Caracterização cinemática tridimensional de uma tarefa de coleta de objeto usando captura de movimento

Summary

Este protocolo apresenta uma abordagem padronizada de captura de movimento de corpo inteiro para avaliar a tarefa de recolha de objetos, ilustrando como estratégias de movimento distintas e padrões compensatórios podem ser quantificatamente caracterizados durante essa atividade funcional comum.

Abstract

A tarefa de levantar objetos é uma atividade fundamental da vida diária que integra coordenação do tronco, membros inferiores e superiores, equilíbrio e controle visomotor em um único movimento ecologicamente válido. Apesar de sua relevância, protocolos padronizados para avaliação quantitativa das estratégias de captação de objetos usando captura de movimento corporal inteiro continuam limitados. O objetivo desse protocolo é demonstrar um método padronizado para capturar e analisar a tarefa de coleta de objetos usando captura de movimento tridimensional de corpo inteiro e ilustrar como diferentes estratégias de movimento podem ser identificadas e classificadas. O protocolo detalha a preparação dos participantes, a colocação abrangente dos marcadores, a execução da tarefa e as análises cinemáticas representativas. Trinta participantes realizaram a tarefa de recolha de objetos, durante a qual quatorze variáveis cinemáticas foram coletadas. As estratégias de movimento foram classificadas em padrões dominantes de agachamento, dominantes em dobradiças e híbridos, representando abordagens distintas e intermediárias ao longo de um continuum de estratégias de movimento. Resultados representativos demonstram diferenças claras na cinemática articular entre grupos estratégicos, especialmente no joelho e tornozelo, com contribuições adicionais do movimento do torso. As diferenças entre condições da mão dominante e não dominante ilustram ainda mais a sensibilidade da tarefa às adaptações compensatórias do movimento. Esse protocolo fornece uma estrutura prática e reprodutível para avaliar estratégias de recolha de objetos e coordenação do corpo inteiro durante o movimento funcional.

Introduction

A avaliação do movimento humano é central para avaliações clínicas e de pesquisa da saúde musculoesquelética^{e funcional 1}. Tradicionalmente, a avaliação do movimento baseava-se em grande parte na observação visual, que, embora clinicamente valiosa, é inerentemente subjetiva, influenciada pela experiência do avaliador e limitada em sua capacidade de capturar consistentemente padrões sutis de coordenação. Tecnologias de captura de movimento, incluindo sistemas baseados em marcadores e sem marcadores, permitem exames detalhados e quantitativos do movimento do corpo inteiro com acessibilidade^crescente 2,3,4,5.

Ao traduzir essas ferramentas para ambientes clínicos e de pesquisa, restrições práticas como espaço disponível, tempo de avaliação e facilidade de execução das tarefas tornam-se considerações importantes. Tarefas funcionais que são breves, exigem configuração mínima e ainda assim fornecem informações ricas sobre coordenação de movimentos são, portanto, particularmente valiosas. Nesse contexto, a tarefa de coleta de objetos representa um movimento simples e eficiente em tempo que captura a função integrada de corpo inteiro. É um item padrão incluído na Escala de Equilíbrio de Berg e nas medidas relacionadas de balanço^{objetivo 6, 7, 8}.

No dia a dia, levantar um objeto do chão é uma atividade fundamental que requer controle coordenado do tronco, membros inferiores e membros superiores, além de equilíbrio e integração visomotora. A tarefa combina flexão para frente, descida controlada, alcance e agarrão, manuseio de objetos e retorno à posição em uma única ação contínua, impondo demandas mecânicas significativas à coluna lombar e às articulações principais do membro inferior, enquanto engaja a função do membro superior e o controle^{postural 9}.

As estratégias de captação são há muito tempo centrais para a saúde ocupacional e a ergonomia, formando a base do treinamento de flexão e manuseio manual, e estão intimamente ligadas à saúde musculoesquelética, especialmente à dor lombar, por meio de mecanismos contributivos e^{adaptativos 10}. Além disso, entre os itens dentro da Escala de Equilíbrio de Berg e medidas de equilíbrio objetivo relacionadas, a tarefa do objeto de recolha demonstrou discriminar mais fortemente entre quem cai e não cai em adultos^{mais velhos 11}. No entanto, apesar de sua relevância para a função cotidiana, a tarefa de captação é frequentemente avaliada qualitativamente ou incorporada em testes funcionais compostos, limitando sua reprodutibilidade e interpretação quantitativa em estudos¹².

A captura de movimento de corpo inteiro permite a caracterização detalhada do movimento segmentar coordenado durante tarefas funcionais, possibilitando que estratégias de movimento sejam descritas objetivamente em vez de^{inferir 13}. Protocolos padronizados para capturar e classificar estratégias de movimento de captação usando cinemática de corpo inteiro continuam limitados. Este artigo demonstra uma tarefa padronizada de coleta de objetos usando captura de movimento corporal inteiro e ilustra como estratégias de movimento distintas podem ser identificadas e classificadas com base na cinemática do corpo inteiro.

Embora a tarefa tenha amplas aplicações potenciais, o presente trabalho foca em demonstrar o protocolo e ilustrar estratégias de movimento representativas, em vez de avaliar os resultados clínicos. Além disso, demonstramos a colocação dos marcadores do corpo inteiro usados para essa tarefa, fornecendo uma referência prática para pesquisadores e clínicos que buscam implementar captura de movimento baseada em marcadores de padrão ouro para análise de movimento funcional do corpo inteiro. Um sistema de captura de movimento tridimensional de corpo inteiro baseado em marcadores, com um conjunto abrangente de marcadores refletivos, foi utilizado para registrar dados cinemáticos (Figura 1).

Protocol

O estudo (IRB-2018-04-014) foi aprovado pelo conselho de revisão institucional da Universidade Tecnológica de Nanyang, Singapura, e foi conduzido de acordo com os padrões éticos estabelecidos na Declaração de Helsinque de 1964 ou padrões éticos comparáveis. Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes da participação.

1. Preparação para Participantes

NOTA: A tarefa envolve os participantes pegando um objeto padronizado do chão em um ritmo confortável, retornando à posição e entregando o objeto, conforme descrito na Seção 7.

1. Peça ao participante que use uma camisola e shorts leves para permitir a colocação e visualização precisas dos marcadores refletivos (Figura 2A).
2. Certifique-se de que o participante esteja descalço.
3. Instrua o participante a remover acessórios refletivos, como relógios de pulso.
4. Registre as antropometrias dos participantes conforme exigido pelo sistema de captura de movimento (por exemplo, altura, peso) e documente a dominância da mão.
   NOTA: Para participantes com restrições de modéstia, pode ser usado um traje de captura de movimento corporal inteiro no lugar de uma camisola e shorts.

2. Triagem dos Participantes e Verificação de Segurança

1. Instrua o participante a caminhar uma curta distância do examinador em um ritmo confortável e autoselecionado (Figura 2B).
2. Peça ao participante que se vire e volte em direção ao examinador no mesmo ritmo (Figura 2C).
3. Observe o participante durante ambas as direções para confirmar que ele consegue andar, girar e manter o equilíbrio sem ajuda.
4. Peça ao participante para executar os seguintes movimentos em sequência: estender o pescoço olhando para cima, flexionar o pescoço olhando para baixo, girar a cabeça para a esquerda e para a direita, e inclinar a cabeça para ambos os lados (Figura 2D).
5. Peça ao participante que execute os seguintes movimentos em sequência: dobre o corpo para frente, dobre o corpo para trás, gire o corpo para a esquerda e direita, e faça flexão lateral para ambos os lados (Figura 2E).
6. Observe a capacidade do participante de seguir instruções e realizar todos os movimentos sem desconforto ou restrição evidente.
7. Se houver alguma restrição ou dificuldade de movimento, documente-a antes de prosseguir.
8. Depois que o participante concluir todos os movimentos de forma confortável e segura, instrua-o a permanecer em pé para a colocação subsequente do marcador.
   NOTA: Esta breve triagem é realizada para confirmar a segurança dos participantes, a capacidade de seguir instruções e para identificar quaisquer restrições óbvias de movimento antes da execução da tarefa. Nenhum dado de captura de movimento é registrado durante essa fase, e a triagem não tem a intenção de ser uma avaliação diagnóstica ou medida de resultado.

3. Colocação de Marcadores de Corpo Inteiro

1. Instrua o participante a ficar de costas para o examinador.
2. Certifique-se de que o participante esteja em pé em uma postura relaxada e ereta, com os braços apoiados naturalmente ao lado do corpo.
   NOTA: Um total de 50 marcadores refletivos foram colocados em marcos anatômicos e em grupos de 10 segmentos para capturar a cinemática do corpo inteiro.
3. Palpar marcos anatômicos posteriores e posicionar as bases magnéticas sequencialmente sobre os processos espinhosos T4, T8 e T10, os espinhos ilíacos superiores posteriores esquerdo e direito (PSIS) e a superfície posterior da crista ilíaca, aproximadamente 2-3 polegadas superlaterais ao PSIS (Figura 3A).
4. Depois que as bases magnéticas posteriores estiverem posicionadas, fixe-as com fita adesiva (Figura 3B).
5. Verifique visualmente o alinhamento da linha média, a simetria bilateral e o conforto do participante antes de prosseguir.
6. Peça ao participante que se vire e encare o examinador enquanto está em pé.
7. Palpar as espinhas ilíacas antero-superiores esquerda e direita (ASIS) e posicionar as bases magnéticas bilateralmente.
8. Palpe o processo xifoide e coloque uma base magnética sobre esse marco.
9. Fixe as bases magnéticas anteriores com fita.
10. Peça ao participante para colocar a parte superior de volta e voltar a uma postura ereta em pé.
11. Palpar as bases magnéticas previamente colocadas através da roupa e fixar marcadores refletivos nas bases magnéticas sequencialmente (Figura 3C).
12. Certifique-se de que todos os marcadores refletivos estejam firmemente assentados em suas bases magnéticas correspondentes e permaneçam visíveis.
13. Peça ao participante para se virar de costas para o examinador e flexionar o pescoço para frente.
14. Palpar a sétima vértebra cervical (C7) e colocar um marcador refletor sobre esse ponto de referência (Figura 4A).
15. Peça ao participante que volte para uma posição neutra com a cabeça e se vire para encarar o examinador.
16. Palpe o esterno e coloque um marcador refletor sobre este marco.
17. Palpar os processos do acrômio esquerdo e direito e colocar os marcadores refletivos bilateralmente (Figura 4B).
18. Peça ao participante que se sente confortavelmente e coloque a palma da mão direita sobre o joelho esquerdo.
19. Palpar os epicôndilos medial e lateral do úmero direito e colocar marcadores refletivos sobre ambos os pontos de referência.
20. Repita o procedimento para o cotovelo esquerdo (Figura 4C).
21. Peça ao participante que coloque as duas mãos confortavelmente nas coxas.
22. Palpar os processos estiloides radiais e ulnares e posicionar os marcadores refletivos bilateralmente (Figura 4D).
23. Palpe o osso capitado na mão e coloque um marcador refletor sobre esse ponto de referência em cada mão.
24. Coloque um marcador refletor na unha do polegar e outro na unha anelar de cada mão (Figuras 5A, B).
25. Com o participante sentado confortavelmente, palpe os côndilos femorais medial e lateral do joelho direito e coloque marcadores refletivos sobre ambos os pontos de referência (Figura 5C).
26. Repita o procedimento para o joelho esquerdo.
27. Palpar os maléoli medial e lateral do tornozelo direito e colocar marcadores refletivos sobre ambos os pontos de referência (Figura 5D).
28. Repita o procedimento para o tornozelo esquerdo.
29. Palpar as cabeças do primeiro, segundo e quinto metatarso do pé direito e coloque marcadores refletores sobre cada ponto de referência.
30. Palpar o cuneiforme intermediário do pé direito e colocar um marcador refletor.
31. Palpe a tuberosidade calcânea do pé direito e coloque um marcador refletivo.
32. Repita os passos 29–31 para o pé esquerdo para completar a colocação dos marcadores de pé (Figura 6A).
33. Anexe os aglomerados de marcadores nos segmentos do antebraço, braço superior, mão, coxa e perna (perna) bilateralmente (Figura 6B-D).
34. Prenda cada cluster firmemente com tiras ou fita.
35. Peça ao participante que fique de frente para o examinador e olhe para frente.
36. Coloque marcadores refletivos bilateralmente no osso frontal, logo acima das sobrancelhas.
37. Coloque marcadores refletivos bilateralmente no osso temporal (Figura 7A).
38. Inspecione visualmente todos os marcadores e agrupamentos para confirmar a colocação, simetria e visibilidade corretas.
39. Prenda todas as bases dos marcadores com fita adesiva para evitar deslocamento ou descolamento durante a execução da tarefa.
40. Para todos os marcadores colocados diretamente na pele (sem bases magnéticas) e para agrupamentos posicionados na pele, delinee as posições respectivas usando um marcador de pele lavável para documentar a colocação e facilitar o reposicionamento consistente, se necessário (Figura 7B).
41. Verifique se há marcadores soltos, movimentos em aglomerado ou oclusão durante a postura em pé.
42. Corrija quaisquer erros de posicionamento ou anexos inseguros conforme necessário.
43. Se nenhum problema for identificado, prossiga para a tarefa de coleta de objetos.
    NOTA: A colocação dos marcadores descrita acima reflete o fluxo de trabalho usado em nosso laboratório para a captura cinemática do corpo inteiro da tarefa de recolha do objeto. Embora diferentes conjuntos de marcadores possam ser usados em laboratórios, os princípios de identificação, consistência e verificação de marcos anatômicos permanecem essenciais.

4. Configuração do Sistema de Captura de Movimento

1. Organize as câmeras de captura de movimento ao redor do volume de captura para garantir visibilidade corporal total durante a flexão para frente, interação com objetos e retorno à posição em pé.
2. Defina um volume de captura grande o suficiente para acomodar o movimento completo do captador sem obstrução.
3. Calibre o sistema de captura de movimento de acordo com as diretrizes do fabricante para estabelecer o sistema global de coordenadas.
4. Verifique se todas as câmeras detectam claramente os marcadores reflexivos e que não há objetos refletivos não intencionais presentes na área de captura.
   NOTA: Essa configuração do sistema normalmente é realizada antes ou em paralelo à colocação do marcador do participante, mas de outro pessoal. A cobertura adequada dos membros inferiores, tronco e membros superiores é essencial para capturar toda a sequência de movimento da tarefa de recolha.

5. Aquisição de Dados

1. Inicie a gravação de captura de movimento antes do participante que instruiu a iniciar o movimento.
2. Pare de gravar somente depois que o participante tiver concluído a tarefa.
3. Revise a gravação para garantir que todos os marcadores estejam presentes antes de prosseguir para a próxima gravação.
4. Repita o procedimento pelo número desejado de gravações.
   NOTA: A gravação contínua garante a captura completa de todas as fases da tarefa e evita erros de segmentação que podem ocorrer se a gravação for iniciada ou interrompida durante o movimento.

6. Julgamento estático

1. Peça ao participante para ficar ereto dentro do volume de captura.
2. Instrua o participante a abduir ambos os braços até aproximadamente 45° do corpo, com os cotovelos totalmente estendidos e as palmas voltadas para frente (Figura 8A).
3. Peça ao participante para ficar imóvel por 2 segundos, enquanto o examinador conta em voz alta "mil, dois mil."
4. Instrua o participante a abduir ambos os braços até aproximadamente 90° do corpo, mantendo os cotovelos estendidos e as palmas voltadas para baixo (Figura 8B).
5. Peça ao participante para ficar imóvel por 2 segundos, enquanto o examinador conta em voz alta "mil, dois mil."
6. Instrua o participante a baixar ambos os braços para os lados e ficar em uma postura relaxada e neutra (Figura 8C).
   NOTA: O teste de calibração estática é realizado para estabelecer sistemas de coordenadas segmentais, melhorar a definição das articulações dos membros superiores e verificar a visibilidade dos marcadores antes da execução dinâmica da tarefa.

7. Tarefa de Coleta de Objetos

1. Coloque um objeto padronizado no chão em um local pré-definido dentro do volume de captura.
2. Peça ao participante que fique ereto em uma postura confortável, escolhida por si mesmo, de frente para o objeto (Figura 9A).
3. Forneça a seguinte instrução ao participante: "Por favor, pegue o objeto do chão, em um ritmo confortável, volte a ficar em pé e entregue o objeto."
4. Posicione-se confortavelmente sentado ou ajoelhado no chão para recuperar e reposicionar o objeto entre os testes, garantindo uma colocação consistente.
5. Permita que o participante realize um teste de familiarização, se necessário.
6. Instrua o participante a realizar três testes usando uma mão (Figuras 9B, C).
7. Instrua o participante a repetir a tarefa por três tentativas usando a outra mão (Figura 9D).
8. Permita períodos curtos de descanso entre os testes, conforme necessário, para minimizar a fadiga.
   NOTA: Não são dadas instruções sobre estratégia de movimento que permitam variação natural no comportamento de recolha de objetos. Embora esse protocolo foque na análise cinemática, a tarefa também pode ser realizada em placas de força se forem necessários dados cinéticos. Nesses casos, os participantes podem ser instruídos a ficar dentro de regiões pré-definidas alinhadas com as placas de força, colocando um pé em cada placa de força.

8. Limpeza, Rotulagem e Pós-processamento de Dados

1. Use o software Qualisys Track Manager (QTM) para rotular os marcadores de acordo com Liang et^{al 13}.
2. Use funções de editor de trajetórias para interpolar dados de marcadores ausentes tanto dos arquivos estáticos quanto dos de movimento. Certifique-se de que todos os marcadores estejam 100% preenchidos.
3. O uso de funções de Identificação Automática de Marcadores (AIM) para gerar um modelo que auxilie na rotulagem de testes subsequentes.
4. Exporte os dados limpos como arquivos .c3d (Figura 10).
5. Importe os arquivos .c3d para o software Visual 3D (V3D) Professional.
6. Atribua os arquivos de movimento ao arquivo de calibração (estático) apropriado.
7. Aplique um filtro passa-baixa Butterworth (6Hz) em todos os dados brutos dos marcadores.
8. Aplique o arquivo de modelo (arquivo suplementar 1) para implementar um modelo híbrido ao arquivo estático e ao arquivo de movimento^{designado 14}.
9. Usando a função Compute Model Based Data, calcule o ângulo da junta necessário de acordo.
   NOTA: O arquivo do modelo é fornecido como Arquivo Suplementar 1 para permitir que os leitores repliquem nosso modelo. Para usar o modelo, renomeie a extensão do arquivo de ".txt" para ".mdh." Etapas específicas para rotulagem de dados, criação de modelos, filtragem e cálculo de ângulos de articulação podem variar dependendo do software de captura de movimento e análise biomecânica utilizado.

9. Definição de Fases de Movimento

1. Aplique um pipeline desenvolvido sob medida escrito dentro do V3D para segmentar cada uma das seis repetições em três fases distintas: 1) Descida, 2) Ascensão, 3) Transferência de objetos (Tabela 1) (Figura 11).
2. Defina a captação de objetos direito e esquerdo avaliando trajetórias dos marcadores de pulso e incorpore no pipeline desenvolvido sob medida (Figuras 12A, B).
3. Dentro do mesmo pipeline, exporte os ângulos máximos do plano sagital do torso, quadril, joelho e tornozelo usando os eventos de descida e subida previamente identificados, e separe esses resultados por lado (esquerda vs direita; por exemplo, flexão do quadril esquerdo, flexão do quadril direito) e por mão dominante versus não dominante durante a tarefa de levantamento.
   NOTA: Deslocamentos marcadores e cinemática articular são recomendados como sinais para segmentação das fases distintas. Reconhecendo variações de movimento na execução da tarefa, a seleção de sinais com grandes deslocamentos é incentivada para superar o ruído.

10. Classificação das Estratégias de Captação

1. Examinar a cinemática do tronco e dos membros inferiores durante a fase de descida.
2. Classifique as estratégias de captação nas seguintes categorias com base na contribuição relativa da flexão do tronco e do movimento das articulações dos membros inferiores:
   1. Agachamento dominante (Figura 13A)
   2. Dominante na dobradiça (Figura 13B)
   3. Híbrido (Figura 13C)
      NOTA: Embora a tarefa de coleta de objetos tenha potencial para apoiar a análise de múltiplos resultados biomecânicos, neuromotores e relacionados à coordenação, este protocolo foca especificamente em demonstrar como estratégias de coleta podem ser identificadas e classificadas com base nos padrões de movimento do tronco e dos membros inferiores, fornecendo uma referência normativa.

Results

Trinta participantes realizaram a tarefa de coleta de objetos, durante a qual 14 variáveis cinemáticas foram coletadas. Os participantes foram posteriormente classificados em três grupos estratégicos representando abordagens distintas e intermediárias ao longo de um continuum de estratégias de movimento, interpretadas como dominantes em agachamento (Grupo 1), dominantes em dobradiça (Grupo 2) e estratégias híbridas (Grupo 3). Nenhuma diferença estatisticamente significativa foi observada...

Discussion

Esse protocolo demonstra uma abordagem padronizada para capturar e analisar uma tarefa de coleta de objetos usando captura de movimento tridimensional de corpo inteiro e ilustra como diferentes estratégias de movimento podem ser quantificativamente caracterizadas. Os participantes foram propositalmente selecionados e agrupados para representar padrões distintos e intermediários de estratégias de movimento observados na amostra. A inspeção visual da cinemática articular indicou que a magn...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Caixa para a tarefa de coleta	N/A	N/A	70mm x 70mm x 70mm (Lx Lx x H) impresso em 3D usando filamento de ácido polilático (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Marcadores de agrupamento	Qualisys, AB	& middot; 160146 Parte superior do corpo e middot; 160145 Parte inferior do corpo e middot; 160149 SuperWrap para cluster	Os grupos incluíam dois grupos na parte superior do corpo (braços superiores) e quatro na parte inferior do corpo (dois nas coxas e dois nas hastes).
Marcadores de agrupamento (personalizados)	N/A	N/A	Marcadores de cluster projetados sob medida para rastreamento do pulso (RFA, LFA) e da mão (RHMC, LHMC) foram impressos em 3D usando filamento de ácido polilático (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Estação de trabalho de computador	Genérico	NA	Processador Intel Core i9, 32 GB de RAM, 10 TB de disco rígido, NVIDIA RTX2080
Fita adesiva dupla face para pele	Qualisys, AB	160188 Fita adesiva dupla face	Para fixar a base do marcador na pele
Placa de força	Kistler	Tipo 9260AA6	Duas placas (600 e vezes 500 x 50 mm) embutidas sob o piso, uma para cada pé.
Fita adesiva hipoalergênica para pele	3M	Microporos
Base do marcador	Optitrack	Base do marcador M4
Sistema de captura de movimento	Qualisys, AB	Vídeo Miqus A12	x2, Full HD / 2 MP, Resolução 1920 e horários; 1080 x12, 12 MP 300fps, Resolução 4096 e horários; 3072, FOV 54 e horários; 42 & deg; (motorizado)
Ímãs de Neódimio	Genérico	N/A	Diâmetro 15mm, Espessura 1mm
Gerente de Pista Qualisys (QTM)	Qualisys, AB	Versão 2019	O software é usado para registrar movimentos durante o experimento e realizar pós-processamento de dados.
Marcadores retrorrefletivos	Optitrack	Marcadores M4 de 12,7 mm (1/2)
Visual3D	HAS-Motion	Versão 2021	O software é usado para modelagem biomecânica e produzir os ângulos das juntas relevantes