Method Article

Kinematische analyse met behulp van 3D Motion Capture van drinken taak in mensen met en zonder bovenste extremiteit bijzondere waardeverminderingen

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

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

Dit protocol beschrijft een objectieve methode om te evalueren van de prestaties van de beweging en de sensomotorische functie van de bovenste extremiteit toegepast op personen met een beroerte en gezonde controles. Een gestandaardiseerde testprocedure, Kinematische analyse en resultaten variabelen voor drie-dimensionale motion-video vastleggen van het drinken van taak worden geleverd.

Abstract

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

Kinematische analyse is een krachtige methode om een objectieve beoordeling van de bovenste extremiteit bewegingen in een driedimensionale (3D) ruimte. Drie-dimensionale motion-video vastleggen met een opto-elektronische camerasysteem wordt beschouwd als gouden standaard p.a. kinematische beweging en wordt steeds meer gebruikt als resultaat maatregel ter beoordeling van de prestaties van de beweging en de kwaliteit na een verwonding of ziekte met betrekking tot de bewegingen van de bovenste extremiteit. Dit artikel beschrijft een gestandaardiseerd protocol voor Kinematische analyse van het drinken van taak toegepast bij personen met een beperking van de bovenste extremiteit na een herseninfarct. Het drinken taak neemt bereiken, grijpen en heffen een kopje uit een tabel te nemen van een drankje, de cup terug te plaatsen en de hand terugkeerde naar de rand van de tafel. De zithouding is gestandaardiseerd aan de lichaamsgrootte van het individu en de taak wordt uitgevoerd in een comfortabele zelfstudie snelheid en compenserende bewegingen niet beperkt. De bedoeling is om de taak natuurlijke en dicht bij een real-life situatie ter verbetering van de ecologische validiteit van het protocol. Een opname van 5-camera bewegingssysteem wordt gebruikt voor het verzamelen van 3D coördinaat posities van 9 retroreflective markeringen geplaatst op anatomische monumenten van de arm, de romp en het gezicht. Een eenvoudige enkele marker plaatsing wordt gebruikt om de haalbaarheid van het protocol in klinische instellingen. Op maat gemaakte Matlab-software biedt automatische en snelle analyses van verkeer gegevens. Temporele kinematica van beweging tijd, snelheid, piek snelheid, tijd van piek snelheid en gladheid (aantal eenheden van de beweging) samen met ruimtelijke hoekige kinematica van schouder en elleboog gezamenlijke evenals kofferbak bewegingen worden berekend. Het drinken taak is een geldige beoordeling voor personen met matige en milde bovenste extremiteit bijzondere waardevermindering. De constructie, de discriminerende en gelijktijdige geldigheid samen met responsiviteit (gevoeligheid te veranderen) van de kinematische variabelen verkregen de drinken taak zijn vastgesteld.

Introduction

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

Kinematische analyse beschrijft de bewegingen van het lichaam door ruimte en tijd, inclusief lineaire en hoekige verplaatsingen, snelheden en versnellingen. De opto-elektronische motion capture systemen gebruiken meerdere high-speed camera's die ofwel verzenden uit infrarode lichtsignalen om vast te leggen van de reflecties van passieve markeringen op het lichaam geplaatst of de beweging vanaf actieve markeringen met infrarood verzenden emitting diodes. Deze systemen worden beschouwd als 'gouden standaard' voor de verwerving van kinematische gegevens1. Deze systemen worden gewaardeerd voor hun hoge nauwkeurigheid en flexibiliteit in metingen van uiteenlopende taken. Kinematische maatregelen hebben aangetoond effectief te zijn in het vastleggen van kleinere veranderingen in beweging prestaties en kwaliteit die worden met traditionele klinische ongemerkt kan schalen2,3. Er is gesuggereerd dat kinematica voor onderscheid tussen echte recovery (herstel van de premorbid beweging kenmerken) en het gebruik van compenserende (alternatieve) bewegingspatronen tijdens de vervulling van een taak4, moet worden gebruikt 5.

Bovenste extremiteit bewegingen kunnen worden gekwantificeerd aan de hand van eindpunt kinematica, over het algemeen verkregen van een marker van de hand, en hoekige kinematica van gewrichten en segmenten (dwz., stam). Eindpunt kinematica bieden informatie over trajecten, snelheid, temporele verkeer strategieën, precisie, rechtheid en gladheid, terwijl hoekig kinematica kenmerkt bewegingspatronen in termen van temporele en ruimtelijke joint en segment hoeken, angular snelheden en interjoint coördinatie. Eindpunt kinematica, zoals verkeer tijd, snelheid en gladheid zijn effectief om vast te leggen van de tekorten en de verbeteringen in de prestaties van de beweging na beroerte6,7,8 en hoekige kinematica Toon of de bewegingen van de gewrichten en het lichaam segmenten zijn optimaal voor een specifieke taak. Kinematica van mensen met een beperking worden vaak vergeleken met verkeer prestaties in individuen zonder bijzondere waardeverminderingen8,9. Eindpunt en hoekige kinematica zijn gecorreleerd op een manier dat een beweging uitgevoerd met effectieve snelheid, gladheid, en precisie goede bewegingscontrole, coördinatie en gebruik van effectieve en optimale bewegingspatronen vergt. Bijvoorbeeld een patiënt met een beroerte die beweegt langzaam meestal ook shows daalde gladheid (toegenomen aantal eenheden van de beweging), verlaag maximale snelheid en kofferbak verplaatsing8verhoogd. Aan de andere kant, misschien verbeteringen in eindpunt kinematica, zoals de snelheid van beweging en de gladheid optreden onafhankelijk van de veranderingen van compenserende verkeer strategieën van romp en arm10. Vaststaat dat Kinematische analyse aanvullende en meer nauwkeurige informatie bevatten kan over hoe de taak is volbracht na een verwonding of ziekte, die op zijn beurt essentieel voor een geïndividualiseerde effectieve behandeling is naar het bereiken van optimale motor herstel 11. Kinematische analyse wordt steeds meer gebruikt in klinische studies voor het beschrijven van de bewegingen in de bovenste extremiteit gehandicapten na beroerte8,9, om te evalueren van de motor herstel7, 12,13 of om te bepalen van de effectiviteit van therapeutische interventies10,14.

Verkeer taken vaak bestudeerd in lijn zijn aan te wijzen en te bereiken, hoewel het gebruik van functionele taken die gebruikmaken van de manipulatie van echte alledaagse voorwerpen1 groeit. Aangezien kinematica van bereiken, is afhankelijk van de experimentele beperkingen zoals de selectie van objecten en het doel van de taak15, is het essentieel om te beoordelen van bewegingen tijdens doelgericht en functionele taken waarin de reële moeilijkheden in iemands dagelijks leven zal nauwer worden weerspiegeld.

Dus, het doel van dit document is bedoeld als een gedetailleerde beschrijving van een eenvoudige gestandaardiseerde protocol voor Kinematische analyse van een doelgerichte en functionele taak, taak, toegepast op personen met een beperking van de bovenste extremiteit in acute en chronische stadia drinken na een herseninfarct. Resultaten van de validatie van dit protocol voor personen met matige en milde beroerte bijzondere waardevermindering zal worden samengevat.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Alle methoden die hier worden beschreven hebben uitgemaakt van de studies die zijn goedgekeurd door de regionale ethische Review Board in Göteborg, Zweden (318-04, 225-08).

1. het opzetten van de Motion Capture System

  1. 4 camera's monteren op de muur ongeveer 1.5-3 m uit de buurt van het gebied van de meting op het hoogtepunt van 1,5 tot 2,5 m geconfronteerd met het gebied van de meting. Een camera monteren op plafond net boven het gebied van de meting (Figuur 1). Start het camerasysteem.
  2. Plaats de L-vorm kalibratie frame op de tafel met de korte as in overeenstemming met de rand van de tafel en de lange as wijst naar voren.
    Opmerking: Het coördinatensysteem wordt gedefinieerd met de X-axes naar voren gericht (anteriorly in het sagittale vlak), y-as geregisseerd lateraal (in het frontale vlak) en z-as naar boven gericht (superiorly, loodrecht op het transversale vlak).
  3. Open de 3D bijhouden en data acquisitie software (Track Manager), kalibratie starten door het selecteren van vangen | Kalibreren, voer de kalibratie-tijd van 30 s en klik op OK.
  4. Verplaats het toverstokje in alle richtingen gedurende de gehele meting gebied (75 × 75 × 65 cm) boven de stoel en de tabel om ervoor te zorgen dat alle 5 camera's de toverstaf in zoveel richtingen als mogelijk16,17 vangen. Na het kalibreren Toon de resultaten op het scherm. Accepteren kalibratie storingswaarden minder dan 0,5 mm.
  5. Onderwerp hebben, dragen een mouwloos top, zitten in een in een hoogte verstelbare stoel met hun rug tegen de chair´s terug, de bovenarm in neutrale geadduceerd positie, de palm van de hand aan de tafel en de pols rust uitgelijnd op de rand van de tabel. Controleer of de knie-, heup- en elleboog hoeken ongeveer 90 zijn °.
  6. Plaats de passieve markeringen van retroreflective met dubbele-plakband op het skelet bezienswaardigheden18 geteste enerzijds (derde gezamenlijke metacarpophalangeal), (styloid proces van de ellepijp) pols, elleboog (laterale epicondylus), rechter en linker schouder (middelste deel van acromion), thorax (bovenste gedeelte van het borstbeen), en voorhoofd (inkeping tussen wenkbrauwen).
  7. Plaats twee markeringen op de cup (bovenste en onderste rand).

2. procedures voor de Motion Capture van de drinken taak

  1. Schakel de hard-plastic kop (diameter van 7 cm, hoogte 9,5 cm) met 100 mL water 30 cm vanaf de rand van de tabel, in de middellijn van het lichaam. De positie van de cup op de tabel is opzettelijk ingeschakeld blijven de taakprestaties natuurlijke en dicht bij de real-life situatie.
  2. Het onderwerp voor het uitvoeren van het drinken van de taak in een comfortabele zelfstudie snelheid door i) bereiken en het grijpen van de cup, ii) opheffing van de cup uit de tabel richting mond, iii) nemen van een drankje (één slokje), iv) het plaatsen van de cup weer op tafel achter een duidelijke lijn (30 cm vanaf het tabblad vragen Le rand), en v) terug te keren naar de oorspronkelijke positie met de hand aan de rand van de tabel.
  3. Ervoor zorgen dat onderwerp de instructies begrijpt en de cup comfortabel met de minder getroffen arm kan bereiken zonder voorover.
  4. Voorafgaande elke opname, zorgen dat de beginpositie (aanvangspositie) klopt, vragen het onderwerp klaar, de opname handmatig te starten en verbale instructie geven "kunt u beginnen nu."
  5. Wanneer het onderwerp is de taak voltooid, stopt de opname handmatig.
  6. Opnemen van vijf proeven met korte pauze tussen elk experiment (ongeveer 30 s), beginnen met het minder getroffen arm.
  7. Controleer dat de data-acquisitie succesvol is geweest (95-100% gegevens voor elke geïdentificeerde marker).
    Opmerking: Marker gegevens automatisch verzonden real-time op de data acquisitie software (Track Manager). Een vooraf gedefinieerde automatische identificatie van de Marker (AIM)-model wordt gebruikt voor automatische identificatie van de markers.
  8. Bij onvolledige gegevens worden aangetroffen, uitvoeren van extra na vaststelling van het probleem en het aanpassen van de vergadering of marker posities om ervoor te zorgen volledige zichtbaarheid van de markers om het verkrijgen van ten minste 3 succesvolle proeven.
    Opmerking: Mogelijke problemen die kunnen optreden zijn dat markeringen af vallen kunnen of ze van de camera's kijkhoek, wat in onvolledige gegevens resulteert zijn geroteerd. Echter, de camera recht en de markeerdraad set-up, zoals gebruikt in dit protocol, produceert gegevensverlies ten gevolge van verschillen slechts in zeer zeldzame gevallen. In totaal duurt de motion capture sessie ongeveer 10-15 min om te voltooien.

3. de gegevensanalyse

  1. Overdracht van de opgenomen gegevens van de Manager van de Track rechtstreeks in Matlab door te klikken op bestand | Exporteren | Rechtstreeks in Matlab.
  2. De Matlab-opdracht bij de opdrachtprompt: (>> werkruimte) om te zien de set Matlab variabelen.
    Opmerking: Toets Matlab variabelen met gegevens die moeten worden gebruikt in de instructies en het creëren van de analyse zijn:
    QTMmeasurements.Frames - het aantal opgenomen frames
    QTMmeasurements.FrameRate - het aantal frames per seconde (240) gevangen
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Count - aantal etiketten (10)
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Labels - etiketten zoals gedefinieerd in de Track-Manager
    QTMmeasurements.Trajectories.Labeled.Data - meetgegevens in een 3D-array van 10 x 3 x aantal frames, waar voor elk frame en elk etiket de 3 coordinaten zijn opgenomen
  3. In Matlab, filteren de x, y, z-waarden met behulp van de (boter) en (filtfilt) instructies met een 6 Hz tweede-orde Butterworth filter in zowel vooruit en omgekeerde richtingen, geven van een nul-fase vervorming en weer-volgorde filteren.
    Opmerking: voorbeeld
    [b, een] = boter (2, 6/240/2); % Grensfrequentie 6Hz en met betrekking tot ½ sampling-frequentie
    xfiltered = filtfilt (b, a, QTMmeasurements.Trajectories.Labeled(1,1,:));
  4. In Matlab, een programma met de x, y, z-waarden voor elk frame monster en elk etiket te berekenen de kinematische variabelen zoals tangentiële snelheid van de hand, en gezamenlijke hoeken te maken. De kinematische variabelen staan in tabel 2.
  5. In Matlab, maken een programma te breken van de volgorde van de monsters in 5 logische fasen: bereiken, toekomen, vervoer, drinken, vervoer terug en de hand terug te keren naar de oorspronkelijke positie (Figuur 2). Definities voor begin en einde van elke fase zijn toonde in detail in tabel 1.
  6. Gebruik de instructie (perceel) percelen van posities, snelheden, gewrichten hoeken en hoek-hoek diagrammen maken in Matlab.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Het protocol beschreven in dit artikel is toegepast op personen met een beroerte en gezonde controles2,6,8,19,20,21. In totaal hebben kinematische gegevens uit 111 personen met streek- en 55 gezonde controles in verschillende studies zijn geanalyseerd. De waardevermindering van de bovenste ext...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Het protocol kan met succes worden gebruikt te kwantificeren van de beweging prestaties en kwaliteit bij personen met gematigde en milde bovenste extremiteit sensomotorische bijzondere waardeverminderingen in alle stadia na een herseninfarct. De haalbaarheid van dit protocol is bewezen in een klinische omgeving zo vroeg als 3 dagen slag post, en toonde aan dat het systeem kan worden gebruikt door opgeleide gezondheidswerker zonder specifieke technische kwalificaties. Technische expertise is, echter nodig om te creëren en...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

Speciale dank aan Bo Johnels, Nasser Hosseini, Roy Tranberg en Patrik Almström voor hulp bij de inleiding van dit project. De gegevens van het onderzoek gepresenteerd in dit protocol werd verzameld in het universiteitsziekenhuis van Sahlgrenska.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5 camera optoelectronic ProReflex Motion capture system (MCU 240 Hz)Qualisys AB, Gthenburg, SwedenN/ABewegingsanalysesysteem met passieve retroreflectieve markers
MarkersQualisys AB, Gthenburg, SwedenN/ARetroreflectieve passieve cirkelvormige markers, diameter van 12 mm
Calibratiekader en toverstokQualisys AB, Gthenburg, SwedenN/AL-vormig kalibratiekader (definieert de oorsprong en oriëntatie van het coördinatensysteem); T-vormige toverstok (300 mm)
Qualisys Track ManagerQualisys AB, Gthenburg, SwedenN/A3D Tracking software
MatlabMathworks, Inc, Natick, CaN/ASoftware voor data-analyse

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Alt Murphy, M., Häger, C. K. Kinematic analysis of the upper extremity after stroke - how far have we reached and what have we grasped? Physical Therapy Reviews. 20 (3), 137-155 (2015).
  2. Bustren, E. L., Sunnerhagen, K. S., Alt Murphy, M. Movement Kinematics of the Ipsilesional Upper Extremity in Persons With Moderate or Mild Stroke. Neurorehab Neural Re. 31 (4), 376-386 (2017).
  3. Sivan, M., O'Connor, R. J., Makower, S., Levesley, M., Bhakta, B. Systematic review of outcome measures used in the evaluation of robot-assisted upper limb exercise in stroke. J Rehabil Med. 43 (3), 181-189 (2011).
  4. Demers, M., Levin, M. F. Do Activity Level Outcome Measures Commonly Used in Neurological Practice Assess Upper-Limb Movement Quality? Neurorehab Neural Re. 31 (7), 623-637 (2017).
  5. Levin, M. F., Kleim, J. A., Wolf, S. L. What do motor "recovery" and "compensation" mean in patients following stroke? Neurorehab Neural Re. 23 (4), 313-319 (2009).
  6. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Responsiveness of Upper Extremity Kinematic Measures and Clinical Improvement During the First Three Months After Stroke. Neurorehab Neural Re. 27 (9), 844-853 (2013).
  7. van Dokkum, L., et al. The contribution of kinematics in the assessment of upper limb motor recovery early after stroke. Neurorehab Neural Re. 28 (1), 4-12 (2014).
  8. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Kinematic variables quantifying upper-extremity performance after stroke during reaching and drinking from a glass. Neurorehab Neural Re. 25 (1), 71-80 (2011).
  9. Subramanian, S. K., Yamanaka, J., Chilingaryan, G., Levin, M. F. Validity of movement pattern kinematics as measures of arm motor impairment poststroke. Stroke. 41 (10), 2303-2308 (2010).
  10. Michaelsen, S. M., Dannenbaum, R., Levin, M. F. Task-specific training with trunk restraint on arm recovery in stroke: randomized control trial. Stroke. 37 (1), 186-192 (2006).
  11. Kwakkel, G., et al. Standardized measurement of sensorimotor recovery in stroke trials: Consensus-based core recommendations from the Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable. Int J Stroke. 12 (5), 451-461 (2017).
  12. Wagner, J. M., Lang, C. E., Sahrmann, S. A., Edwards, D. F., Dromerick, A. W. Sensorimotor impairments and reaching performance in subjects with poststroke hemiparesis during the first few months of recovery. Phys Ther. 87 (6), 751-765 (2007).
  13. van Kordelaar, J., van Wegen, E., Kwakkel, G. Impact of time on quality of motor control of the paretic upper limb after stroke. Arch Phys Med Rehab. 95 (2), 338-344 (2014).
  14. Thielman, G., Kaminski, T., Gentile, A. M. Rehabilitation of reaching after stroke: comparing 2 training protocols utilizing trunk restraint. Neurorehab Neural Re. 22 (6), 697-705 (2008).
  15. Armbruster, C., Spijkers, W. Movement planning in prehension: do intended actions influence the initial reach and grasp movement? Motor Control. 10 (4), 311-329 (2006).
  16. Qualisys. Qualisys Track Manager user manual. , Qualisys Medical AB. Gothenburg. (2008).
  17. Alt Murphy, M., Banina, M. C., Levin, M. F. Perceptuo-motor planning during functional reaching after stroke. Exp Brain Res. , (2017).
  18. Sint Jan, S. V. Color atlas of skeletal landmark definitions : guidelines for reproducible manual and virtual palpations. , Churchill Livingstone. (2007).
  19. Alt Murphy, M., Sunnerhagen, K. S., Johnels, B., Willen, C. Three-dimensional kinematic motion analysis of a daily activity drinking from a glass: a pilot study. J Neuroeng Rehabil. 3, 18(2006).
  20. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Movement kinematics during a drinking task are associated with the activity capacity level after stroke. Neurorehab Neural Re. 26 (9), 1106-1115 (2012).
  21. Alt Murphy, M. Development and validation of upper extremity kinematic movement analysis for people with stroke. Reaching and drinking from a glass. , University of Gothenburg. Doctor of Philosophy (Medicine) thesis (2013).
  22. Persson, H. C., Alt Murphy, M., Danielsson, A., Lundgren-Nilsson, A., Sunnerhagen, K. S. A cohort study investigating a simple, early assessment to predict upper extremity function after stroke - a part of the SALGOT study. BMC Neurol. 15, 92(2015).
  23. Hoonhorst, M. H., et al. How Do Fugl-Meyer Arm Motor Scores Relate to Dexterity According to the Action Research Arm Test at 6 Months Poststroke? Arch Phys Med Rehab. 96 (10), 1845-1849 (2015).
  24. Pang, M. Y., Harris, J. E., Eng, J. J. A community-based upper-extremity group exercise program improves motor function and performance of functional activities in chronic stroke: a randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehab. 87 (1), 1-9 (2006).
  25. Alt Murphy, M., et al. SALGOT - Stroke Arm Longitudinal study at the University of Gothenburg, prospective cohort study protocol. BMC Neurol. 11, 56(2011).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Kinematic Analysis3D Motion CaptureDrinking TaskUpper ExtremityStroke RehabilitationMovement TimeVelocity ProfileMarker PlacementOptical Motion CaptureJoint Angles

Related Articles