Kinematische analyse met behulp van 3D Motion Capture van drinken taak in mensen met en zonder bovenste extremiteit bijzondere waardeverminderingen
March 28th, 2018
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.
Het algemene doel van deze motion capture-methodologie is om een objectieve methode te bieden om de kwaliteit van de bewegingsprestaties en de sensorimotorische functie van de bovenste extremiteit bij personen met een beroerte en gezonde controles te evalueren. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen op het gebied van neurale revalidatie te beantwoorden, zoals hoe een beroerte de bewegingen en het herstel van de bovenste extremiteit beïnvloedt en hoe deze informatie kan worden gebruikt om effectieve behandelingen te selecteren. Het grote voordeel van deze techniek is dat specifieke bewegingstekorten en herstel die mogelijk niet worden ontdekt bij het gebruik van traditionele klinische schalen, in detail kunnen worden gekwantificeerd.
Om ons te helpen bij de demonstratie van de procedure vandaag, zullen we Ulla-Britt Bergstrom bijstaan, die een ergotherapeut is die werkt bij de Neural Rehabilitation Clinic in het Sahlgrenska University Hospital. Om het motion capture-systeem in te stellen, monteer vier camera's aan de muur op ongeveer een tot drie meter afstand van het meetgebied op een hoogte van 1,5 tot 2,5 meter, gericht op het meetgebied. Monteer één camera aan het plafond net boven het meetgebied.
Het plaatsen van een van de camera's aan het plafond met een kijkhoek over het gehele meetgebied was cruciaal voor de gegevensverzameling. Dit resulteerde in bijna 100% succesvolle gegevensverzameling. Start het camerasysteem.
Plaats vervolgens het L-vormige kalibratieframe op de tafel met de korte as in lijn met de rand van de tafel en de lange as naar voren wijzend. Open vervolgens de 3-D tracking in de dataverzamelsoftware. Start de kalibratie door capture te selecteren en vervolgens te kalibreren.
Voer de kalibratietijd van 30 seconden in en klik op oké. Beweeg de scepter in alle richtingen door het hele meetgebied boven de stoel en tafel om ervoor te zorgen dat alle vijf camera's de scepter in zoveel mogelijk richtingen vastleggen. Accepteer kalibratieresidu's onder 0,5 millimeter.
Laat nu de proefpersoon, die een mouwloos topje draagt, op een in hoogte verstelbare stoel zitten met haar rug tegen de rugleuning van de stoel. De bovenarm moet in neutrale adductiepositie zijn. Laat de arm op de tafel rusten en lijn het polsgewricht uit met de rand van de tafel.
De knie-, heup- en ellebooghoeken moeten ongeveer 90 graden zijn. Plaats vervolgens de retro-reflectieve passieve markers met dubbelzijdig plakband op de skeletachtige kenmerken van de geteste hand, pols, elleboog, rechter- en linkerschouder, thorax en voorhoofd. Plaats daarna twee markers op de beker.
In deze procedure, plaats een harde plastic beker met 100 milliliter water op 30 centimeter van de tafelrand in de middellijn van de proefpersoon. Vraag de proefpersoon om de drinktaak uit te voeren met een comfortabel, zelf gekozen tempo door één, de beker te bereiken en vast te grijpen. Twee, de beker van de tafel naar haar mond optillen.
Drie, een slok te nemen. Vier, de beker achter een gemarkeerde lijn op de tafel terug te plaatsen. En vijf, terug te keren naar de beginpositie met de hand op de rand van de tafel.
Het is belangrijk om de patiënt aan te moedigen de taak zo natuurlijk mogelijk uit te voeren en daarom worden alleen de drie middelste proeven gebruikt voor de berekening van de kinematica om ervoor te zorgen dat de patiënt bekend is met het testen. Zorg ervoor dat de proefpersoon de instructies begrijpt en de beker comfortabel kan bereiken met de minder aangedane arm zonder voorover te leunen. Zorg ervoor dat de startpositie correct is voor elke opname en vraag de proefpersoon om klaar te zijn.
Start de opname door 'start opname' te selecteren en geef mondelinge instructies om haar te vertellen dat ze moet beginnen. Wanneer de proefpersoon de taak voltooit, stopt u de opname door 'stop' te selecteren. Neem vijf proeven op met een korte pauze tussen elke proef, beginnend met de minder aangedane arm.
Controleer of de dataverzameling 95 tot 100% bereikt voor elke geïdentificeerde marker. Wanneer onvolledige gegevens worden gedetecteerd, voer extra proeven uit na het identificeren van het probleem en pas de zit- of markerposities aan om volledige zichtbaarheid van de markers te garanderen om ten minste drie succesvolle proeven te verkrijgen. Deze figuur toont het representatieve snelheidsprofiel van een gezonde controle die de drinktaak uitvoert.
Voor elke bewegingsfase is een glad, belvormig snelheidsprofiel met één dominante piek te zien, wat typisch is voor normale bewegingen. In tegenstelling daarmee toont deze figuur dat een snelheidsprofiel van een persoon met een matige beroerte een minder glad profiel vertoont met een toegenomen aantal snelheidspieken. Ook is de pieksnelheid in elke bewegingsfase lager en is de totale bewegingstijd langer.
Dit is de animatie van de drinktaak uitgevoerd door een gezonde controle, geregistreerd in realtime. De markers op het hoofd, romp, linkerarm en twee markers op de drinkbeker, samen met de bewegingstrajecten, worden weergegeven. Dit is dezelfde animatie van een persoon met een beroerte.
Let op de minder gladde bewegingstrajecten en toegenomen voorwaartse beweging van de romp tijdens de drinktaak. Dit is een voorbeeld van dezelfde taak uitgevoerd door een persoon met een ernstiger motorische beperking. Deze persoon had ook spasticiteit.
De zichtbare subbewegingen duiden op herhaalde versnellingen en vertragingen, wat duidt op tekorten in de vloeiendheid van de beweging. Eenmaal beheerst, kan deze techniek in 10 tot 15 minuten worden uitgevoerd door elke getrainde professional zonder specifieke technische kwalificaties. Technische expertise is echter nodig om een programma voor de gegevensanalyse te creëren en ontwikkelen.
Deze procedure is bijzonder relevant voor klinische studies vanwege een eenvoudige set-up met een eenvoudige gegevensverzameling en analyse van een ecologisch valide taak. Met behulp van deze methode verkrijgen we geldige, betrouwbare en responsieve kinematica die de belangrijkste elementen van de bewegingsanalyse bij mensen met een beroerte kwantificeren. Na de ontwikkeling ervan, heeft deze methode de weg gebaand voor onderzoekers op het gebied van neural
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit protocol beschrijft een motion capture-methodologie die gericht is op het objectief evalueren van de prestaties van bewegingen in de bovenste extremiteit en de sensorimotorische functie bij beroertepatiënten en gezonde controles. Middels kinematische analyse van een gestandaardiseerde drinktaak, streeft het protocol ernaar bewegingstekorten te kwantificeren die traditionele klinische methoden mogelijk over het hoofd zien.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatie
- Motorische controle
Achtergrond
- Een beroerte kan bewegingen in de bovenste extremiteit aanzienlijk belemmeren.
- Traditionele beoordelingen vangen mogelijk niet volledig bewegingstekorten op.
- Kinematische analyse biedt gedetailleerde kwantificering van bewegingen.
- Deze aanpak kan behandelstrategieën in neurale revalidatie informeren.
Doel van het onderzoek
- Om een betrouwbare methode te vestigen voor het beoordelen van bewegingsprestaties bij beroertepatiënten.
- Om te onderzoeken hoe een beroerte de bewegingen in de bovenste extremiteit en herstel beïnvloedt.
- Om de selectie van effectieve revalidatiebehandelingen te vergemakkelijken.
Gebruikte methoden
- Het primaire platform dat wordt gebruikt, is een motion capture-systeem.
- De studie betreft beroertepatiënten en gezonde controles die een gestandaardiseerde drinktaak uitvoeren.
- Een gedetailleerde opstelling zorgt voor nauwkeurige kalibratie en succesvolle gegevensverzameling.
- Belangrijke stappen omvatten subjectpositionering en markerplaatsing voor kinematische analyse.
- De procedure maakt betrouwbare gegevensverwerving mogelijk binnen een korte tijdsperiode.
Belangrijkste resultaten
- Er werden verschillen in snelheidsprofielen waargenomen tussen gezonde controles en personen met een beroerte.
- De soepelheid en snelheid van bewegingen waren significant aangetast bij beroertepatiënten.
- Deze methodologie biedt valide maatstaven voor het begrijpen van motorische tekorten en herstel.
- Resultaten benadrukken sleutelvariabelen zoals bewegingstijd en soepelheid in functionele taken.
Conclusies
- De studie toont een valide methode aan voor het beoordelen van motorische functie na een beroerte.
- Deze techniek vergroot het begrip van kinematica in beroerterevalidatie.
- Implicaties strekken zich uit tot het verbeteren van behandelstrategieën door het gedetailleerd beschrijven van individuele bewegingstekorten.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Objective quantification of upper extremity movement deficits supports target validation in neurorehabilitation by providing measurable endpoints for therapeutic intervention. Kinematic analysis of functional tasks like drinking enables mechanistic de-risking of rehabilitation strategies through sensitive, repeatable biomarkers of motor recovery. This approach enhances predictive confidence in early-stage discovery by linking sensorimotor function to clinically meaningful outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Quantifies movement performance deficits to interrogate therapeutic hypotheses in neural repair pathways.
- Operational Value: Provides objective, sensor-based endpoints that reduce reliance on subjective clinical scales.
- Strategic Value: Enables biological de-risking by identifying measurable biomarkers of motor impairment and recovery.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Standardized drinking task establishes a reproducible functional assay for upper extremity motor function.
- Operational Value: Automated Matlab analysis ensures high-throughput, consistent processing of kinematic datasets.
- Strategic Value: Supports assay readiness for screening compounds or biologics targeting motor recovery pathways.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Movement time, smoothness, and joint angles serve as translational biomarkers aligned with clinical stroke assessments.
- Operational Value: Enables continuity from discovery to preclinical validation using ecologically valid, naturalistic tasks.
- Strategic Value: Informs risk-adjusted advancement decisions by quantifying sensorimotor recovery with high sensitivity to change.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing of neuroregenerative or neuroprotective compounds through quantifiable motor outcomes.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by linking kinematic variables to specific neural circuits involved in motor control.
- Screening: Delivers quantitative outputs such as peak velocity and movement units for reliable compound evaluation.
- Analytics: Provides temporal and spatial kinematics that allow cross-condition comparison of motor performance.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through validated, responsive kinematic variables sensitive to rehabilitation interventions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable kinematic analysis platform applicable across multiple upper extremity tasks and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by capturing detailed movement deficits invisible to traditional scales.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through fixed marker placement and automated data processing.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering sensitive, quantifiable biomarkers of therapeutic efficacy.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurorehabilitation candidates based on objective motor recovery data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture systems, marker placement, and kinematic data analysis.
- Dependent on optoelectronic camera systems and calibrated 3D tracking infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization for consistent subject positioning and task execution across sites.
- Involves adaptation considerations for varying levels of motor impairment and compensatory movement strategies.
- Limited by the need for technical expertise to develop and maintain custom analysis software despite simple data acquisition.
