Измерение динамических Скапулярий кинематики Использование кластера акромиального маркер, чтобы минимизировать смещение кожи Артефакт

Краткое содержание

В данном отчете представлены сведения о том, как принять акромион маркера кластерным методом получения кинематику образок при использовании пассивного устройства, маркер захвата движения. Как было описано в литературе, этот метод обеспечивает надежную, неинвазивным, трехмерный, динамический и правильное измерение кинематики лопаточной, сводя к минимуму движение кожи артефакт.

Аннотация

Измерение динамических кинематики лопаточных является сложным из-за скольжения природы лопатки под поверхностью кожи. Целью исследования было четко описать метод акромион маркер кластера (AMC) определения кинематики образок при использовании пассивной системой захвата движения маркера, с учетом для источников ошибок, которые могут повлиять на достоверность и надежность измерений. Способ включает в себя размещение АМС кластер маркеров на задней акромион, и через калибровки анатомических ориентиров по отношению к маркеру кластера, то можно получить достоверные данные кинематики лопаточных. Надежность метода была рассмотрена между двух дней в группе 15 здоровых лиц (в возрасте 19-38 лет, восемь мужчин), как они выполняются руки высоту, до 120 °, а снижение в лобной, лопаточной и сагиттальной плоскостях. Результаты показали, что между днем ​​надежности было хорошо для восходящего вращения лопаточного (коэффициент Multниям Корреляция; CMC = 0,92) и задний наклон (CMC = 0,70), но справедливо для внутреннего вращения (CMC = 0,53) в течение фазы рука места. Ошибка сигнала была ниже восходящей вращения (2,7 ° до 4,4 °) и задний наклон (1,3 ° до 2,8 °), по сравнению с внутренним вращением (5,4 ° до 7,3 °). Надежность при опускании фазы был сопоставим с результатами, полученными на этапе подъема. Если протокол указано в этом исследовании приклеена к, АМС обеспечивает надежное измерение вверх вращения и задней наклона во время подъема и опускания фазах движения рычага.

Введение

Цель, количественное измерение кинематики лопаточной может дать оценку аномальной движение, связанное с плеча дисфункции ^1, такие как снижение вверх вращения и задней наклона во время руки возвышения наблюдаемого в удар плечом ^2-8. Измерение кинематики лопаточной, однако, трудно из-за глубокого положении кости и скользящим природы под поверхностью кожи ^1. Типичные кинематические методы измерения прикрепления отражающих маркеров более анатомических ориентиров не адекватно отслеживать лопатки, как это скользит под поверхностью кожи ^9. Различные методы были приняты в специализированной литературе, чтобы преодолеть эти трудности, в том числе; томография (X-Ray или магнитный резонанс) ^10-14, угломеры ^15,16, булавки кости ^17-22, ручной пальпации ^23,24, и метод акромион ^3,5,19,25. Каждый метод, однако, имеет свои ограничения, которые включают в себя: экстают такую ​​экспозицию к радиации, ошибки проектирования в случае двумерного анализа на основе образа, требуются повторные субъективную интерпретацию расположения лопатки являются статическими в природе или высоко инвазивными (например, контакты костей).

Раствор для преодоления некоторых из этих трудностей состоит в использовании метода акромион, где электромагнитное датчик, прикрепленный к плоской части акромион ^25, плоский участок кости, который проходит вперед на самом боковой части лопатки, ведущей от позвоночника лопатки. Принцип идея с использованием метода акромион является снижение движение кожи артефакт, как акромион как было показано, имеют наименьшее количество движения кожи артефакт по сравнению с другими сайтами на лопатки ^26. Метод акромион является неинвазивным и обеспечивает динамическую трехмерную измерение кинематики лопаточной. Валидация исследования показали, метод акромиального в силе до 120 ° в течение руку эльфаза evation при использовании электромагнитных датчиков ^17,27. При использовании маркера на основе устройств захвата движения серию маркеров, расположенных в кластере, акромион маркер кластера (AMC), не требуется, и было показано, что действует при использовании активно-маркера системы захвата движения ²⁸ и во время использования пассивно-маркер Система захвата движения во время подъема руки и рука снижения ^29.

Использование АМС с пассивным движения маркера захвата устройства для измерения кинематики образок был использован для оценки изменений в лопаточной кинематики после вмешательства для решения удар плечом ^30. Действительный использование этого метода, однако, зависит от способности точно применять кластер маркеров, положение которых было показано, что влияет на результаты ^31, калибровки анатомические ориентиры ³² и обеспечения движения руки находятся в пределах допустимого диапазона движения (т.е. ниже 120 ° рука превышений) ^29. ЭтоБыло также предложено повторного применения маркера кластера, при использовании активного маркера на основе системы захвата движения, было установлено, что источником повышенной ошибки по лопаточной задней наклона ^28. Поэтому, важно установить между днем ​​надежности метода акромиального тем чтобы она обеспечивала стабильную меру кинематики лопаточной. Обеспечение того, чтобы измерения являются надежными позволит изменения в лопаточной кинематики, из-за вмешательства, например, для измерения и исследованы. Методы, используемые для измерения кинематики образок были описаны в других ^29,33; Целью настоящего исследования было предоставление шаг за шагом руководство и справочным пособием для применения этих методов с использованием системы захвата движения пассивно-маркера, с учетом потенциальным источникам ошибок, и проверить достоверность метода измерений ,

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: использование человеческих участников был утвержден на факультете Комитета по этике медицинских наук в Университете Саутгемптона. Все участники подписали формы согласия перед сбором данных началось. Чтобы данные, представленные в этом исследовании кинематики были записаны с помощью пассивного движения маркера захвата системы, состоящей из 12 камер; шесть 4-мегапиксельные камеры и шесть 16-мегапиксельные камеры, работающие на частоте дискретизации 120 Гц.

1. Участник Подготовка

1. Спросите предметы, чтобы удалить их верхнюю одежду тела или носить спортивный бюстгальтер, жилет, или без бретелек вершины. Важно, чтобы одежда не мешает движению маркеров или закрывают маркеров с точки зрения камеры.
2. Построить акромион маркер кластер, состоящий из 'L' формы кусок пластика 70 мм в длину вдоль каждой стороны. Прикрепите три световозвращающие маркеров для КУА, один на конце каждого конца каждого аспекта и один, где ЕACH аспект Знакомства (Рисунок 1).
3. Прикрепите акромион маркер кластера (AMC) на задней части акромиона где акромион отвечает образок позвоночник, используя двустороннюю клейкую ленту. Одним из аспектов пластины должны следовать позвоночник лопатки указывая медиально, другой должен указать впереди лопаточной плоскости (рис 1).
4. Приложите кластера маркер, установленный в верхней части руки, используя ремни (рис 2).
5. Прикрепите световозвращающие маркеров для следующих анатомических ориентиров на рекомендованные Международным обществом биомеханики ³³ (рис 1 и 2): яремной вырезки (IJ; глубочайшие сустав яремной вырезки), процесс мечевидный (PX, большинство хвостовой точку на грудине), C7 (остистого отростка С7 позвонка), T8 (остистым отростком T8 позвонка), Sternoclavicular сустава (SC; Самое вентральной точка на Sternoclavicular сустава), радиальные отростка (Самый хвостовой поиNT от радиального отростка) и локтевой отростка (Самый хвостовой точка на локтевой отростка).

Рисунок 1:. Позиция акромион маркера кластера, C7 и T8 анатомические маркеры Эта цифра была изменена с Warner, MB, Chappell, рН и Стокса, MJ Измерение кинематики образок во время руку снижения помощью акромион маркер кластер Hum.. Mov. Научно 31, 386-396, DOI:. Http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

Рисунок 2: места маркером для яремной вырезки (Ij), мечевидного отростка (ПВ), Sternoclavicular (SC), верхняя кластера руки, локтевой отростка (США), радиальная отростка (RS).

2. Participanт калибровки

ПРИМЕЧАНИЕ: Места расположения анатомических ориентиров лопатки в должны быть определены по отношению к акромион маркера кластера. Калибровка ориентиров требуется для каждого участника.

1. Построить калибровочную палочку, состоящую из четырех отражающих маркеров, помещенных в формировании 'T' (рис 3). Измерьте расстояние от кончика калибровки палочки к первому палочкой маркера.
2. Пропальпируйте и найдите следующие анатомические ориентиры, как это рекомендовано Международного общества биомеханики ^33. Поместите кончик калибровки палочки на ориентир (рис 3). Захват три секунды данными с системой захвата движения, обеспечивающей маркеров на палочке, AMC и верхней кластер рука видны все на камеры.
   1. Акромиально-ключичного сустава (AC) - Место руку на ключицу, а затем двигаться в сторону до точки, где ключица достигает акромиона.Поместите кончик палочки на стыке между ключицей и акромиона.
   2. Акромиального угол (AA) - Пропальпируйте вдоль позвоночника от лопатки до самого бокового точки. Поместите кончик палочки на спинной части акромиона на самом боковой точке (рис 3).
   3. Медиальная позвоночник лопатки (TS) - Пропальпируйте вдоль позвоночника от лопатки до самого медиальной точки. Поместите кончик палочки в точке, где позвоночник встречается с медиальной границы лопатки.
   4. Нижнего угла лопатки (AI) - Пропальпируйте книзу вдоль медиального края лопатки. Поместите кончик палочки на самом хвостового точки лопатки.
   5. Медиальная надмыщелок (EM) - С локоть участника в 90 ° сгибания указывая вперед, с их большой палец, направленная вверх, поместите руку на медиальной стороне локтя, чтобы найти срединную надмыщелка. Поместите кончик палочки на самом хвостового точки медиальной надмыщелка.
   6. Боковые надмыщелки (EL) - с локтя участника в 90 ° сгибания указывая вперед, с их большой палец, направленная вверх, поместите руку на боковой стороне локтя, чтобы найти боковую надмыщелка. Поместите кончик палочки на самом хвостового точки боковой надмыщелка.
3. Чтобы определить центр плечевого сустава, задать участника выполнить круговое движение с их верхней части руки с локтя полностью выт, от нуля градусов рычага высоте примерно 40 ° рычага подъема. Они должны выполнять это движение в то время как целью минимизации Затягивание / отвода и угла возвышения / депрессии плечевого комплекса; Следователь может оказать помощь в случае необходимости. Запись это движение в течение примерно 30 сек.

Рисунок 3: Калибровка палочка используетсячтобы найти анатомические костлявую ориентир в отношении акромион маркер кластера (AMC).

3. Эксперимент протокол

1. Спросите участников, чтобы выполнить руки подъем от нуля до 120 ° рычага подъема, а затем опустите их руку назад, чтобы отдохнуть рядом с ними в сагиттальной, фронтальной и лопаточной плоскости. Образок самолет примерно 40 ° кпереди от фронтальной плоскости.

4. Последующая обработка кинематических данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже подробно процедура необходима для расчета кинематики образок во время динамических испытаний движения. Эти шаги были описаны и изучены широко в литературе ^21,33,34 и цель следующем разделе, чтобы обеспечить синтез и шаг за шагом руководство для осуществления этапов моделирования, необходимые для получения кинематику образок. Применение этих шагов ведется в соответствующей кинематической программного обеспечения для моделирования. Программное обеспечение Контамодули команд по включению создание местных систем координат, преобразование координат из глобального к локальному системе координат, преобразование координат от локального до глобального систем и расчет угла вращения Эйлера координат. Эти шаги позволят лопатки, плечевой кости и грудной клетки можно определить как твердых тел. Впоследствии вращение лопатки по отношению грудной клетки и плечевых костей с уважением грудной клетки может быть определена.

1. Используя координаты маркеров на AMC, определить произвольную локальную систему координат AMC (рис 4а). Для каждого лопаточного анатомической проб калибровки знаковым, определить местоположение кончика палочки, который представляет расположение анатомических ориентира, с относительно локальной системы координат на AMC, используя следующие шаги.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Кинематическая программное обеспечение для моделирования содержат команды для включения создания локальных систем координат и преобразование координат из глобальныхдо локальных координатах, рис 4 Например команд.
   1. С помощью маркеров на палочки, чтобы создать локальную систему координат палочки (рис 4а), используя следующую команду в кинематической программного обеспечения для моделирования: AMC = [Amco, AMCA-Amco, AMCO-AMCM, XYZ], где AMCO, AMCA и AMCM являются этикетки, данные маркеров на АМКУ.
   2. Использование программного обеспечения кинематической моделирования, вычислить местоположение кончика палочки в глобальной системе координат. В приведенном примере это 83 мм от маркера 1 (M1) вдоль оси X палочки (рис 4б); используйте команду: Жезл = [M1, M1-M2, M3-M4, XYZ] и Wandtip = M1 + {83,0,0} * ОТНОШЕНИЕ (Wand), где M1, M2, M3 и M4 представляют собой этикетки, данные маркеров на палочку.
   3. Определите расположение кончика палочки, в отношении локальной системы AMC ($% AA) (рис 4в) координат с помощью команды моделирования: $% AA = WandTip / AMC и PARAM ($% AA).
   4. Повторите шаги 4.1.1 4.1.3 для каждого лопаточной анатомической ориентир.
   5. Определить местоположение медиальной и латеральной надмыщелки по отношению к плечевой маркера кластера, а АМС, используя используя вышеописанные шаги.
2. Использование динамических суда калибровки для вычисления местоположения плечевого сустава центра по отношению к лопатке. Рассчитать положение плечевого сустава центре, по отношению к лопатке, как точки вращения оси спирали между плечевой костью и лопаткой. Для получения более подробной информации по этой технике см Veeger ^35.
3. Пересчитать локтевого сустава центр (ELJC) в середине расстояния между боковой (EL) и медиальной надмыщелки (EM) плечевой кости; ELJC = (EM + EL) / 2.
4. В динамических испытаний, использовать известную позицию анатомических ориентиров по отношению к АМС, чтобы определить расположение анатомических ориентиров в глобальной системе координат (рисунок 5).
   Примечание: Моделирование программного обеспечения содержит команды для включения преобразование координат из местной системы координат к глобальным системам координат, рис 5 для команды примером.
   1. На рисунке 5а, показывающий расположение угла акромион ориентир по отношению к АМС ($% АА), как описано в пункте 4.1.
   2. Преобразование расположение $% АА виртуальной маркера для глобальной системе координат для каждой временной точки во время динамического испытания к созданию угол акромиального (AA) ориентир (рис 5б) с помощью следующей команды кинематической моделирования: AA = $% АА * AMC и ВЫХОД (АА).
   3. Повторите шаги 4.4.2 для каждого анатомического ориентира.
5. Определить локальную систему координат для грудной клетки и лопатки путем расчета единичных векторов между соответствующими маркерами, чтобы представлять каждую ось для данного твердого тела с помощью следующей кинематической моделирования команду: Лопатка = [AA, TS-AA, AA-AI, ZXY] , Грудная клетка = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, угх], где MUTHX является средней точкой между IJ и C7 ориентир и MLTHX является средней точкой между PX и Т8 достопримечательностей.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Определение оси на основе Международного общества биомеханики "(ISB) рекомендации ³³ (Таблица 1 и Рисунок 6).
   1. Используя аналогичный метод, определить локальную систему координат для плечевой кости с помощью "Вариант 2" в соответствии с рекомендациями ИМК ^33.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вариант 2 требует достаточного плоскости, образованной gleohumeral совместного центра, локтевого сустава центр и локтевой отростка, т.е. степень сгибание локтя не требуется. Если участник приближается полного выдвижения локтя, плечевые оси может стать нестабильной, и поэтому «Вариант 1» должен быть использован (таблица 1). См У и др. (2005) для получения дополнительной информации.
6. Определения ориентации лопатки по отношению к грудной клетке для каждой временной точке во время динамического пробс использованием метода угол разложения Эйлера с последовательностью вращения внутреннего вращения (Y), вверх вращения (X ') и задней наклона (Z' ') ³³ с помощью следующей команды кинематической моделирования: ScapularKin = - <грудной клетки, лопатки, YXZ> ( Рисунок 7).
7. Определить ориентацию плечевой кости по отношению к грудной клетке во время динамического испытания, при не-карданный последовательность вращения Y (плоскость возвышения), X '(высота) и Y' '(осевое вращение) ^36, используя соответствующую кинематической программное обеспечение моделирования.
   ПРИМЕЧАНИЕ: макрос доступен для загрузки с изготовителем, в целях определения, не карданные последовательности вращения в кинематической программного обеспечения для моделирования, используемого в этой рукописи.

MUTHX = средняя точка между IJ и С7. MLTHX = средняя точка между ПВ и Т8. GH = GLenohumeral Объединенный центр. ELJC = локтевой сустав центр.

Математические операторы:

= Векторное произведение двух векторов

|| = Абсолютное значение вектора

Таблица 1: Локальная система координат для каждой жесткой сегменте.

5. Снижение и анализ данных

ПРИМЕЧАНИЕ: следующие обработка и анализ данных операции выполняются в цифровом программного обеспечения для моделирования (например, MATLAB), что позволяет манипулировать матриц данных. Кинематическая данных делится на повышение и понижение фаз движения плечевого, время нормализуется для каждой фазы движения, то лопаточного кинематика выражены относительно угла плечевого места.

1. Определите высоту и опускания фазу плечевой высоте, как описано ниже (рисунок 8). Эти фазы определяется из угловой скорости плечевой угол возвышения (рисунок 8). См функцию ElevationLoweringPhases.mподать.
   1. Определить начало плечевой высоте, когда угловая скорость плечевой кости превышает пороговое 2% максимального плечевой угловой скорости.
   2. Определить конец фазы подъема как точку, в которой плечевая угловая скорость падает ниже 2% от максимального плечевой угловой скорости, или когда плечевая наклона превышает 120 °.
   3. Определить начало плечевой снижения фазе, когда угловая скорость падает ниже 2% от минимальной угловой скорости, или в точке, в которой плечевая высота падает ниже 120 °.
   4. Определить конец снижение фазы, когда угловая скорость превышает 2% от минимальной угловой скорости.
2. Нормализация данных путем интерполяции кинематических данных на каждом этапе движения к 101 точек данных (рисунок 9). Смотрите функцию файл Time_normalisation.m.
3. Экспресс кинематику образок по отношению к плечевой высоте, откладывая угол рычага (в градусах) против восходящего гotation (в градусах) (Рисунок 10). Смотрите функцию файл PlotScapHumRhythm.m.

Результаты

Пятнадцать участников, которые не известны истории плеча, шеи или рук травм были набраны в исследование (таблица 2). Для оценки внутрирегиональной Räter (между день) надежность, приняли участие две сессии по сбору данных, разделенных по крайней мере, 24 часов и максимум 7 дней. Во время каждого сеанса сбора данных, тот же следователь выполняется протокол для крепления отражающие маркеры, акромиона маркера кластера и анатомические вехой калибровки, как описано выше. Надежность кинематической волны получе...

Обсуждение

Выбор методологии для определения кинематики образок имеет решающее значение, и рассмотрение вопроса о действительности, надежности и ее пригодности для научного исследования должны быть заполнены. Различные методы были приняты в специализированной литературе, но каждый метод имеет свои ограничения. Акромион маркер кластера преодолевает некоторые из этих ограничений, таких как проекцию ошибок из 2D изображений или требующие повторной интерпретации расположения лопатки, обеспечивая неинвазивные динамический кинематическо...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Пассивная система захвата маркеров	Vicon Motion Systems	N/A
Nexus	Vicon Motion Systems	Н/Д	Программное обеспечение для сбора данных
Бодибилдер	Vicon Motion Systems	N/A	Программное обеспечение для моделирования
14 мм Ретроотражающие маркеры	Vicon Motion Systems	VACC-V162B
6,5 мм светоотражающие маркеры	Vicon Motion Systems	VACC-V166
Калибровочная палочка	Vicon Motion Systems	Н/Д
Пластиковая основа	Н	/Д	Изготовлен «на месте»
Matlab	Mathworks	Н/Д	Программное обеспечение для численного моделирования