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 tej procedury jest uzyskanie nieinwazyjnych pomiarów dynamicznych kinematyki łopatki. Osiąga się to poprzez przymocowanie znaczników odblaskowych do klatki piersiowej i klastra znaczników do płaskiej części wyrostka barkowego. Drugim krokiem jest określenie położenia anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki w stosunku do klastra znaczników za pomocą różdżki kalibracyjnej.
Po kalibracji uczestnik wykonuje ruchy podnoszenia i opuszczania ramienia w odpowiednich płaszczyznach ruchu. Ostatnim krokiem jest określenie położenia anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki podczas ruchów dynamicznych na podstawie znanego położenia w odniesieniu do skupiska znaczników wyrostka barkowego. Ostatecznie położenie anatomicznych punktów orientacyjnych łopatki służy do pokazania orientacji łopatki w stosunku do klatki piersiowej.
Technika ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie biomechaniki i rehabilitacji, takie jak wzorce ruchowe łopatki, które są związane z dysfunkcją ciał stałych. Pozwala również na ocenę interwencji terapeutycznych, które są ukierunkowane na leczenie dysfunkcji barku. Na początek poproś uczestnika, aby zdjął ubranie z górnej części ciała lub założył ubranie, które nie przeszkadza w ruchu markerów ani nie zasłania ich z pola widzenia systemu przechwytywania ruchu.
Zbuduj klaster znaczników akromium lub MC składający się z kawałka plastiku w kształcie litery L. Dołącz trzy znaczniki odblaskowe, po jednym na końcu każdego aspektu od miejsca, w którym się spotykają. Użyj dwustronnej taśmy klejącej, aby przymocować A MC do tylnej części wyrostka barkowego, gdzie styka się z kręgosłupem łopatki.
Jeden aspekt płytki powinien podążać za grzbietem łopatki, skierowany przyśrodkowo. Drugi powinien być skierowany do przodu do płaszczyzny łopatki. Następny pasek.
Marker klastra ustawiony na markerach odblaskowych ramienia uczestnika powinien być następnie przymocowany do następujących anatomicznych punktów orientacyjnych, wcięcia mostka, wyrostka mieczykowatego, kręgu C siedmiopunktowego, kręgu T ośmiejkowego, wyrostka mostkowo-obojczykowego, wyrostka rylcowatego stawu łokciowego i rylca promieniowego. Anatomiczne punkty orientacyjne w odniesieniu do A MC muszą być skalibrowane dla każdego uczestnika. Aby to zrobić, skonstruuj różdżkę kalibracyjną składającą się z czterech odblaskowych znaczników umieszczonych w formacji T.
Zmierz odległość od końcówki różdżki kalibracyjnej do pierwszego znacznika różdżki. Aby dokonać pomiaru. Umieść końcówkę różdżki na punkcie orientacyjnym, który ma być skalibrowany i przechwyć trzy sekundy danych za pomocą systemu przechwytywania ruchu, upewniając się, że znaczniki na różdżce, MC A i grupa wskaźników na ramieniu są widoczne dla kamer.
Najpierw zlokalizuj staw barkowo-obojczykowy, kładąc dłoń na obojczyku i poruszając się na boki, aż do punktu, w którym obojczyk dotrze do wyrostka barkowego. Umieść końcówkę różdżki w stawie między obojczykiem a wyrostkiem barkowym, aby zmierzyć kąt wyrostka barkowego. Als wzdłuż kręgosłupa łopatki do najbardziej bocznego punktu.
W tym miejscu umieść końcówkę różdżki na grzbietowej stronie wyrostka barkowego. Następnie ALS wzdłuż kręgosłupa łopatki do najbardziej środkowego punktu. Aby zlokalizować przyśrodkowy kręgosłup łopatki, umieść końcówkę różdżki w miejscu, w którym kręgosłup styka się z przyśrodkową granicą łopatki.
Aby zlokalizować dolny kąt łopatki, obmacuj palpacyjnie poniżej wzdłuż przyśrodkowej granicy łopatki i umieść końcówkę różdżki w najbardziej serdecznym punkcie z łokciem uczestnika zgiętym pod kątem 90 stopni i kciukiem skierowanym do góry. Połóż dłoń na przyśrodkowej stronie łokcia, aby zlokalizować nadkłykieć przyśrodkowy. Umieść końcówkę różdżki w najbardziej serdecznym punkcie nadkłykcia przyśrodkowego.
W tej samej pozycji połóż dłoń po bocznej stronie łokcia, aby zlokalizować boczny nadkłykieć i umieść końcówkę różdżki w najbardziej serdecznym punkcie. Aby określić centrum stawu ramienno-ramiennego, poproś uczestnika o wykonanie ruchu obrzeżnego ramieniem. Przy całkowicie wyprostowanym łokciu od zera stopni uniesienia ramienia do około 40 stopni, uczestnik musi wykonać ten ruch, dążąc do zminimalizowania retrakcji, cofnięcia, uniesienia lub zagłębienia kompleksu barkowego.
W razie potrzeby badacz może udzielić pomocy. Rejestruj ten ruch przez około 30 sekund. Po kalibracji rozpocznij zbieranie danych, prosząc uczestnika o wykonanie uniesienia ramienia od zera do 120 stopni, a następnie opuszczenie ramienia z powrotem w dół, aby odpocząć u jego boku.
Poinstruuj uczestnika, aby wykonał tę czynność w płaszczyźnie strzałkowej, czołowej i łopatkowej. Płaszczyzna łopatki jest około 40 stopni przed płaszczyzną czołową, aby obliczyć kinematykę łopatki. Podczas prób ruchu dynamicznego wykorzystywane jest oprogramowanie do modelowania kinematycznego
.Oprogramowanie zawiera polecenia umożliwiające tworzenie lokalnych układów współrzędnych, konwersję współrzędnych z lokalnych na globalne układy współrzędnych oraz obliczanie obrotów kąta olejowania. Najpierw użyj współrzędnych znaczników na A MC, aby zdefiniować dowolny lokalny układ współrzędnych. Następnie oblicz położenie jednej końcówki w globalnym układzie współrzędnych dla każdej próby kalibracji anatomicznego punktu orientacyjnego szkaplerza.
Określ położenie jednej końcówki względem lokalnego układu współrzędnych A MC. Następnie określ położenie przyśrodkowych i bocznych kłykci epickich w stosunku do skupiska markerów kości ramiennej. Użyj znanego położenia anatomicznych punktów orientacyjnych w odniesieniu do A MC, aby określić położenie w globalnym układzie współrzędnych dla każdego punktu czasowego podczas próby dynamicznej.
Powtórz te kroki dla każdego anatomicznego punktu orientacyjnego, przyśrodkowych i bocznych epickich kłykci. Użyj klastra górnych ramion. Następnie oblicz środek stawu ramienno-ramiennego za pomocą punktu obrotu osi heliko między kością ramienną a łopatką.
Następnie zdefiniuj lokalny układ współrzędnych dla klatki piersiowej, łopatki i kości ramiennej, obliczając wektory jednostkowe między odpowiednimi markerami, postępując zgodnie z zaleceniami Międzynarodowego Towarzystwa Biomechaniki dla każdego segmentu ciała sztywnego w celu określenia orientacji łopatki względem klatki piersiowej dla każdego punktu czasowego, użyj metody dekompozycji kąta olejowania z sekwencją rotacji rotacji wewnętrznej, obrót w górę, a następnie pochylenie do tyłu. Następnie określ orientację kości ramiennej w stosunku do klatki piersiowej, używając sekwencji obrotu płaszczyzny uniesienia bez kardyny. Podniesienie. Następnie obrót osiowy.
Wykonaj kroki redukcji i analizy danych za pomocą oprogramowania do modelowania numerycznego, takiego jak matlab. Podziel dane kinematyczne na fazy podnoszenia i opuszczania ruchu kości ramiennej. Znormalizuj czas dla każdej fazy ruchu i wyraź kinematykę łopatki w stosunku do kąta uniesienia kości ramiennej.
W tym przykładzie unoszenie i opuszczanie kości ramiennej wraz z początkiem i końcem każdej fazy jest oznaczone zielonymi liniami przerywanymi. Fazy podnoszenia i opuszczania określa się za pomocą prędkości kątowej uniesienia kości ramiennej. Górna czerwona linia przerywana reprezentuje próg używany do określania początku i końca fazy wznoszenia.
Najniższa czerwona kreska reprezentuje próg używany do określenia początku i końca fazy opuszczania. Zielone linie przerywane reprezentują punkty, w których prędkość kątowa przekroczyła progi. Ten wykres pokazuje rotację łopatki w górę podczas unoszenia ramienia, która została interpolowana z ponad 101 punktami danych.
Normalizować w odniesieniu do czasu. Obroty łopatki podczas ruchu ramienia w płaszczyźnie strzałkowej są pokazane dla rotacji w górę podczas fazy podnoszenia i opuszczania, a także pochylenia do tyłu podczas fazy podnoszenia i opuszczania oraz rotacji wewnętrznej podczas fazy podnoszenia i opuszczania. Podejmując tę procedurę, bardzo ważne jest, aby pamiętać, że staranne rozmieszczenie markerów i badanie palpacyjne anatomicznych punktów orientacyjnych są niezbędne do uzyskania ważnych i wiarygodnych wyników.
Ważne jest również, aby pamiętać, że ta technika jest ważna tylko do 120 stopni uniesienia kości ramiennej.
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.
