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

本研究では、モーションキャプチャを用いて物体のピックアップ動作を解析し、その運動学的要素について詳細な記述を行うことを目的としています。既存の手法では、通常条件下での迅速な動作に関する明確な理解が不足しているため、本プロトコルではベースラインとなるパフォーマンスを確立し、解釈の向上および臨床的適用性を高めます。まず、被験者にシングレットと軽量のショーツを着用するよう指示してください。

被験者が裸足であることを確認します。被験者に対し、検査者から少し離れる方向へ、心地よいと感じる自己選択したペースで歩くよう指示します。その後、同様のペースで検査者の方へ戻って歩くよう指示します。

参加者に、上を向いて頸部を伸展させ、下を向いて頸部を屈曲させ、頭部を左右に回旋させ、そして頭部を両側に側屈させるように誘導します。次に、体を前後に屈曲させ、体を左右に回旋させ、そして両側に側屈させるよう指示します。

すべての動作が快適かつ安全に完了したら、後続のマーカー設置のために、参加者に立ったまま待機するように指示します。参加者が腕を自然に横に下げ、リラックスして直立した姿勢であることを確認してください。後面の解剖学的指標を触診し、T4、T8、T10の棘突起、および左右の後上腸骨棘に順次磁気ベースを配置します。

次に、後上腸骨棘から上外側に約2〜3インチ離れた腸骨稜の後面にマグネットベースを配置します。後方のマグネットベースを配置したら、テープで固定します。その後、被験者に直立した状態で向きを変え、検者が正面に見えるように指示します。

左右の前上腸骨棘を触診し、この指標の上にマグネットベースを固定します。剣状突起の位置を確認し、その上にマグネットベースを配置します。その後、前方にあるマグネットベースをテープで固定します。

被験者に蓋を閉め、直立姿勢に戻るよう指示します。衣服越しに、事前に配置した磁気ベースを触診し、反射マーカーを磁気ベースに順次取り付けます。被験者に検査者から顔を背け、首を前方に曲げるよう指示します。

次に、第7頸椎を特定し、この指標の上に反射マーカーを貼付します。被験者に頭部を中間位に戻し、検査官と向き合うように指示してください。胸骨を特定し、その上に反射マーカーを貼付します。

次に、左右の肩峰を触診し、特定した指標の上に反射マーカーを配置します。被験者に楽な姿勢で座り、右の手のひらを左膝の上に置くよう指示します。右上腕骨の内側上顆と外側上顆を確認し、その上に反射マーカーを配置します。

次に、左肘でも同様の手順を繰り返します。続いて、参加者に両手を太ももの上に心地よく置くよう指示します。橈骨茎状突起と尺骨茎状突起を確認し、これらの指標の上に反射マーカーを貼付します。

同様に、反対側の手首でもこの手順を繰り返します。次に、片手の有頭骨を触診して確認し、その上に反射マーカーを貼り付け、反対側の手でも同様に行います。また、両手の親指の爪と中指に、それぞれ反射マーカーを1つずつ配置します。

被験者を楽に座らせた状態で、右膝の内側および外側大腿凝結を触診し、この指標の上に反射マーカーを固定します。左膝に対しても同様の手順を繰り返します。次に、右足首の内果および外果の位置を確認し、反射マーカーを配置します。

次に、右足の中楔骨、および第1、第2、第5中足骨頭を特定し、各ランドマークに反射マーカーを貼付します。続いて、右足の踵骨結節を触診します。このランドマークに反射マーカーを固定し、左足についても同様にマーカーの貼付を行います。

マーカークラスターを、前腕、手、上腕、大腿、および下腿の各セグメントに両側的に装着します。各クラスターをストラップまたはテープでしっかりと固定してください。次に、前頭骨の眉のすぐ上の位置に反射マーカーを両側的に配置し、続いて側頭骨に配置します。

洗い流し可能なスキンマーカーを使用し、必要に応じて正確に再配置できるよう、皮膚上に配置したすべてのマーカーとクラスターの外形をなぞります。立位姿勢において、マーカーの緩み、クラスターの移動、およびオクルージョン（遮蔽）がないかを確認してください。配置に誤りがある場合は適宜修正し、固定が不十分な箇所はしっかりと固定してください。

問題が確認されなかった場合は、物体ピックアップタスクに進みます。前屈、物体との相互作用、および直立状態への復帰の間、全身が視認できるよう、キャプチャボリュームの周囲にモーションキャプチャカメラを配置してください。遮蔽なくピックアップ動作全体を収容できるよう、十分な大きさのキャプチャボリュームを定義します。

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。すべてのカメラが反射マーカーを明確に検出していることを確認し、キャプチャエリア内に意図しない反射物が存在しないようにしてください。参加者に動作を開始するように指示する前に、モーションキャプチャの記録を開始します。

参加者がタスクを完了した後にのみ、録画を停止してください。次の録画に進む前に、すべてのマーカーが表示されているか録画内容を確認してください。参加者がキャプチャボリューム内で直立していることを確認してください。

被験者に、肘を完全に伸ばし、手のひらを前に向けた状態で、両腕を体から約45度に外転させるよう指示します。1000、2000と声に出して数えながら、2秒間静止するように伝えます。次に、肘を伸ばし、手のひらを下に向けて、両腕をさらに体から約90度まで外転させるよう指示します。

被験者に2秒間静止してもらい、「1000、2000」と声に出して数えるよう指示します。次に、両腕を脇に下げ、リラックスした自然な姿勢で立つよう指示してください。キャプチャボリューム内のあらかじめ定義された位置に、標準化されたオブジェクトを床に配置します。

被験者に、対象物に正対し、自身で選択した快適な姿勢で直立するように指示します。被験者に、快適なペースで床から対象物を拾い上げ、直立姿勢に戻ってそれを手渡すよう指示してください。試行間に対象物を回収して再配置する際は、配置の一貫性を確保するため、床の上で快適な座位または膝立ちの姿勢を維持してください。

参加者に、片手を用いて3回の試行を行うよう指示します。その後、もう一方の手を用いて同様に3回の試行を繰り返します。参加者は、スクワット主導型、ヒンジ主導型、ハイブリッド型の3つの動作戦略グループに分けられました。

年齢、性の分布、身長、または体重において、群間に有意な差は認められませんでした。膝関節屈曲角度は、利き手および非利き手のいずれの条件下においても、大きな効果量とともに群間で有意に異なっていました。足関節のキネマティクスは、利き手および非利き手のいずれの条件下においても、大きな効果量とともに有意な群間差を示しました。

体幹の屈曲は、利き手および非利き手のいずれの条件においても、群間で中程度の効果量で有意な差が認められた。股関節のキネマティクスについては、利き手および非利き手のいずれの条件においても、群間で有意な差は認められなかった。非利き手での物体のピックアップ時には、利き手でのピックアップ時と比較して、左足関節および左膝関節において、大きな効果量でより大きな屈曲が観察された。

利き手と非利き手の条件間で、右足首および左股関節においても大きな効果量で有意差が認められました。一方で、右膝、右股関節、および体幹においては、利き手と非利き手の条件間で有意な差は見られませんでした。本プロトコルを用いることで、スクワット優位、ヒンジ優位、およびハイブリッドパターンのように、物体の持ち上げタスク中に用いられる個別の動作戦略を定量化し、特徴付けることが可能になります。

本手順に続いて実施可能な追加解析には、関節速度、重心動態、および床反力の測定があり、これによりタスクパフォーマンスをより包括的に理解することができます。今後の研究では、我々のモーションキャプチャプロトコルを拡張し、特に筋骨格系疾患に関連する条件下での代償機構を検討することが期待されます。