Pomiar dynamicznej kinematyki łopatki za pomocą klastra markerów wyrostka barkowego w celu zminimalizowania artefaktu ruchu skóry
10 lutego 2015
Ten raport przedstawia szczegóły dotyczące sposobu na zastosowanie metody klaster znaczników akromionu do uzyskiwania kinematyki łopatki podczas korzystania z pasywnego urządzenia do przechwytywania ruchu znaczników. Jak opisano w literaturze, metoda ta zapewnia solidny, nieinwazyjny, trójwymiarowy, dynamiczny i prawidłowy pomiar kinematyki łopatki, minimalizując artefakt ruchu skóry.
Celem niniejszej procedury jest uzyskanie nieinwazyjnych dynamicznych pomiarów kinematyki łopatki. Osiąga się to poprzez przymocowanie markerów odblaskowych do klatki piersiowej oraz klastra markerów do płaskiej części akromionu. Drugim krokiem jest określenie położenia anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki względem klastra markerów przy użyciu pręta kalibracyjnego.
Po kalibracji uczestnik wykonuje ruchy unoszenia i opuszczania ramienia w odpowiednich płaszczyznach ruchu. Ostatnim krokiem jest określenie położenia anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki podczas ruchów dynamicznych na podstawie znanej lokalizacji względem klastra markerów wyrostka barkowego. Ostatecznie położenie anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki jest wykorzystywane do wykazania orientacji łopatki względem klatki piersiowej.
Technika ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu biomechaniki i rehabilitacji, takie jak wzorce ruchów łopatki związane z dysfunkcją stawu ramiennego. Pozwala ona również na ocenę interwencji terapeutycznych ukierunkowanych na leczenie dysfunkcji barku. Na początek poproś uczestnika o zdjęcie odzieży z górnej części ciała lub założenie ubrań, które nie będą utrudniać ruchu markerów ani nie zasłonią ich przed systemem analizy ruchu.
Przygotuj klaster markerów wyrostka barkowego (MC) składający się z plastikowego elementu w kształcie litery L. Przymocuj trzy markery retrorefleksyjne, po jednym na końcu każdego ramienia, w oddaleniu od miejsca ich styku. Użyj dwustronnej taśmy klejącej, aby przymocować MC do tylnej części wyrostka barkowego w miejscu, gdzie łączy się on z grzebieniem łopatki.
Jeden bok płytki powinien przebiegać wzdłuż grzebienia łopatki, skierowany przyśrodkowo. Drugi bok powinien być skierowany przednio względem płaszczyzny łopatki. Kolejny pasek.
Marker klastrowy przymocowany do ramienia uczestnika, a następnie markery odblaskowe powinny zostać przytwierdzone do następujących punktów anatomicznych: wcięcia mostka, wyrostka mieczowatego, kręgu C7, kręgu T8, stawów mostkowo-obojczykowych, wyrostka rynienkowatego kości łokciowej oraz wyrostka stylowatego kości promieniowej. Punkty anatomiczne w odniesieniu do A MC muszą zostać skalibrowane dla każdego uczestnika. W tym celu należy przygotować pręt kalibracyjny składający się z czterech markerów odblaskowych rozmieszczonych w kształcie litery T.
Zmierzyć odległość od końcówki pręta kalibracyjnego do pierwszego markera pręta. Aby wykonać pomiar, należy umieścić końcówkę pręta na punkcie orientacyjnym przeznaczonym do kalibracji i zarejestrować trzy sekundy danych za pomocą systemu przechwytywania ruchu, upewniając się, że markery na pręcie, A MC oraz klaster ramienia są widoczne dla kamer.
Najpierw zlokalizuj staw akromioklawikularny, kładąc dłoń na obojczyku i przesuwając ją bocznie aż do miejsca, w którym obojczyk łączy się z wyrostkiem barkowym. Umieść końcówkę sondy w stawie między obojczykiem a wyrostkiem barkowym, aby zmierzyć kąt wyrostka barkowego. Przesuń ją również wzdłuż grzebienia łopatki do najbardziej bocznego punktu.
Umieść końcówkę sondy na powierzchni grzbietowej wyrostka barkowego w tym punkcie. Następnie wykonaj ALS wzdłuż grzebienia łopatki do najbardziej przyśrodkowego punktu. Aby zlokalizować przyśrodkowy koniec grzebienia łopatki, umieść końcówkę sondy w miejscu, w którym grzebień łączy się z brzegiem przyśrodkowym łopatki.
Aby zlokalizować kąt dolny łopatki, przeprowadź palpację w kierunku dolnym wzdłuż brzegu przyśrodkowego łopatki i umieść końcówkę sondy w najbardziej wypukłym punkcie, przy zgiętym pod kątem 90 stopni łokciu uczestnika i kciuku skierowanym do góry. Połóż dłoń po stronie przyśrodkowej łokcia, aby zlokalizować nadkłykieć przyśrodkowy. Umieść końcówkę sondy w najbardziej wypukłym punkcie nadkłykcia przyśrodkowego.
W tej samej pozycji należy położyć dłoń na bocznej stronie łokcia, aby zlokalizować nadkłykcie boczny, a następnie przyłożyć końcówkę sondy do najbardziej wysuniętego punktu. Aby wyznaczyć środek stawu ramiennego, poproś uczestnika o wykonanie ruchu obwodowego ramieniem. Przy całkowicie wyprościonym łokciu, w zakresie od 0 stopni do około 40 stopni uniesienia ramienia, uczestnik musi wykonać ten ruch, dążąc do zminimalizowania protrakcji, retrakcji, uniesienia lub obniżenia kompleksu barkowego.
Badacz może udzielić pomocy w razie potrzeby. Nagraj ten ruch przez około 30 sekund. Po skalibrowaniu rozpocznij zbieranie danych, prosząc uczestnika o wykonanie uniesienia ramienia od 0 do 120 stopni, a następnie o opuszczenie ramienia z powrotem do pozycji spoczynkowej wzdłuż tułowia.
Poleć uczestnikowi wykonanie tej czynności w płaszczyźnie strzałkowej, czołowej i łopatkowej. Płaszczyzna łopatkowa znajduje się około 40 stopni przed płaszczyzną czołową, co pozwala na obliczenie kinematyki łopatki. Podczas prób ruchu dynamicznego wykorzystywane jest oprogramowanie do modelowania kinematycznego.
Oprogramowanie zawiera polecenia umożliwiające tworzenie lokalnych układów współrzędnych, konwersję współrzędnych z układów lokalnych na globalne oraz obliczanie rotacji kątów Eulera. Najpierw należy użyć współrzędnych markerów na A MC do zdefiniowania dowolnego lokalnego układu współrzędnych. Następnie należy obliczyć położenie końcówki w globalnym układzie współrzędnych dla każdej próby kalibracji anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki.
Wyznacz położenie jednego grotu względem lokalnego układu współrzędnych A MC. Następnie wyznacz położenie nadkłykcia przyśrodkowego i bocznego względem klastra markerów kości ramiennej. Wykorzystaj znane położenie punktów anatomicznych względem A MC, aby określić ich lokalizację w globalnym układzie współrzędnych dla każdego punktu czasowego podczas próby dynamicznej.
Powtórz te kroki dla każdego punktu anatomicznego: przyśrodkowego i bocznego nadkłykcia kości ramiennej. Wykorzystaj grupę punktów ramienia. Następnie oblicz środek stawu ramienno-łopatkowego, używając punktu obrotu osi helikalnej między kością ramienną a łopatką.
Następnie zdefiniuj lokalny układ współrzędnych dla klatki piersiowej, łopatki i kości ramiennej poprzez obliczenie wektorów jednostkowych pomiędzy odpowiednimi markerami, zgodnie z zaleceniami International Society of Biomechanics dla każdego sztywnego segmentu ciała. Aby wyznaczyć orientację łopatki względem klatki piersiowej dla każdego punktu czasowego, zastosuj metodę dekompozycji kątów Eulera z sekwencją rotacji: rotacja wewnętrzna, rotacja górna, a następnie odchylenie tylne. Następnie określ orientację kości ramiennej względem klatki piersiowej, stosując niekardynalną sekwencję rotacji płaszczyzny uniesienia, następnie uniesienie, a na koniec rotację osiową.
Przeprowadź etapy redukcji i analizy danych przy użyciu oprogramowania do modelowania numerycznego, takiego jak Matlab. Podziel dane kinematyczne na fazy uniesienia i opuszczania ramienia. Znormalizuj czas dla każdej fazy ruchu i przedstaw kinematykę łopatki w stosunku do kąta uniesienia ramienia.
W tym przykładzie uniesienie i opuszczenie ramienia, wraz z początkiem i końcem każdej fazy, są oznaczone zielonymi liniami przerywanymi. Fazy uniesienia i opuszczenia są wyznaczane na podstawie prędkości kątowej uniesienia ramienia. Górna czerwona linia przerywana reprezentuje próg wykorzystywany do określenia początku i końca fazy uniesienia.
Najniższa czerwona przerywana linia reprezentuje próg służący do wyznaczenia początku i końca fazy opuszczania. Zielone linie kropkowane reprezentują punkty, w których prędkość kątowa przekroczyła progi. Wykres ten przedstawia rotację łopatki w górę podczas unoszenia ramienia, która została interpolowana przy użyciu ponad 101 punktów danych.
Aby znormalizować dane względem czasu. Rotacje łopatki podczas ruchu ramienia w płaszczyźnie strzałkowej przedstawiono dla rotacji górnej podczas fazy podnoszenia i opuszczania, a także dla pochylenia tylnego podczas fazy podnoszenia i opuszczania oraz rotacji wewnętrznej podczas fazy podnoszenia i opuszczania. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że staranne rozmieszczenie markerów i palpacja punktów anatomicznych są kluczowe dla uzyskania poprawnych i wiarygodnych wyników.
Ważne jest również pamiętanie, że technika ta jest prawidłowa jedynie do 120 stopni uniesienia ramienia.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy raport szczegółowo opisuje metodę klastra markerów na akromionie służącą do wyznaczania kinematyki łopatki przy użyciu urządzenia do pasywnego przechwytywania ruchu markerów. Ta nieinwazyjna technika umożliwia precyzyjne pomiary trójwymiarowe, minimalizując artefakty związane z ruchem skóry.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biomechanika
- Technologia przechwytywania ruchu
Wprowadzenie
- Kinematyka łopatki ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechaniki barku.
- Tradycyjne metody mogą wprowadzać artefakty wynikające z ruchu skóry.
- Metoda klastra markerów na akromion ma na celu zapewnienie dokładnych pomiarów.
- W warunkach klinicznych i badawczych preferowane są techniki nieinwazyjne.
Cel badania
- Aby uzyskać dynamiczne pomiary kinematyki łopatki.
- Aby zwiększyć dokładność ocen orientacji łopatki.
- Aby zminimalizować wpływ artefaktów związanych z ruchem skóry podczas pomiarów.
Zastosowane metody
- Mocowanie markerów odblaskowych do klatki piersiowej i akromionu.
- Użycie pręta kalibracyjnego do lokalizacji punktów anatomicznych łopatki.
- Uczestnicy wykonują ruchy unoszenia i opuszczania ramienia.
- Wyznaczanie lokalizacji punktów orientacyjnych łopatki podczas ruchów dynamicznych.
Główne wyniki
- Pomyślna kalibracja punktów orientacyjnych łopatki względem akromionu.
- Precyzyjne śledzenie ruchu łopatki podczas ruchów ramienia.
- Wykazana poprawność metody klastra markerów na akromionie.
- Zredukowane artefakty wynikające z ruchu skóry w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
Wnioski
- Metoda klastra markerów na akromionie jest skuteczna w pomiarze kinematyki łopatki.
- Metoda ta zwiększa niezawodność danych z systemów przechwytywania ruchu.
- Stanowi ona wartościowe narzędzie dla badaczy i klinicystów w dziedzinie biomechaniki.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładny pomiar dynamicznej kinematyki łopatki jest niezbędny do zrozumienia biomechaniki barku w modelach przedklinicznych zaburzeń układu mięśniowo-szkieletowego. Metoda klastra markerów na akromionie redukuje artefakty wynikające z przemieszczania się skóry, co zwiększa niezawodność danych w procesie walidacji celów w badaniach nad rehabilitacją. Wspiera to redukcję ryzyka mechanistycznego poprzez umożliwienie ilościowej oceny zmian orientacji łopatki podczas ruchu ramienia w fazach uniesienia i opuszczania.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechaniki łopatkowo-klatkowej w modelach chorób poprzez zapewnienie wiarygodnych pomiarów rotacji odnośnej w górę i tyłopochylenia.
- Wartość operacyjna: Redukuje zmienność pomiarów wynikającą z artefaktów skórnych, zwiększając pewność ocen zaangażowania celu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne wyniki kinematyki łopatki w celu przygotowania do analiz w modelach dysfunkcji barku.
- Wartość operacyjna: Umożliwia ponowne wykorzystanie platformy w różnych badaniach dzięki zdefiniowanym protokołom kalibracji i gromadzenia danych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną poprzez powiązanie wzorców ruchu łopatki w fazie odkrycia z przedkliniczną walidacją interwencji.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju skorygowanych o ryzyko dzięki wiarygodnym metrykom błędów przebiegu falowego (np. 2.7°–4.4° dla rotacji górnej).
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z przepływami pracy w biologii odkrywczej, umożliwiając testowanie hipotez dotyczących wpływu obręczy barkowej na dysfunkcję barku, co wspiera identyfikację kluczowych czynników poprzez ilościowe fenotypowanie biomechaniczne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie mechanizmów poprzez pomiar orientacji łopatki względem klatki piersiowej podczas unoszenia i opuszczania ramienia w wielu płaszczyznach.
- Przesiewanie: Dostarcza znormalizowanych danych kinematycznych, gotowych do analizy i wyrażonych w odniesieniu do kąta uniesienia kości ramiennej, co umożliwia porównania między różnymi warunkami.
- Analityka: Generuje współczynnik korelacji wielokrotnej (CMC) oraz wskaźniki błędu kształtu fali w celu ilościowego określenia niezawodności i wsparcia decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań.
- Badania translacyjne: Łączy dynamiczne wzorce ruchu łopatki z ciągłością przedkliniczną poprzez walidację spójności pomiarów w fazach uniesienia i opuszczania.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia możliwość ponownego wykorzystania oceny biomechanicznej dzięki standaryzacji rozmieszczenia markerów, użyciu pręta kalibracyjnego oraz przepływom pracy w modelowaniu numerycznym.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w zakresie mechaniki łopatkowo-klatkowej, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w modelach dysfunkcji barku.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność pomiarów kinematyki łopatki pomiędzy laboratoriami.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje dotyczące kontynuacji lub przerwania badań (go/no-go), efektywność kapitałowa oraz zredukowane ryzyko biologiczne na późnych etapach w programach mięśniowo-szkieletowych.
- Wpływ na portfolio: Decyzje o priorytetyzacji i rozwoju skorygowane o ryzyko, oparte na wiarygodnych danych dotyczących niezawodności rotacji górnej (CMC = 0.92) oraz pochylenia tylnego (CMC = 0.70).
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu biomechaniki, systemów przechwytywania ruchu oraz palpacji punktów anatomicznych.
- Metoda jest zależna od kamer do przechwytywania ruchu, markerów odblaskowych, pręta kalibracyjnego oraz oprogramowania do modelowania numerycznego (np. MATLAB).
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja rozmieszczenia markerów, procedur kalibracji oraz segmentacji faz (podnoszenie/opuszczanie) z wykorzystaniem progów prędkości kątowej.
- Kwestie adaptacyjne obejmują walidację powyżej 120° uniesienia ramienia oraz w odniesieniu do zróżnicowanych morfologii łopatki.
- Ograniczenia praktyczne obejmują umiarkowaną niezawodność dla rotacji wewnętrznej (CMC = 0.53) oraz wyższy błąd kształtu fali (5.4°–7.3°), co ogranicza zastosowanie w przypadku niektórych osi obrotu.
