动态肩胛运动学使用的肩峰标记集群尽量减少与皮肤运动伪影测量

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

研究方案

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

1. 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。
2. 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）。
3. 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）。
4. 附加集群标志设置为使用带（ 图2）上臂。
5. 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。

1. 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。
2. 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。
   1. 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。
   2. 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）。
   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。
   4. 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。
   5. 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。
   6. 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。
3. 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

1. 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。

1. 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。
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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（$％AA）。
   4. 重复步骤4.1.1至4.1.3每个肩胛骨解剖标志。
   5. 相对于所述肱骨标记簇确定，而不是AMC的内侧和外侧髁的位置，使用通过上述步骤。
2. 使用动态校准试验来计算相对于肩胛骨盂肱关节中心的位置。计算盂肱关节中心的位置，相对于肩胛骨，如肱骨和肩胛骨之间的螺旋轴的枢转点。有关该技术的更多详情，请参阅Veeger ^35。
3. 肱骨计算肘关节中心（ELJC），为横向（EL）之间的中距离和内侧髁（EM）; ELJC =（EM + EL）/ 2。
4. 在动态试验中，使用的解剖标志的已知位置相对于所述AMC到全局坐标系（ 图5）内确定的解剖标志的位置。
   注:建模软件包含的命令来启动转换，从局部坐标系坐标系统的全球坐标系， 见图5，例如命令。
   1. 请参考图5A，显示肩峰角地标的位置相对于所述AMC（$％AA），如点4.1所述。
   2. $％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）。
   3. 重复步骤4.4.2每个解剖标志。
5. 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。
   1. 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。
6. 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）。
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。

1. 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。
   1. 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％。
   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。
   3. 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％。
   4. 确定降低阶段结束时的角速度超过最小角速度的2％。
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。
3. 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。

结果

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?...

讨论

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?...

材料

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