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

Summary

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。

Abstract

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。

Introduction

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

Protocol

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。

Results

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.......

Discussion

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ピックアップタスク用のボックス	該当なし	該当なし	70mm x 70mm x 70mm(Lx W x H) ポリラク酸(PLA)フィラメント(eSUN;深圳Esun工業有限公司、中国)。
クラスターマーカー	クォリシス、AB	·160146 上半身 ·160145 下半身 ·160149 クラスター用のSuperWrap	クラスターには、上半身(上腕)に2つ、下半身に4つ(太ももに2つ、脛部に2つ)が含まれていました。
クラスターマーカー(カスタム)	該当なし	該当なし	手首(RFA、LFA)と手(RHMC、LHMC)を追跡するためのカスタムデザインのクラスターマーカーは、ポリラクト酸(PLA)フィラメント(eSUN)を使用して3Dプリントされました。深圳Esun工業有限公司、中国)。
コンピュータワークステーション	ジェネリック	NA	Intel Core i9プロセッサ、32GB RAM、10TBハードディスク、NVIDIA RTX2080
両面接着式スキンテープ	クォリシス、AB	160188 両面接着テープ	マーカーのベースを皮膚に取り付ける際
フォースプレート	キスラー	9260AA6式	床の下には2枚のプレート(600×50mm×50mm)が埋め込まれ、それぞれの足に1枚ずつ設置されています。
低アレルギー性接着性スキンテープ	3歳	マイクロポア
マーカーの台座	オプティトラック	M4マーカーベース
モーションキャプチャーシステム	クォリシス、AB	Miqus Video Aqus A12	x2、フルHD / 2 MP解像度、解像度1920 &1080 x12、12 MPで300fps、解像度4096 &3072、FOV 54 & 時間;42 & deg;(モーター駆動)
ネオジム磁石	ジェネリック	該当なし	直径15mm、厚さ1mm
Qualisys Track Manager(QTM)	クォリシス、AB	2019年版	このソフトウェアは実験中の動きを記録し、データの後処理を行います。
レトロリフレクティブマーカー	オプティトラック	12.7 mm(1/2)M4マーカー
ビジュアル3D	HASモーション	2021年版	このソフトウェアは生体力学的モデリングを行い、関連する関節角度の生成に使われます