   注:連続記録により、すべての作業フェーズを完全に記録でき、移動中の記録開始・停止時に発生する分割エラーを回避できます。

6. 静的裁判

1. 参加者にキャプチャボリューム内で直立するよう促します。
2. 参加者に両腕を体から約45度の角度に外転させ、肘を完全に伸ばし、手のひらを前方に向けて指示します(図8A)。
3. 参加者に2秒間じっとしていてもらい、試験官が声に出して「1000、2000」と数えます。
4. 参加者に両腕を体から約90度にさらに外側に引き、肘は伸ばしたまま、手のひらは下向きにするよう指示します(図8B)。
5. 参加者に2秒間じっとしていてもらい、試験官が声に出して「1000、2000」と数えます。
6. 参加者に両腕を横に下ろし、リラックスしたニュートラルな姿勢で立つよう指示します(図8C)。
   注:静的キャリブレーション試験は、セグメント座標系の確立、上肢関節の定義改善、動的タスク実行前のマーカーの可視性を確認するために実施されます。

7. オブジェクトピックアップタスク

1. キャプチャボリューム内のあらかじめ決められた場所に標準化されたオブジェクトを床に置きます。
2. 参加者に、楽な自己選択の姿勢で直立し、対象物に向き直るよう促します(図9A)。
3. 参加者に次の指示を与え てください:「床から物を快適なペースで持ち上げ、立ち上がって物を手渡してください。」
4. 床に座るかひざまずく姿勢で快適に体勢を整え、試行間に物体を取り戻して位置を変え、一定の配置を確保しましょう。
5. 必要に応じて、参加者に1回の慣熟試験を実施させてください。
6. 参加者に片手で3つの試行を行うよう指示します(図9B、C)。
7. 参加者にもう一方の手を使って3回の試行を繰り返すよう指示します(図9D)。
8. 疲労を最小限に抑えるために、必要に応じて試験間に短い休憩を取りましょう。
   注意:物体の拾い上げ行動に自然な変化をもたらすための移動戦略に関する指示は一切ありません。このプロトコルは運動学的解析に焦点を当てていますが、運動学データが必要な場合はフォースプレート上でも作業を行うことができます。そのような場合、参加者はフォースプレートに合わせたあらかじめ定められた領域内に立ち、それぞれのフォースプレートに足を置くよう指示されます。

8. データクリーニング、ラベリングおよび後処理

1. Liangらによると、Qualisys Track Manager(QTM)ソフトウェアを使ってマーカーにラベルを付け^{てください。}
2. 軌道エディタ機能を使って、静止ファイルとモーションファイルの両方から欠落したマーカーデータを補間します。すべてのマーカーが100%満たされていることを確認してください。
3. 自動マーカー識別(AIM)機能を用いてモデルを作成し、後続の試験にラベル付けする。
4. クリーンになったデータを.c3dファイルとしてエクスポートします(図10)。
5. .c3dファイルをVisual 3D(V3D)Professionalソフトウェアにインポートします。
6. モーションファイルを適切なキャリブレーション(静的)ファイルに割り当てます。
7. すべての生マーカーデータにバターワースローパスフィルター(6Hz)を適用します。
8. モデルファイル (補足ファイル1) を適用して、静的ファイルと割り当てられたモーションファイル¹⁴にハイブリッドモデルを実装します。
9. モデルベースデータ関数を用いて必要な結合角を計算します。
   注:モデルファイルは、読者がモデルを再現できるように補 足ファイル1 として提供されています。モデルを使うには、ファイル拡張子を「.txt」から「.mdh」に名前を変えてください。データラベリング、モデル作成、フィルタリング、関節角度計算の具体的な手順は、使用するモーションキャプチャや生体力学解析ソフトウェアによって異なる場合があります。

9. 動きの位相の定義

1. V3D内で作成されたカスタム開発パイプラインを適用し、6回の繰り返しを3つの異なるフェーズに分割します:1) 降下、2) 上昇、3) オブジェクトハンドオーバー (表1)(図11))。
2. 右手首のマーカーの軌道を評価して右・左のオブジェクト拾いを定義し、カスタム開発されたパイプライン(図12A、B)に組み込みます。
3. 同じパイプライン内で、先に特定した下降・上昇の動作を用いて、胴体、股関節、膝関節、足首関節の最大矢状面角度をエクスポートし、これらの結果を左右(例:左股関節屈曲、右股関節屈曲)および利き手と非利き手で分離してピックアップ作業を行います。
   注:マーカーの変位や関節運動学は、異なる相の分割信号として推奨されます。作業の実行における動きのばらつきを考慮し、ノイズを克服するために大きな変位の信号を選ぶことが推奨されます。

10. ピックアップ戦略の分類

1. 下降段階で体幹および下肢の運動学を調べます。
2. 体幹の屈曲と下肢関節の動きの相対的な寄与に基づいて、ピックアップ戦略を以下のカテゴリーに分類します。
   1. スクワット優勢 (図13A)
   2. ヒンジ優勢 型(図13B)
   3. ハイブリッド (図13C)
      注:オブジェクトピックアップタスクは複数の生体力学的、神経運動的、協調性に関連する結果の解析を支援する可能性がありますが、本プロトコルは特に体幹や下肢の動きパターンに基づいてピックアップ戦略を識別・分類できることを示し、規範的な参照を提供することに焦点を当てています。

結果

30人の参加者が物体拾いタスクを実施し、その間に14の運動変数が収集されました。参加者はその後、3つの戦略グループに分類され、それぞれ異なる中間的なアプローチを挙げる動き戦略の連続体に分類されました。グループ1はスクワット優勢、ヒンジ優勢(グループ2)、ハイブリッド戦略(グループ3)と解釈されました。年齢、性別分布、身長、体重に関してグループ間で統計的に有意な差は認められませんでした (表2)。参加者全員が右利きでした。

対象物のピックアップ作業中のグループ別平均関節運動学が集計されました (表3)。群間の差は、利き手・非利き手の両方で膝関節と足首関節で最も顕著でした。膝の屈曲角度は群間で有意に異なり(すべての p が0.001<、効果量は大きいです。同様に、足首関節運動学では、疾患間で有意なグループ差(すべての p < 0.001)が示され、効果量も大きいことが示されました。利き手と非利き手の両方で、主手と非利...

ディスカッション

このプロトコルは、全身三次元モーションキャプチャを用いて物体拾取タスクを捉え解析するための標準化されたアプローチを示し、異なる移動戦略を定量的に特徴付ける方法を示しています。参加者は意図的に選抜され、サンプル内で観察された明確かつ中間的な動きの戦略パターンを代表するようにグループ化されました。関節運動学の目視検査では、膝屈曲の大きさが主な差異化特徴であり、中間症例では重複が観察されました。したがって、戦略はスクワット優勢、ヒンジ優勢、ハイブリッドとして解釈され、離散的な生体力学的クラスではなく、連続的な動きのアプローチを反映しています¹⁵。

これらの戦略グループ内で分析すると、関節運動学に明確な違いが観察され、特に膝と足首で顕著な区別が見られ、胴体の動きも加えて寄与しました。非利き手使用時に観察される左膝の屈曲増加と足首の背屈は、二次的な課題関連の適応を示し、四肢間の協調性の低下と下肢の屈曲の代償的増加を反映している可能性があります。これらの発見は、物体のピックアップ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Box for Pick up task	N/A	N/A	70mm x 70mm x 70mm (Lx W x H) ポリ乳酸（PLA）フィラメント（eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co.、中国）を使用して3Dプリント。
Cluster markers	Qualisys, AB	· 160146 Upper body · 160145 Lower body · 160149 SuperWrap for cluster	クラスターには2つの上半身クラスター（上腕）と4つの下半身クラスター（大腿に2つ、ふくらはぎに2つ）が含まれていました。
Cluster markers (custom)	N/A	N/A	手首（RFA、LFA）と手の追跡用にカスタム設計されたクラスターマーカー（RHMC、LHMC）は、ポリ乳酸（PLA）フィラメント（eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co.、中国）を使用して3Dプリントされました。
Computer workstation	Generic	NA	Intel Core i9プロセッサー、32 GB RAM、10 TBハードディスク、NVIDIA RTX2080
Double-sided adhesive skin tape	Qualisys, AB	160188 Double-sided adhesive tape	マーカーベースを肌に貼り付けるために
Force plate	Kistler	Type 9260AA6	床の下に埋め込まれた2枚のプレート（600 × 500 x 50 mm）で、1枚は各足に対応しています。
Hypoallergenic adhesive skin tape	3M	Micropore
Marker base	Optitrack	M4 Marker base
Motion capture system	Qualisys, AB	Miqus Video Aqus A12	x2, Full HD / 2 MP, Resolution 1920 × 1080 x12, 12 MP 300fps, Resolution 4096 × 3072, FOV 54 × 42 °(motorized)
Neodymium Magnets	Generic	N/A	直径15mm、厚さ1mm
Qualisys Track Manager (QTM)	Qualisys, AB	Version 2019	ソフトウェアは実験中の動きを記録し、データの後処理を実行するために使用されます。
Retroreflective markers	Optitrack	12.7 mm (1/2) M4 Markers
Visual3D	HAS-Motion	Version 2021	ソフトウェアは生体力学モデリングを行い、関連する関節角度を生成するために使用されます