Trójwymiarowa charakterystyka kinematyczna zadania zabrania przedmiotów z wykorzystaniem rejestracji ruchu

Podsumowanie

Ten protokół przedstawia standaryzowany, pełnocielowy podejście do rejestracji ruchu w celu oceny zadania zbierania obiektów, ilustrując, jak różne strategie ruchu i wzorce kompensacyjne mogą być ilościowo scharakteryzowane podczas tej powszechnej aktywności funkcjonalnej.

Streszczenie

Zbieranie przedmiotów to podstawowe zadanie z codziennego życia, które integruje koordynację tułowia, kończyn dolnych i górnych, równowagę oraz kontrolę wzrokowo-ruchową w jednym, ekologicznie ważnym ruchu. Pomimo jego istotności, standaryzowane protokoły do ilościowej oceny strategii zbierania przedmiotów za pomocą pełnego rejestrowania ruchu ciała są ograniczone. Celem tego protokołu jest przedstawienie standaryzowanej metody rejestrowania i analizowania zadania zbierania przedmiotów za pomocą pełnego rejestrowania trójwymiarowego ruchu ciała oraz ilustrowanie, jak różne strategie ruchowe można zidentyfikować i sklasyfikować. Protokół szczegółowo opisuje przygotowanie uczestników, kompleksowe umieszczenie markerów, wykonywanie zadania i reprezentatywne analizy kinematyczne. Trzydziestu uczestników wykonało zadanie zbierania przedmiotów, podczas którego zebrano czternaście zmiennych kinematycznych. Strategie ruchowe zostały sklasyfikowane na wzorce dominujące w przysiadzie, dominujące w zawiasie i hybrydowe, reprezentujące odrębne i pośrednie podejścia na kontinuum strategii ruchowych. Reprezentatywne wyniki pokazują wyraźne różnice w kinematycznych stawach między grupami strategii, szczególnie na kolanie i kostce, z dodatkowym wkładem z ruchu tułowia. Różnice między warunkami dominującej i niedominującej ręki dalece ilustrują wrażliwość zadania na adaptacje kompensacyjne ruchowe. Ten protokół zapewnia praktyczną i powtarzalną ramę do oceny strategii zbierania przedmiotów i koordynacji całego ciała podczas funkcjonalnego ruchu.

Wprowadzenie

Ocena ruchu ludzkiego jest kluczowym elementem ewaluacji klinicznych i badań dotyczących zdrowia układu mięśniowo-szkieletowego i funkcjonalnego¹. Tradycyjnie ocena ruchu opierała się w dużej mierze na obserwacji wizualnej, która, choć ma wartość kliniczną, jest z natury subiektywna, wpływowana przez doświadczenie oceniającego i ograniczona w swojej zdolności do spójnego rejestrowania subtelnych wzorców koordynacji. Technologie rejestracji ruchu, w tym systemy oparte na znacznikach i bez znaczników, pozwalają na szczegółową i ilościową analizę ruchu całego ciała, z coraz większą dostępnością^2,3,4,5.

Przekładając te narzędzia do środowiska klinicznego i badawczego, praktyczne ograniczenia takie jak dostępna przestrzeń, czas oceny i łatwość wykonania zadań stają się istotnymi kwestionami. Z tego powodu zadania funkcjonalne, które są krótkie, wymagają minimalnego przygotowania, a jednocześnie dostarczają bogatą informację o koordynacji ruchowej, są szczególnie cenne. W tym kontekście zadanie podnoszenia przedmiotu reprezentuje prosty i efektywny ruch czasowo, który uchwytuje zintegrowaną funkcję całego ciała. Jest to standardowy element zawarty w Skali Równowagi Berga i powiązanych obiektywnych mierników równowagi^6,7,8.

W codziennym życiu podnoszenie przedmiotu z podłogi jest fundamentalnym działaniem, które wymaga zskoordynowanej kontroli tułowia, kończyn dolnych i górnych, a także równowagi i integracji wzrokowo-ruchowej. Zadanie to łączy sięgające do przodu, kontrolowane opuszczanie, zasięganie i chwytanie, manipulację przedmiotem oraz powrót do pozycji stojącej w jednej ciągłej akcji, nakładając sensowne wymagania mechaniczne na kręgosłup lędźwiowy i główne stawy kończyn dolnych, jednocześnie angażując funkcję kończyn górnych i kontrolę postawy⁹.

Strategie podnoszenia od dawna są centralne w zdrowiu zawodowym i ergonomii, tworząc podstawę szkoleń z gięcia i manipulacji ręcznej, i są ściśle związane ze zdrowiem układu mięśniowo-szkieletowego, szczególnie bólem lędźwiowym, poprzez mechanizmy zarówno przyczynowe jak i adaptacyjne¹⁰. Co więcej, wśród elementów Skali Równowagi Berga i powiązanych obiektywnych mierników równowagi, zadanie podnoszenia przedmiotu wykazało się najsilniejszą zdolnością do rozróżniania upadających i nieupadających osób starszych¹¹. Jednak, mimo jego istotności dla codziennego funkcjonowania, zadanie podnoszenia jest często oceniane jakościowo lub osadzone w złożonych testach funkcjonalnych, co ogranicza jego możliwość powtarzania i interpretację ilościową w badaniach¹².

Pełne rejestrowanie ruchu ciała umożliwia szczegółową charakterystykę zskoordynowanego ruchu segmentalnego podczas zadań funkcjonalnych, pozwalając na obiektywne opisanie strategii ruchowych zamiast wywnioskowania ich¹³. Standardy protokołów do rejestrowania i klasyfikowania strategii podnoszenia przy użyciu pełnej kinematyki ciała są ograniczone. Niniejszy artykuł pokazuje zstandaryzowane zadanie podnoszenia przedmiotu przy użyciu pełnego rejestrowania ruchu ciała i ilustruje, jak różne strategie ruchowe można zidentyfikować i sklasyfikować na podstawie pełnej kinematyki ciała.

Mimo że zadanie ma szerokie potencjalne zastosowania, niniejsza praca koncentruje się na demonstrowaniu protokołu i ilustrowaniu reprezentatywnych strategii ruchowych, a nie na ewaluacji wyników klinicznych. Ponadto demonstrujemy pełne umieszczenie znaczników ciała używane w tym zadaniu, zapewniając praktyczne odniesienie dla badaczy i klinicystów, którzy chcą wdrożyć złoty standard znacznikowego rejestrowania ruchu do pełnej analizy ruchowej funkcjonalnego ciała. Do rejestracji danych kinematycznych użyto systemu pełnego rejestrowania ruchu trójwymiarowego opartego na znacznikach z kompletnym zbiorem znaczników odbijanych (Rysunek 1).

Protokół

Badania (IRB-2018-04-014) zostały zatwierdzone przez komitet etyczny Nanyang Technological University w Singapurze i przeprowadzone zgodnie z normami etycznymi określonymi w Deklaracji Helsińskiej z 1964 roku lub porównywalnymi standardami etycznymi. Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną zgodę na udział w badaniu.

1. Przygotowanie uczestnika

UWAGA: Zadanie polega na podniesieniu przez uczestnika standardowego obiektu z podłogi w wygodnym tempie, powrocie do pozycji stojącej i przekazaniu obiektu, zgodnie z opisem w sekcji 7.

1. Poproś uczestnika, aby założył trykot i lekkie szorty, aby umożliwić dokładne umieszczenie i wizualizacje refleksyjnych znaczników (Rysunek 2A).
2. Upewnij się, że uczestnik jest boso.
3. Poproś uczestnika o usunięcie refleksyjnych akcesoriów, takich jak zegarek.
4. Zmierz antropometrię uczestnika zgodnie z wymaganiami systemu rejestracji ruchu (np. wzrost, waga) i udokumentuj dominację dłoni.
   UWAGA: Dla uczestników z ograniczeniami związanymi z skromnością, zamiast trykotu i szortów, można użyć kombinezonu do pełnej rejestracji ruchu ciała.

2. Przesiewowe badanie uczestnika i sprawdzenie bezpieczeństwa

1. Poproś uczestnika, aby udał się na krótką odległość od badacza w wygodnym, samodzielnie wybranym tempie (Rysunek 2B).
2. Poproś uczestnika, aby się obrócił i wrócił do badacza w tym samym tempie (Rysunek 2C).
3. Obserwuj uczestnika podczas chodzenia w obu kierunkach, aby potwierdzić, że może chodzić, obracać się i utrzymywać równowagę bez pomocy.
4. Poproś uczestnika, aby wykonał następujące ruchy w sekwencji: rozciągnij szyję poprzez spoglądanie w górę, zgięcie szyi poprzez spoglądanie w dół, obrót głowy w lewo i prawo oraz przechylenie głowy po obu stronach (Rysunek 2D).
5. Poproś uczestnika, aby wykonał następujące ruchy w sekwencji: zgięcie ciała do przodu, zgięcie ciała do tyłu, obrót ciała w lewo i prawo oraz zgięcie boczne po obu stronach (Rysunek 2E).
6. Obserwuj zdolność uczestnika do wykonywania instrukcji i wykonywania wszystkich ruchów bez dyskomfortu lub oczywistej ograniczoności.
7. Jeśli zauważysz jakiekolwiek ograniczenia ruchowe lub trudności, udokumentuj to przed kontynuacją.
8. Gdy uczestnik wykonał wszystkie ruchy wygodnie i bezpiecznie, poproś go, aby pozostał w pozycji stojącej w celu dalszego umieszczenia znaczników.
   UWAGA: To krótkie przesiewowe badanie jest przeprowadzane w celu potwierdzenia bezpieczeństwa uczestnika, jego zdolności do wykonywania instrukcji oraz zauważenia wszelkich oczywistych ograniczeń ruchowych przed wykonaniem zadania. W tej fazie nie rejestruje się żadnych danych związanych z ruchem, a badanie nie jest przeznaczone do diagnostycznej oceny lub miary wyników.

3. Pełne umieszczenie znaczników na ciele

1. Poproś uczestnika, aby się odwrócił plecami do badacza.
2. Upewnij się, że uczestnik stoi w wyrelaksowanej, wyprostowanej pozycji z naturalnie spoczywającymi ramionami u stron.
   UWAGA: Łącznie umieszczono 50 refleksyjnych znaczników na punktach anatomicznych i 10 klastrach segmentów, aby uchwycić pełną kinematykę ciała.
3. Palpacja punktu anatomicznego z tyłu i sekwencyjne umieszczenie podstaw magnetycznych nad wyrostkami kolczystymi kręgów T4, T8 i T10, lewym i prawym tylnym górnym kolcem biodrowym (PSIS), oraz tylną powierzchnią grzebienia biodrowego, około 2-3 cale powyżej i bocznie od PSIS (Rysunek 3A).
4. Po umieszczeniu tylnych podstaw magnetycznych zabezpiecz je taśmą (Rysunek 3B).
5. Sprawdź wizualnie wyrównanie linii środkowej, symetrię dwustronną i komfort uczestnika przed kontynuacją.
6. Poproś uczestnika, aby się obrócił i spojrzał na badacza, stojąc wyprostowanym.
7. Palpacja lewego i prawego przedniego górnego kolca biodrowego (ASIS) i umieszczenie podstaw magnetycznych dwustronnie.
8. Palpacja wyrostka mieczykowatego i umieszczenie podstawy magnetycznej nad tym punktem.
9. Zabezpiecz przednie podstawy magnetyczne taśmą.
10. Poproś uczestnika, aby założył górną część ubrania i wrócił do wyprostowanej pozycji stojącej.
11. Palpacja uprzednio umieszczonych podstaw magnetycznych przez odzież i sekwencyjne umieszczenie refleksyjnych znaczników na podstawach magnetycznych (Rysunek 3C

Wyniki

Trzydzieści uczestników wykonało zadanie polegające na podnoszeniu przedmiotu, podczas którego zebrano 14 zmiennych kinematycznych. Następnie uczestników sklasyfikowano do trzech grup strategicznych reprezentujących odrębne i pośrednie podejścia wzdłuż kontinuum strategii ruchowych, interpretowanych jako dominujące w przysiadach (Grupa 1), dominujące w przegięciu (Grupa 2) i hybrydowe (Grupa 3). Nie zaobserwowano statystycznie istotnych różnic między grupami w zakresie wieku, rozkładu płci, wzrostu czy wagi (Tabe...

Dyskusja

To protokoł przedstawia standaryzowany sposób rejestrowania i analizowania zadania związanego z podnoszeniem przedmiotów przy użyciu pełnej trójwymiarowej rejestracji ruchu ciała i pokazuje, jak różne strategie ruchowe można scharakteryzować ilościowo. Uczestnicy byli celowo dobierani i grupowani w celu reprezentacji różnych i pośrednich wzorców strategii ruchowych obserwowanych w próbie. Wizualna inspekcja kinematyki stawów wskazała, że główną cechą różnicującą była amplituda zginania kolan, przy czym nakładanie się obs...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Box for Pick up task	N/A	N/A	70mm x 70mm x 70mm (Lx W x H) Drukowane 3D za pomocą żywicy polimlekowej (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Cluster markers	Qualisys, AB	· 160146 Upper body · 160145 Lower body · 160149 SuperWrap for cluster	Zestawy obejmowały dwa klastry górnej części ciała (ramiona) i cztery klastry dolnej części ciała (dwa na udach i dwa na goleniach).
Cluster markers (custom)	N/A	N/A	Indywidualnie zaprojektowane klastry do śledzenia nadgarstka (RFA, LFA) i dłoni (RHMC, LHMC) były drukowane 3D za pomocą żywicy polimlekowej (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Computer workstation	Generic	NA	Procesor Intel Core i9, 32 GB RAM, 10 TB Harddisk, NVIDIA RTX2080
Double-sided adhesive skin tape	Qualisys, AB	160188 Double-sided adhesive tape	Do mocowania bazy markerów na skórze
Force plate	Kistler	Type 9260AA6	Dwie płyty (600 × 500 x 50 mm) osadzonych pod podłogą, jedna dla każdej stopy.
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, Rozdzielczość 1920 × 1080 x12, 12 MP 300fps, Rozdzielczość 4096 × 3072, Kąt widzenia 54 × 42 °(motoryzowane)
Neodymium Magnets	Generic	N/A	Średnica 15mm, Grubość 1mm
Qualisys Track Manager (QTM)	Qualisys, AB	Version 2019	Oprogramowanie służy do rejestracji ruchów podczas eksperymentu i wykonywania przetwarzania danych po eksperymencie.
Retroreflective markers	Optitrack	12.7 mm (1/2) M4 Markers
Visual3D	HAS-Motion	Version 2021	Oprogramowanie służy do modelowania biomechanicznego i wytwarzania odpowiednich kątów stawów