Трёхмерная кинематическая характеристика задачи на подбор объекта с помощью захвата движения

Summary

Этот протокол представляет стандартизированный подход к захвату движений всего тела для оценки задачи на подъём объекта, иллюстрируя, как различные стратегии движения и компенсаторные паттерны можно количественно охарактеризовать во время этой общей функциональной деятельности.

Abstract

Задача подбора предметов — это фундаментальная деятельность повседневной жизни, которая объединяет координацию туловища, нижней и верхней конечностей, равновесие и визуомоторный контроль в одном экологически обоснованном движении. Несмотря на актуальность, стандартизированные протоколы количественной оценки стратегий захвата объектов с использованием захвата движений всего тела остаются ограниченными. Цель этого протокола — продемонстрировать стандартизированный метод захвата и анализа задачи на подбор объекта с использованием трёхмерного захвата движения по всему телу и иллюстрировать, как можно выявлять и классифицировать различные стратегии движения. Протокол подробно описывает подготовку участников, комплексное размещение маркеров, выполнение задачи и представительный кинематический анализ. Тридцать участников выполнили задание по подъёму объектов, в ходе которого было собрано четырнадцать кинематических переменных. Стратегии движения были классифицированы на приседания, доминирующие с шарниром и гибридные паттерны, представляющие собой различные и промежуточные подходы вдоль континуума стратегий движения. Репрезентативные результаты демонстрируют явные различия в кинемике суставов между группами стратегий, особенно в колене и голеностопе, с дополнительным вкладом от движения туловища. Различия между доминантными и недоминантными условиями кисти дополнительно иллюстрируют чувствительность задания к компенсаторным адаптациям движений. Этот протокол предоставляет практическую и воспроизводимую основу для оценки стратегий подбора объектов и координации всего тела во время функциональных движений.

Introduction

Оценка движений человека является центральной для клинических и исследовательских оценок здоровья опорно-двигательного и^{функционального аппарата 1}. Традиционно оценка движений в значительной степени опиралась на визуальное наблюдение, которое, хотя и клинически ценно, по своей сути субъективно, зависит от опыта оценщика и ограничено в способности последовательно фиксировать тонкие модели координации. Технологии захвата движений, включая как системы на основе маркеров, так и без маркеров, позволяют подробно и количественно изучать движение всего тела с увеличением^{доступности} 2,3,4,5.

При внедрении этих инструментов в клиническую и исследовательскую среду важными факторами становятся практические ограничения, такие как доступное пространство, время оценки и простота выполнения задач. Функциональные задачи, которые кратковременны, требуют минимальной подготовки и при этом дают богатую информацию о координации движений, поэтому особенно ценны. В этом контексте задача по подъёму объекта представляет собой простое и эффективное по времени движение, отражающее интегрированную функцию всего тела. Это стандартный пункт, включённый в шкалу баланса Берга и связанные с ними объективные^{показатели баланса 6,7,8}.

В повседневной жизни поднятие предмета с пола — это фундаментальная деятельность, требующая скоординированного контроля туловища, нижних конечностей и верхних конечностей, а также равновесия и визуомоторной интеграции. Эта задача сочетает в себе наклон вперёд, контролируемое опускание, вытягивание и захват, обращение с предметами и возвращение в стойкость в одном непрерывном движении, возлагая значительные механические нагрузки на поясничный отдел позвоночника и крупные суставы нижней конечности, одновременно активируя функцию верхних конечностей и осанку⁹.

Стратегии подбора долгое время были центральными для охраны труда и эргономики, становя основу тренировок по наклону и ручному обращению, и тесно связаны с опорно-двигательным здоровьем, особенно с болью в пояснице, через как сопутствующие, так и адаптивные^{механизмы 10}. Кроме того, среди пунктов шкалы баланса Берга и связанных с ней показателей объективного баланса задача на подбор объектов наиболее сильно различает падающих и непадающих у пожилых^{людей 11}. Однако, несмотря на её значимость для повседневной функции, задача на получение часто оценивается качественно или интегрируется в составные функциональные тесты, что ограничивает её воспроизводимость и количественную интерпретацию в^{исследованиях 12}.

Захват движения по всему телу позволяет детально охарактеризовать координированные сегментные движения во время функциональных задач, позволяя объективно описывать стратегии движения, а не делать^{выводы 13}. Стандартизированные протоколы для захвата и классификации стратегий движения при подъёме с использованием кинематики всего тела остаются ограниченными. В этой статье демонстрируется стандартизированная задача на подбор объектов с использованием захвата движения всего тела и показано, как можно выявить и классифицировать различные стратегии движения на основе кинематики всего тела.

Хотя задача имеет широкие потенциальные применения, настоящая работа сосредоточена на демонстрации протокола и иллюстрировании репрезентативных стратегий движения, а не на оценке клинических результатов. Кроме того, мы демонстрируем установку маркеров по всему телу для этой задачи, предоставляя практическую основу для исследователей и клиницистов, стремящихся внедрить золотой стандарт захвата движений на основе маркеров для анализа функциональных движений всего тела. Для записи кинематических данных использовалась трехмерная система захвата движений на основе маркеров с полным набором отражающих маркеров (см. рисунок 1).

Protocol

Исследование (IRB-2018-04-014) было одобрено институциональным обзорным советом Технологического университета Наньян в Сингапуре и проведено в соответствии с этическими стандартами, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 года, или аналогичными этическими стандартами. Все участники предоставили письменное информированное согласие перед участием.

1. Подготовка участников

ПРИМЕЧАНИЕ: Задание включает в себя поднятие стандартизированного предмета с пола в комфортном темпе, возвращение в стойкость и передачу предмета, как описано в разделе 7.

1. Попросите участника надеть майку и лёгкие шорты для точного размещения и визуализации отражающих маркеров (рисунок 2A).
2. Убедитесь, что участник ходит босиком.
3. Попросите участника снять отражающие аксессуары, такие как наручные часы.
4. Записывайте антропометрические данные участников в зависимости от системы захвата движений (например, рост, вес) и документируйте доминирование руки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для участников с ограничениями по скромности вместо майки и шорт может использоваться костюм с захватом движения на весь тело.

2. Проверка участников и проверка безопасности

1. Попросите участника пройти небольшое расстояние от экзаменатора в удобном, выбранном для себя темпе (рисунок 2B).
2. Попросите участника повернуться и идти обратно к экзаменатору в том же темпе (рисунок 2C).
3. Наблюдайте за участником во время обеих сторон ходьбы, чтобы убедиться, что он может идти, поворачивать и сохранять равновесие без посторонней помощи.
4. Попросите участника выполнить следующие движения последовательно: вытянуть шею, глядя вверх, согнуть шею, глядя вниз, повернуть голову влево и вправо, и наклонить голову в обе стороны (рисунок 2D).
5. Попросите участника выполнить следующие движения последовательно: наклонить тело вперёд, согнуть тело назад, повернуть тело влево и вправо, выполнить боковое наклонение в обе стороны (рисунок 2E).
6. Обратите внимание на способность участника следовать инструкциям и выполнять все движения без дискомфорта или явных ограничений.
7. Если наблюдается какое-либо ограничение или трудности в движении, задокументируйте это перед началом.
8. После того как участник выполнит все движения уверенно и безопасно, инструктируйте его оставаться стоять для следующей установки маркера.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот краткий скрининг проводится для подтверждения безопасности участника, способности следовать инструкциям и выявления очевидных ограничений в передвижении перед выполнением задачи. На этом этапе не записываются данные захвата движения, и скрининг не предназначен для диагностики или показателя результатов.

3. Размещение маркеров по всему телу

1. Попросите участника повернуться спиной к экзаменатору.
2. Убедитесь, что участник стоит в расслабленной, прямой позе, а руки естественно лежат по бокам.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Всего было установлено 50 отражающих маркеров на анатомические ориентиры и 10 сегментных кластеров для фиксации кинематики всего тела.
3. Пальпировать задние анатомические ориентиры и размещать магнитные основания последовательно над шипистыми отростками T4, T8 и T10, левым и правым задними верхними подвздошными шипами (PSIS), а также задней поверхностью подвздошного гребня, примерно на 2–3 дюйма сверхлатерально от PSIS (рисунок 3A).
4. После того как задние магнитные базы будут размещены, закрепите их лентой (см. рисунок 3B).
5. Визуально проверьте выравнивание средней линии, двустороннюю симметрию и комфорт участника перед началом.
6. Попросите участника повернуться и повернуться лицом к экзаменатору, стоя прямо.
7. Пальпировать левый и правый передний верхний подвздошный шип (ASIS) и разместить магнитные основания с обеих сторон.
8. Пропальпуйте отросток ксифовидного отростка и разместите магнитное основание над этим ориентиром.
9. Закрепите передние магнитные основания лентой.
10. Попросите участника надеть верхнюю часть обратно и вернуться в вертикальную стойку.
11. Пальпировать ранее размещённые магнитные основания через одежду и последовательно прикрепить отражающие маркеры к магнитным основаниям (рисунок 3C).
12. Убедитесь, что все отражающие маркеры надёжно закреплены на соответствующих магнитных основаниях и остаются видимыми.
13. Попросите участника отвернуться от экзаменатора и согнуть шею вперёд.
14. Пропальпуйте седьмой шейный позвонк (C7) и наместите отражающий маркер на этот ориентир (рисунок 4A).
15. Попросите участника вернуться в нейтральное положение головы и повернуться к экзаменатору.
16. Прощупайте грудину и разместите отражающий маркер над этим ориентиром.
17. Пальпировать отростки левого и правого акромионов и разместить отражающие маркеры в обе стороны (рисунок 4B).
18. Попросите участника сесть удобнее и положить правую ладонь на левое колено.
19. Пальпировать медиальные и латеральные надмыщелки правой плечевой кости и разместить отражающие маркеры на обе ориентиры.
20. Повторите процедуру для левого локтя (рисунок 4C).
21. Попросите участника удобно положить обе руки на бёдра.
22. Пальпировать лучевые и локтяные шиловидные отростки и разместить отражающие маркеры с двусторонней стороны (рисунок 4D).
23. Прощупайте головную кость на руке и наместите отражающий маркер поверх этого ориентира на каждой руке.
24. Поставьте по одному отражающему маркеру на ногте большого пальца и по одному на безымянном ногте каждой руки (рисунок 5A, B).
25. Когда участник удобно сидит, пропальпуйте медиальные и латеральные мышечки бедренного мышца правого колена и разместите отражающие маркеры на обоих ориентирах (см. рисунок 5C).
26. Повторите процедуру для левого колена.
27. Пальпировать медиальные и латеральные молотки правой лодыжки и разместить отражающие маркеры на обоих ориентирах (рисунок 5D).
28. Повторите процедуру для левой лодыжки.
29. Прощупайте первую, вторую и пятую плюсневую головки правой стопы и разместите отражающие маркеры на каждом ориентире.
30. Пропальпуйте промежуточную клинопись правой стопы и разместите отражающий маркер.
31. Пропальпуйте пяточку правой стопы и разместите отражающий маркер.
32. Повторите шаги 29–31 для левой стопы, чтобы завершить установку маркеров (рисунок 6A).
33. Прикрепите маркерные кластеры к сегментам предплечья, верхней части руки, кисти, бедра и голени (ноги) в двустороннем направлении (рисунок 6B-D).
34. Крепко закрепите каждый кластер ремнями или скотчем.
35. Попросите участника встать лицом к экзаменатору и смотреть прямо перед собой.
36. Разместите отражающие маркеры с обеих сторон на лобной кости, чуть выше бровей.
37. Разместите отражающие маркеры в обеих сторонах на височной кости (рисунок 7A).
38. Визуально осмотрите все маркеры и скопления для подтверждения правильного расположения, симметрии и видимости.
39. Закрепите все базы маркеров скотчем, чтобы предотвратить смещение или отслоение во время выполнения задачи.
40. Для всех маркеров, размещённых непосредственно на коже (без магнитных оснований), а также для кластеров, расположенных на коже, обведите соответствующие позиции с помощью смываемого маркера для фиксации размещения и обеспечения равномерного перестановки при необходимости (рисунок 7B).
41. Проверьте наличие рыхлых маркеров, скопленного движения или окклюзии во время стоя.
42. Исправьте любые ошибки при размещении или ненадёжные крепления по мере необходимости.
43. Если проблем не обнаружено, переходите к задаче по подбору объектов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение маркеров, описанное выше, отражает рабочий процесс, используемый в нашей лаборатории для кинематического захвата всего тела задачи по подъёму объекта. Хотя разные наборы маркеров могут использоваться в разных лабораториях, принципы анатомической идентификации, согласованности и проверки остаются необходимыми.

4. Настройка системы захвата движений

1. Расположите камеры захвата движения вокруг объёма захвата, чтобы обеспечить полную видимость тела при наклоне вперёд, взаимодействии с объектами и возвращении в стойкость.
2. Определите объём захвата, достаточно большой, чтобы вместить полное движение звукоснимателя без окклюзии.
3. Калибруйте систему захвата движений в соответствии с рекомендациями производителя для установления глобальной системы координат.
4. Убедитесь, что все камеры чётко фиксируют отражающие маркеры и не присутствуют в зоне захвата нежелательных отражающих объектов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эта система обычно выполняется до или параллельно с размещением маркера участником, но с другим персоналом. Достаточное покрытие нижних конечностей, туловища и верхних конечностей крайне важно для полной последовательности движений в ходе задания.

5. Сбор данных

1. Запишите запись с захватом движения до того, как участник инструктует начать движение.
2. Запись останавливается только после того, как участник выполнит задание.
3. Прочитайте запись, чтобы убедиться, что все маркеры присутствуют в записи, прежде чем перейти к следующей записи.
4. Повторите процедуру для нужного количества записей.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Непрерывная запись обеспечивает полный захват всех этапов задачи и избегает ошибок сегментации, которые могут возникнуть при запуске или остановке записи во время движения.

6. Статическое испытание

1. Попросите участника встать вертикально внутри громкости захвата.
2. Инструктуйте участника отвести обе руки примерно под углом 45° от тела, полностью вытянув локти и ладони направлены вперёд (рисунок 8A).
3. Попросите участника оставаться неподвижным 2 секунды, пока экзаменатор вслух считает «тысячу, две тысячи».
4. Инструктировать участника отвести обе руки дальше примерно на 90° от тела, оставаясь вытянутыми локтями и ладонями вниз (рисунок 8B).
5. Попросите участника оставаться неподвижным 2 секунды, пока экзаменатор вслух считает «тысячу, две тысячи».
6. Инструктуйте участника опустить обе руки в стороны и встать в расслабленную нейтральную позу (рисунок 8C).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Статическое калибровочное испытание проводится для установления систем сегментных координат, улучшения определения суставов верхней конечности и проверки видимости маркеров перед выполнением динамической задачи.

7. Задача на подбор предметов

1. Разместите стандартизированный объект на полу в заранее определённом месте внутри объёма захвата.
2. Попросите участника встать в удобную, выбранную самостоятельно позу лицом к объекту (рисунок 9A).
3. Дайте участнику следующую инструкцию: «Пожалуйста, поднимите предмет с пола в удобном темпе, вернитесь в стоячее положение и передайте предмет.»
4. Удобно расположись сидя или на коленях на полу, чтобы поднимать и переставлять предмет между испытаниями, обеспечивая равномерное положение.
5. При необходимости позволите участнику провести одну ознакомительную пробу.
6. Попросите участника выполнить три попытки одной рукой (рисунок 9B, C).
7. Попросите участника повторить задание в течение трёх попыток другой рукой (рисунок 9D).
8. Позволяйте короткие периоды отдыха между испытаниями по мере необходимости, чтобы минимизировать усталость.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не даётся инструкций по стратегии движения, позволяющей естественное разнообразие поведения при подъёме объектов. Хотя этот протокол ориентирован на кинематический анализ, эту задачу можно выполнять и на силовых пластинах, если необходимы кинетические данные. В таких случаях участникам можно попросить стоять в заранее определённых областях, выровненных с силовыми пластинами, ставя по одной ноге на каждую силовую пластину.

8. Очистка, маркировка и постобработка данных

1. Используйте программное обеспечение Qualisys Track Manager (QTM) для маркировки согласно Liang и^{др. 13}.
2. Используйте функции редактора траектории для интерполляции отсутствующих данных маркеров как из статических, так и из motion файлов. Убедитесь, что все маркеры заполнены на 100%.
3. Использование функций автоматической идентификации маркеров (AIM) для создания модели, помогающей в маркировке последующих испытаний.
4. Экспортировать очищенные данные в .c3d-файлы (рисунок 10).
5. Импортируйте .c3d-файлы в программное обеспечение Visual 3D (V3D) Professional.
6. Назначьте файлы движения соответствующему калибровочному (статическому) файлу.
7. Примените низкочастотный фильтр Баттерворта (6 Гц) ко всем сырым маркерным данным.
8. Примените файл модели (дополнительный файл 1) для реализации гибридной модели к статическому файлу и назначенному файлу движения¹⁴.
9. Используя функцию данных на основе вычислительной модели, вычисляйте необходимый угол сопряжения соответственно.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Файл модели предоставлен как дополнительный файл 1 , чтобы читатели могли воспроизводить нашу модель. Чтобы использовать модель, переименуйте расширение файла с «.txt» на «.mdh». Конкретные шаги маркировки данных, создания моделей, фильтрации и вычисления угла соединения могут варьироваться в зависимости от используемого программного обеспечения для захвата движения и биомеханического анализа.

9. Определение фаз движения

1. Примените специально разработанный конвейер, написанный в V3D, чтобы сегментировать каждую из шести повторений на три отдельные фазы: 1) Спуск, 2) Восход, 3) Передача объектов (Таблица 1) (Рисунок 11).
2. Определите правый и левый объект, оценивая траектории маркера запястья, и включите их в специально разработанный конвейер (рисунок 12A, B).
3. В рамках того же конвейера экспортируйте пиковые углы сагиттальной плоскости туловища, бедер, колена и голеностопного сустава, используя ранее определённые события спуска и подъёма, и разделяйте эти результаты по боку (слева против правой; например, сгибание левого бедра, сгибание правого бедра) и по доминирующей и недоминантной руке во время выполнения задачи.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется использовать смещения маркеров и кинематику суставов в качестве сигналов для сегментации отдельных фаз. Учитывая различия в движении при выполнении задачи, рекомендуется выбирать сигналы с большими перемещениями для преодоления шума.

10. Классификация стратегий подбора

1. Осмотрите кинематику туловища и нижней части конечностей во время фазы спуска.
2. Классифицируем стратегии подбора в следующие категории на основе относительного вклада сгибания туловища и движения нижних суставов конечностей:
   1. Доминирующие приседания (рисунок 13A)
   2. Шарнир-доминирующий (рисунок 13B)
   3. Гибрид (рисунок 13C)
      ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя задача на подбор объектов может поддерживать анализ множества биомеханических, нейромоторных и координационных результатов, этот протокол направлен на демонстрацию того, как стратегии подбора можно выявлять и классифицировать на основе паттернов движения туловища и нижней части конечностей, предоставляя нормативный ориентир.

Results

Тридцать участников выполнили задание по подъёму объекта, в ходе которого было собрано 14 кинематических переменных. Затем участников классифицировали на три группы стратегий, представляющих различные и промежуточные подходы вдоль континуума движений, интерпретируемых как доминирующие приседания (Группа 1), доминантные с шарнирами (Группа 2) и гибридные стратегии (Группа 3). Статистически значимых различий между группами по возрасту, полу, росту или весу не наблюдалось (Таблица 2...

Discussion

Этот протокол демонстрирует стандартизированный подход к захвату и анализу задачи по подъёму объектов с использованием трёхмерного захвата движения на весь корпус и иллюстрирует, как различные стратегии движения можно количественно охарактеризовать. Участники были целенаправленно отобраны и сгруппированы для отражения различных и промежуточных паттернов стратегий движения, наблюдаемых в выборке. Визуальный осмотр кинематики суставов показал, что величина сгибания колена является основной...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Коробка для задания «Забрать»	Н/Д	Н/Д	70 мм x 70 мм x 70 мм (Lx W x H) 3D-печать с использованием филамента с полимолочной кислотой (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., Китай).
Кластерные маркеры	Куалисис, AB	и middot; 160146 Верхняя часть тела<б/> и средняя точка; 160145 Нижняя часть тела<бр/> и средняя точка; 160149 SuperWrap для кластера	Кластеры включали два кластера на верхней части тела (верхние руки) и четыре кластера на нижней части тела (два на бёдрах и два на голках).
Кластерные маркеры (пользовательские)	Н/Д	Н/Д	Специально разработанные кластерные маркеры для отслеживания запястья (RFA, LFA) и руки (RHMC, LHMC) печатались на 3D-принтере с использованием филамента полимолочной кислоты (PLA) (eSUN); Shenzhen Esun Industrial Co., Китай).
Компьютерная рабочая станция	Дженерик	NA	Процессор Intel Core i9, 32 ГБ оперативной памяти, 10 ТБ жёсткий диск, NVIDIA RTX2080
Двусторонний клейкий скотч	Куалисис, AB	160188 Двусторонний клейкий скотч	Для прикрепления основания маркера к коже
Силовая пластина	Кистлер	Тип 9260AA6	Две пластины (600 и многократно; 500 x 50 мм), встроенные под пол, по одной на каждую ногу.
Гипоаллергенная клеевая кожная лента	3M	Микропоры
База маркера	Optitrack	База маркера M4
Система захвата движения	Куалисис, AB	Miqus Video Aqus A12	x2, Full HD / 2 МП, разрешение 1920 и больше; 1080 x12, 12 МП 300fps, разрешение 4096 и раз; 3072, FOV 54 и раз; 42 градуса; (моторизованно)
Неодимовые магниты	Дженерик	Н/Д	Диаметр 15 мм, толщина 1 мм
Менеджер трассы Qualisys (QTM)	Куалисис, AB	Версия 2019	Программное обеспечение используется для записи движений во время эксперимента и постобработки данных.
Ретрорефлексивные маркеры	Optitrack	12,7 мм (1/2) маркеры M4
Visual3D	HAS-Motion	Версия 2021	Программное обеспечение используется для биомеханического моделирования и создания соответствующих углов соединения