Summary
这份报告介绍了如何采用采用被动标志动作捕捉设备时获得肩胛运动学的肩峰标记集群方法的细节。如在文献中进行了描述，该方法提供肩胛运动学一个健壮的，非侵入性的，三维的，动态的和有效的测量，尽量减少皮肤的运动伪影。
Abstract
动态肩胛运动学测量是复杂的，由于在皮肤表面下方的肩胛骨的滑动性质。这项研究的目的是为了清楚地描述确定肩胛运动学使用无源标记物运动捕捉系统时，考虑为错误的可能影响测量的有效性和可靠性的来源的肩峰标记簇（AMC）方法。 AMC方式包括将标记簇在后部肩峰，并通过解剖标志校准相对于所述标记簇有可能获得肩胛运动学测量值有效。该方法的可靠性2天之间进行了检查在一组的，因为它们进行的臂抬高15健康个体（年龄19-38岁，8名男性），以120℃，并降低在额叶，肩胛和矢状平面。结果表明，日之间的可靠性是有利于向上旋转肩胛骨（系数MULT的IPLE相关性; CMC = 0.92）和后倾（CMC = 0.70），但公平在手臂抬高阶段内旋（CMC = 0.53）。波形误差较低向上旋转（2.7°至4.4°）和后倾斜（1.3°至2.8°），相对于内旋（5.4°至7.3°）。在降低阶段的可靠性媲美在海拔阶段观察到的结果。如果在这项研究中列出的协议遵守，对AMC的高度和手臂的运动降低阶段期间提供向上旋转和后倾的可靠测量。
Introduction
肩胛运动学的客观，定量测定可以在在肩部撞击2-8观察到臂抬高提供与肩功能障碍相关联的异常的运动模式，如减少向上旋转，后倾斜的评估。肩胛运动学测量，但是，是困难的，因为骨骼的深位置和滑翔自然皮肤表面1之下。安装反光标记过的解剖标志不充分跟踪肩胛骨，因为它下滑皮肤表面之下9典型的运动测量技术。各种方法已被采用在整个文献中，克服这些困难，包括;成像（X射线或磁共振）10-14，测角仪15,16，骨销钉17-22，手动触诊23,24，和肩峰方法3,5,19,25。每一种方法，然而，也有其局限性，其中包括：前曝光辐射，在二维图像为基础的分析的情况下的投影误差，需要反复肩胛骨的位置的主观解释，是静态的性质或具有高度侵入性（ 例如骨引脚）。
中的溶液，以克服这些困难的是采用其中一个电磁传感器安装肩峰25，骨的平坦部分，其在前方肩胛骨从脊柱领先最外侧部分延伸的平坦部肩峰方法肩胛骨。使用肩峰方法背后的原理构思是减少皮肤的运动伪影，因为肩峰已经显示出具有最少量的皮肤运动伪影比其他网站上肩胛骨26。肩峰方法是非侵入性的，并提供肩胛运动学动态三维测量。验证研究已经显示肩峰方法臂埃尔期间是有效的高达120°使用电磁传感器17,27时evation阶段。当使用基于标记的动作捕捉装置的一系列排列成簇，肩峰标记簇（AMC）的标记，是必要的，已被证明使用活性标志物的动作捕捉系统28时是有效的，并同时使用的无源标记物在手臂抬高和手臂降低29动作捕捉系统。
使用AMC的带有被动标记的动作捕捉装置，用于测量肩胛运动学已经用来评估以下内容的介入来解决肩部撞击30在肩胛运动学变化。的有效使用这种方法，然而，依赖于准确地施加标记的簇的能力，其位置已被证明影响的结果31，校准解剖学界标32和确保臂动作内的运动的有效范围（ 即低于120°手臂抬高）29。它也有人建议将标记簇的再施用，使用有源基于标记的动作捕捉系统的时候，被认为是增加了错误的来源为肩胛后倾斜28。中，因此，重要的是建立肩峰方法的日间可靠性，以确保它提供肩胛运动学的稳定措施。确保测量是可靠将使变化肩胛运动学，由于干预，例如，要被测量和检查。用于测量肩胛运动学的方法已在别处29,33描述本研究的目的是为使用被动标记运动捕捉系统应用这些方法，并考虑到误差的潜在来源提供一步一步的指导和参考工具，并且检查测量方法的可靠性。
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Protocol
注：使用人类参与者批准健康科学伦理委员会的才干在南安普敦大学。所有参与者签署同意书之前的数据收集展开。在这项研究中运动提供的数据使用由12台摄像机被动标志运动捕捉系统记录; 6 400万像素的摄像头，并在120赫兹的采样频率运行6个16万像素的摄像头。
1.参与者准备
- 要求受试者以消除他们的上身衣服或佩戴运动胸罩，马甲，或者露肩顶部。它能使衣服不干扰所述标记物的移动或从照相机的视图阻塞标记是很重要的。
- 构造一个肩峰标记簇组成的一“L”形的塑料片为70mm沿着各方面的长度。附上3回射标记物的AMC，一个在各方面中的各端的端部和1其中eACH方面满足（ 图1）。
- 附上肩峰标记簇（AMC）上，其中肩峰符合肩胛冈，使用双面胶带肩峰的后部。板应遵循肩胛骨指向内侧的脊柱的一个方面，另外应前指向肩胛平面（ 图1）。
- 附加集群标志设置为使用带（ 图2）上臂。
- 附加的回射标记物为以下解剖学界标在推荐的生物力学33的国际协会（ 图1和2）：胸骨切迹（IJ;胸骨切迹的最深关节），剑突（PX;对大多数胸骨尾点）， C7（棘突的C7椎体的过程），T8（T8的椎体棘突），胸锁关节（SC;在胸锁关节最腹点），桡骨茎突（大多数尾POINT上的桡骨茎突）和尺骨茎突（大多数在尺骨茎突尾点）。
图1：肩峰标记集群的位置，C7和T8解剖标志这一数字已经从华纳，MB，查普尔，PH和斯托克斯，MJ修饰手臂使用肩峰标记集群坎降低时测量肩胛运动学。乐章。科学31，386-396，DOI：HTTP：//dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004（2012年）。
图2：胸骨切迹标记位置（IJ），剑突（PX），胸锁（SC），上臂集群，尺骨茎突（美国），桡骨茎突（RS）。
2. Participan吨校准
注：需要的肩胛骨的解剖标志位置应相对于肩峰标记集群确定。需要每个参与者的地标校准。
- 构建一个校准棒组成的置入“T”形成（ 图3）4的反射标记。测量从所述校准棒，所述第一棒标记的前端的距离。
- 触诊并找到以下解剖标志所推荐的生物力学33国际协会。广场上的地标性校准杖尖（ 图3）。捕捉运动捕捉系统，确保对棒标记数据三秒钟，AMC和上臂集群都是可见的摄像头。
- 肩锁关节（AC） - 放在锁骨一只手，然后横向移动，直到那里的锁骨达到肩峰点。将杖尖在锁骨肩峰和之间的联合。
- 肩峰角（AA）， - 触诊沿肩胛骨到最外侧点脊柱。放置在肩峰背侧棒的前端在最外侧点（ 图3）。
- 肩胛骨（TS）的内侧棘 - 触诊沿肩胛骨最中间点的脊椎。将杖尖在那里脊柱符合肩胛骨内侧缘点。
- 肩胛骨（AI）的下角 - 下方触诊沿肩胛骨内侧缘。将杖尖上的肩胛骨最尾点。
- 肱骨内上髁（EM） - 以90度的屈曲指向前方，与他们的拇指朝上参与者的弯头，放置在内侧肘部的手来定位内上髁。将杖尖上的肱骨内上髁的最尾端点。 侧向上髁（EL） - 随着参与者的弯头在90度屈曲的指向前方，与他们的拇指朝上，放置在肘的侧面手来定位外上髁。将杖尖上外上髁的最尾端点。
- 要确定盂肱关节中心，要求参与者与他们用肘部上臂完全伸直执行环转运动，从零度手臂抬高约40度仰角的手臂。他们必须执行这个动作，同时旨在最大限度地减少冗长/收缩和肩部复杂的仰角/抑郁症;如有必要，研究者可以提供帮助。记录该运动为大约30秒。
图3：校准棒使用定位解剖骨里程碑意义就肩峰标记集群（AMC）。
3.实验协议
- 要求参与者从零执行的手臂抬高到120°手臂抬高，然后再由他们一边降低他们的手臂回落到休息矢状，额叶和肩胛飞机。肩胛平面为约40°的前方的冠状面。
4.后处理动态数据的
注：以下步骤详细说明在动态运动试验计算肩胛运动所需要的程序。这些步骤已经被描述和广泛探讨了文学21,33,34内的以下部分的目的是提供一个综合和一步一步的指导，贯彻以获得肩胛运动所需的建模步骤。这些步骤的应用在相关的运动建模软件进行。该软件CONTA插件命令，使创建局部坐标系，坐标从全球到地方的转换坐标系，坐标转换，从地方到全球坐标系和欧拉角度旋转的计算。这些步骤将允许肩胛骨，肱骨和胸部被定义为刚性体。接着旋转肩胛骨相对于胸廓，并且相对于胸部肱骨然后可确定。
- 使用上的AMC标记的坐标，确定一个任意的局部坐标用于AMC（ 图4a）的系统。对于每个肩胛骨解剖标志校准试验中，通过以下步骤确定所述棒，它代表了解剖标志的位置的尖端的位置，相对于在AMC的局部坐标系。
注意：运动建模软件包含的命令来实现从一个全球性的创建局部坐标坐标系统和转换到本地坐标，参见图4，例如命令。- 使用标记的魔杖运动建模软件使用下面的命令来创建棒（ 图4a）局部坐标系：AMC = [AMCO，AMCA，AMCO，AMCO-AMCM，XYZ]其中，AMCO，AMCA和AMCM是给对AMC标记的标签。
- 使用的运动建模软件，计算全局坐标系中的棒的前端的位置。在所提供的本例为83毫米的标记1（M1）的沿着所述棒的X轴（ 图4b）;使用命令：棒= [M1，M1-M2，M3，M4，XYZ]和Wandtip = M1 + {83,0,0} * ATTITUDE（棒），其中M1，M2，M3和M4都给予标记的标签在棒。
- 确定杆的相对于前端的位置到本地使用建模命令坐标的AMC（$％AA）（ 图4c）的系统：$％的AA = WandTip / AMC和参数（$％AA）。
- 重复步骤4.1.1至4.1.3每个肩胛骨解剖标志。
- 相对于所述肱骨标记簇确定，而不是AMC的内侧和外侧髁的位置，使用通过上述步骤。
- 使用动态校准试验来计算相对于肩胛骨盂肱关节中心的位置。计算盂肱关节中心的位置，相对于肩胛骨，如肱骨和肩胛骨之间的螺旋轴的枢转点。有关该技术的更多详情，请参阅Veeger 35。
- 肱骨计算肘关节中心（ELJC），为横向（EL）之间的中距离和内侧髁（EM）; ELJC =（EM + EL）/ 2。
- 在动态试验中，使用的解剖标志的已知位置相对于所述AMC到全局坐标系（ 图5）内确定的解剖标志的位置。
见图5，例如命令。- 请参考图5A，显示肩峰角地标的位置相对于所述AMC（$％AA），如点4.1所述。
- $％AA虚拟标记的位置转换为每个时间点的全局坐标系统中的动态试验期间创建肩峰角（AA）的地标（ 图5b）使用以下运动学模型的命令：AA = $％AA * AMC和OUTPUT（AA）。
- 重复步骤4.4.2每个解剖标志。
- 通过计算相关标记之间的单位矢量表示每个轴对于给定的刚体使用以下运动学建模命令定义为胸部和肩胛骨一个局部坐标系：肩胛骨= [AA，TS-AA，AA-AI，ZXY] 。胸部= [IJ，MUTHX-MLTHX，IJ-C7，YZX]，其中MUTHX是IJ和C7的地标之间的中点，并MLTHX是对PX和T8的地标之间的中点。
注：轴定义为基础的生物力学的国际社会“（ISB）的建议33（ 表1和图6）上。- 用类似的方法，定义一个局部坐标系为肱骨利用'选项2'所推荐的ISB 33。
注：选项2需要由gleohumeral接头中心形成一个足够的平面，肘关节中心和尺骨茎突， 即一定程度的屈肘是必需的。如果参与者接近满伸肘，肱骨轴可能会变得不稳定，因此，'方案1'，应使用（ 表1）。参见Wu 等人（2005）的进一步细节。
- 用类似的方法，定义一个局部坐标系为肱骨利用'选项2'所推荐的ISB 33。
- 动态试验期间确定相对于所述胸部为每个时间点的肩胛骨的取向使用欧拉角分解方法与内旋（Y），向上方转动（X'）和后倾斜（Z'）的一个旋转序列33使用以下运动学模型的命令：ScapularKin = - <胸廓，肩胛骨，YXZ>（ 图7）。
- 使用Y的非万向旋转序列（仰角平面）使用相关的运动建模软件中，X'（海拔）和Y''（轴向转动）36动态试验期间确定相对于所述胸部肱骨的方向。
注：宏是可以从制造商要想在这个手稿中使用的动态建模软件中确定非万向旋转序列下载。
IJ和C7之间MUTHX =中点。 PX和T8之间MLTHX =中点。 GH = GLenohumeral联合中心。 ELJC =肘关节中心。
数学运算：
^ =交叉的两个向量积
|| =向量的绝对值
表1：本地坐标系统中为每个刚性区段。
5.数据缩减和分析
注意：下面的数据缩减和分析步骤是在数值模拟软件（如MATLAB），它允许操作数据矩阵执行。运动数据被分成仰角和肱骨运动的下降阶段，时间归为运动的每个阶段，然后肩胛运动学被表示为相对于肱骨仰角。
- 确定肱骨标高的标高和降低阶段，如下所述（ 图8）。这些阶段从角速度肱骨仰角（ 图8）的确定。见ElevationLoweringPhases.m功能文件。
- 确定肱骨高程的开始时的角速度肱骨超过最大肱骨角速度的阈值的2％。
- 确定的标高相作为在该肱骨角速度低于最大肱骨角速度的2％的点，或者当肱骨仰角超过120°的端部。
- 确定肱骨降低阶段开始时的角速度低于最低角速度，或者在该肱骨海拔低于120℃的点的2％。
- 确定降低阶段结束时的角速度超过最小角速度的2％。
- 通过内插运动数据中的运动，以101个数据点（ 图9）的各相归一化的数据。见Time_normalisation.m功能文件。
- 通过绘制臂角（度）与向上ř表达相对于肱骨高程肩胛运动学浮选（度）（ 图10）。见PlotScapHumRhythm.m功能文件。
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Representative Results
十五与会者谁没有已知的肩膀，颈部或手臂受伤的历史被招入的研究（ 表2）。为了评估内部信度（间天），参加者出席了至少24小时，最长7天分开的两个数据收集会话。在每个数据采集时段，同一人的协议，用于连接反光标记，肩峰标记集群，解剖标志校准，上面详细。使用多个相关（CMC）37的系数的运动波形，从动态试验中获得的可靠性进行评价。波形的测量误差被用来评估错误的天之间的量（σB）38。
| 年龄（岁） | 重量（kg） | 他飞行（M） | 体重指数（千克/平方米） | |
| 组（n = 15） | 24.9±4.4 | 65.8±11.7 | 1.7±0.1 | 22.6±2.3 |
| 19 - 38 | 48 - 86 | 1.5 - 1.9 | 18.3 - 36.5 | |
| 男性（N = 8） | 25.1±1.5 | 73.4±9.9 | 1.8±0.06 | 23.2±2.4 |
| 23 - 27 | 62 - 86 | 1.7 - 1.9 | 19.8 - 26.4 | |
| 女性（N = 7） | 24.6±1.5 | 57±6.3 | 1.6±0.06 </ TD> | 21.9±2.2 |
| 23 - 27 | 48 - 68.5 | 154 - 170 | 18.3 - 24.2 |
表2.参与者的人口统计资料，均数±标准差（SD）和范围。
在内部评估者（日间）的可靠性产生高CMC（> 0.92），用来在肱骨海拔向上旋转和后倾（> 0.69），并降低手臂运动的所有平面。在臂抬高和降低（ 表3）的所有平面内旋转证明较低的CMC值（0.44〜0.76）。这也反映在波形的测量误差与向上旋转通常较低误差值（σB = 2.7°〜4.4°）和后倾斜（σB = 1.3°〜2.8°），这表明良好的可靠性，相对于内部的旋转（ σB = 3.9°〜7.3°）（ 表3）。似乎没有被天之间的任何偏差，以在两者的标高和下降阶段（ 图10）获得的用于向上旋转，后倾角和内旋类似波形模式。
图4.）本地坐标肩峰标记簇（AMC），为通过在AMC（AMCO，AMCA，AMCM），B三种标志物测定的）的系统使用连接到棒的四个标记局部坐标探测棒的系统（ M1，M2，M3和M4）。魔杖的尖端随后计算为点83毫米的M1标记沿魔杖。C）的魔杖，它代表了全球坐标系中的解剖标志的位置的提示位置的X轴，相对于确定为本地协调AMC系统。例如运动学建模命令给出了每一个步骤。这个数字已经从华纳，MB，查普尔，PH和斯托克斯，MJ修饰手臂使用肩峰标记集群。 哼降低时测量肩胛运动学。乐章。科学31，386-396，DOI：HTTP：//dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004（2012年）。
图5. A）肩峰角的地标相对于本地的位置坐标肩峰标记集群。B系统）肩峰角（AA）标志性建筑从本地转化为全局坐标系（黑轴）。
图6.局部坐标系的肩胛骨（TS）和下角（AI）以下的生物力学建议国际协会由肩峰角（AA）的位置限定的肩胛骨，内侧脊柱。提供了例如运动建模命令。这个数字已经从华纳，MB，查普尔，PH和斯托克斯，MJ修饰手臂使用肩峰标记集群。 哼降低时测量肩胛运动学。乐章。科学31，386-396，DOI：HTTP：//dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004（2012年）。
图围绕每个轴线肩胛骨7.欧拉角旋转，相对于胸部，以下的内旋（Y）的一个旋转序列，向上旋转（X'）和后倾斜（Z“）。这个数字已经被修改华纳，MB，查普尔，PH和斯托克斯，MJ测量肩胛骨手臂使用肩峰标记集群。 哼降低时ř运动。乐章。科学31，386-396，DOI：HTTP：//dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004（2012年）。
图8.）肱骨仰角和降低与所表示的绿色虚线B）的肱骨角速度用于确定每个阶段的开始和结束各阶段的开始和结束。最上面的红色虚线表示用于确定海拔阶段的开始和结束的阈值。最下面红色虚线代表用于确定开始和降低阶段结束的阈值。绿色虚线表示在该角速度超过了阈值的各点。
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期间已被内插的超过101个数据点正常化相对于时间臂高程图9.肩胛骨向上旋转。
图肩胛骨的第一天（黑色）和两天（灰色）的10运动波形。显示矢状面手臂运动时肩胛旋转的;仰角（A） 的过程中向上方转动，并在仰角（C）的下降阶段（B）中 ，后倾角和仰角（E）的过程中降低相（D）和内旋和降低相（F）。虚线表示±1标准偏差。
| 肩胛旋转 | | 矢状面 | 肩胛飞机 | 额面 | | |||
| CMC | 波形错误 | CMC | 波形错误 | CMC | 波形错误 | ||
| 内旋 | 海拔 | 0.44±0.3 | 7.3°±1.6 | 0.50±0.2 | 6.7°±0.8 | 0.44±0.3 | 3.9°±1.5 |
| 0.93±0.1 | 3.1°±1.6 | 0.94±0.1 | 3.4°±1.0 | 0.93±0.1 | 2.7°±1.5 | | |
| 后倾 | 0.69±0.2 | 2.3°±0.9 | 0.78±0.2 | 1.4°±0.5 | 0.82±0.2 | 1.3°±0.3 | |
| 内旋 | 降低 | 0.53±0.3 | 7.0°±1.4 | 0.45±0.2 | 7.2°±1.1 | 0.76±0.2 | 5.4°±2.9 |
| 向上旋转 | 0.94±0.0 | 4.4°±1.0 | 0.92±0.1 | 4.3°±1.1 | 0.94±0.1 | 3.9°±1.7 | |
| 后倾 | 0.70±0.2 | 2.5°±1.4 | 0.77±0.2 | 1.8°±0.9 | 0.87±0.1 | 2.8°±0.8 | |
CMC =复相关系数。
肩峰标记集群的表3.内部评价者（天之间-）由多个相关和波形误差系数确定的可靠性。
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Discussion
方法的确定肩胛运动学的选择是至关重要的，考虑的有效性，可靠性和适宜性进行研究性学习应给予。各种方法已被采用在整个文献，但每一种方法都有其局限性。肩峰标记簇通过提供肩胛骨的非侵入性的动态运动测量克服了许多这些限制，诸如从2D成像或要求肩胛骨的位置的重复解释投影误差。然而，该AMC方式仍然容易受到皮肤运动伪影，尤其是在较高的臂的仰角和使成问题的方法，在这些较高的臂的位置的有效性。先前的研究，评估在本研究中所概述的方法的有效性，已经表明，在臂仰角以上120度的测量误差变得过大，并且该方法已不再有效29。然而，双头Ÿ还表明，以下的手臂高海拔手臂手臂返回到低于120度的位置时，肩峰标记聚类方法仍然有效29。有可能通过执行与升高32的臂的解剖标志的校准，以减少在较高的臂的仰角的误差。然而，这增加了错误的下臂的仰角。因此，要考虑在研究的量肩胛运动学被确定的目标，并决定与哪个校准解剖标志的最佳臂抬高位置时，它是重要的。
为了对任何的测量技术被认为是一个可行的工具，以确定其可靠性是重要的。本论文中提出的数据表明，肩峰标记簇可以被分类为分别具有优异为肩胛向上转动和后倾斜良好天之间的可靠性。这些发现进行观察时仰角时检查整个运动波形和下降阶段，这表明肩峰标记簇是一种计量过程中臂运动的两个阶段的可靠方法。在先前的研究中，肩峰标记簇的重新定位已被证明在比较不同的调查时不利地可靠性27,28，肩胛后倾特别的可靠性的影响。28，结果从本研究中，但是，证明后倾斜是天之间的可靠测量。差异方法论面包车安洛的研究（2008）和本研究，其中包括运动捕捉系统（活动标记VS。无源标记物）的种类，和肩峰标记簇的设计和附着位点之间可能占观察到的差异。此外，已知的是肩峰标记簇到肩峰的不同区域的定位会影响measu的精度31种类调和。虽然目前的研究表明一天可靠性之间良好的，但必须附加肩峰标记集群时的参与者，以确保有效和可靠的结果获得服用。
虽然观察到向上旋转和后倾好，出色的可靠性，肩胛骨内旋检查整个运动波形时表现不佳，以公平的可靠性。这与先前的研究一致认为人还发现较低的CMC结果内旋转（0.82）和更大的误差（4.3°）时相比分别向上方旋转和后倾（CMC = 0.94和0.85，误差= 3.3°和3.4° ）39,40。内部旋转，因此，最不可靠的肩胛旋转。为什么内旋转具有较差的可靠性的原因，可能是由于在较低的运动范围（〜5℃）的观察相对于其他肩胛旋转。在k中报告的错误inematic波形范围从3.9°〜7.3°的意思的错误是在某些情况下比正在发生的运动大。此外，在参与者的变化本质上是大3,18,41。可靠性差可能，因此，不能作为测量技术的结果，而是内在个体差异加上一个小范围的运动。应注意检查内部肩胛旋转重复测量时服用。
测量肩胛运动学的目的是为了量化肩胛运动障碍，其临床上常观察到患者的肩部撞击1，并且随后评估治疗后的干预，以减少冲击肩部30的作用在肩胛运动学的更改。在本研究中所描述的技术已经被用于以下一个摩托展示在肩胛运动学改变中的一组与肩部撞击个体R控制再运动30，并已被证明是有效的29和可靠。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Passive marker capture system | Vicon Motion Systems | N/A | |
| Nexus | Vicon Motion Systems | N/A | Data capture software |
| Bodybuilder | Vicon Motion Systems | N/A | Modeling software |
| 14 mm retro reflective markers | Vicon Motion Systems | VACC-V162B | |
| 6.5 mm retro reflective markers | Vicon Motion Systems | VACC-V166 | |
| Calibration wand | Vicon Motion Systems | N/A | |
| Plastic base | N/A | N/A | Constructed 'in-house' |
| Matlab | Mathworks | N/A | Numerical modelling software |
References
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