La medición de la Dinámica Escapulario Cinemática El uso de un Cluster Acromion marcador para Minimizar Artefacto Movimiento Piel

Resumen

Este informe presenta los detalles de cómo adoptar el método de agrupación marcador acromion de la obtención de la cinemática escapular cuando se utiliza un dispositivo marcador de captura de movimiento pasivo. Como se ha descrito en la literatura, este método proporciona una medición robusto, no invasiva, en tres dimensiones, dinámica y válida de la cinemática escapular, minimizar el movimiento de la piel artefacto.

Resumen

La medición de la cinemática escapular dinámicos es complejo debido a la naturaleza de deslizamiento de la escápula debajo de la superficie de la piel. El objetivo del estudio fue describir claramente el método de agrupación marcador acromion (AMC) de la determinación de la cinemática escapular cuando se utiliza un sistema de captura de movimiento marcador pasivo, con la consideración de las fuentes de error que pueden afectar a la validez y la fiabilidad de las mediciones. El método AMC consiste en colocar un grupo de marcadores sobre el acromion posterior, y por medio de la calibración de puntos de referencia anatómicos con respecto al grupo marcador es posible obtener mediciones válidas de la cinemática escapular. Se examinó la fiabilidad del método entre dos días en un grupo de 15 individuos sanos (edad 19-38 años, ocho varones), ya que realizan la elevación del brazo, a 120 °, y el descenso en el frontal, escapular y sagital. Los resultados mostraron que la fiabilidad entre-día era bueno para la rotación de la escápula hacia arriba (Coeficiente de MultCorrelación IPLE; CMC = 0,92) y de inclinación posterior (CMC = 0,70), pero justo para la rotación interna (CMC = 0.53) durante la fase de elevación del brazo. El error de forma de onda fue menor para la rotación hacia arriba (2,7 ° a 4,4 °) y la inclinación posterior (1,3 ° a 2,8 °), en comparación con la rotación interna (5,4 ° a 7,3 °). La fiabilidad durante la fase de descenso fue comparable a los resultados observados durante la fase de elevación. Si el protocolo descrito en este estudio se adhiere a, el AMC proporciona una medición fiable de rotación hacia arriba y la inclinación posterior durante la elevación y descenso fases de movimiento del brazo.

Introducción

Objetivo medición cuantitativa de la cinemática escapular puede proporcionar una evaluación de los patrones de movimiento anormales asociados con la disfunción del hombro ^1, como la rotación hacia arriba reducida y rotación posterior durante la elevación del brazo observada en la inflamación del hombro ^2-8. Medición de la cinemática escapular, sin embargo, es difícil debido a la posición profunda de la médula y la naturaleza deslizándose por debajo de la superficie de la piel ^1. Las técnicas típicas de medición cinemáticos de unir marcadores reflectantes más puntos anatómicos no rastrear adecuadamente la escápula mientras se desliza por debajo de la superficie de la piel ^9. Varios métodos han sido adoptadas en la literatura para superar estas dificultades, incluyendo; imágenes (rayos X o resonancia magnética) ^10-14, goniómetros ^15,16, alfileres de hueso ^17-22, palpación manual de ^23,24, y el método acromion ^3,5,19,25. Cada método, sin embargo, tiene sus limitaciones, que incluyen: exexposi- a la radiación, los errores de proyección en el caso de análisis basada en imágenes de dos dimensiones, requieren repitió la interpretación subjetiva de la ubicación de la escápula, son de naturaleza estática o son altamente invasiva (por ejemplo, pasadores de hueso).

Una solución para superar algunas de estas dificultades es emplear el método de acromion donde un sensor electromagnético se une a la porción plana de la acromion ^25, una parte plana del hueso que se extiende hacia delante en la parte más lateral de la escápula que conduce desde la columna vertebral de la escápula. La idea detrás de principio utilizando el método de acromion es para reducir el movimiento de la piel artefacto, como el acromion se ha demostrado que tienen la menor cantidad de movimiento de la piel artefacto en comparación con otros sitios en la escápula ^26. El método acromion es no invasivo y ofrece medición tridimensional dinámica de la cinemática escapular. Los estudios de validación han demostrado el método acromion siendo válidos hasta 120 ° en el brazo elfase evation al utilizar sensores electromagnéticos ^17,27. Cuando el uso de dispositivos de captura de movimiento de marcador basado una serie de marcadores dispuestos en un clúster, el clúster marcador acromion (AMC), que se requiere y se ha demostrado que es válido cuando se utiliza un sistema de captura de movimiento-marcador activo ²⁸ y durante el uso de un marcador pasivo- sistema de captura de movimiento durante la elevación del brazo y el brazo bajando ^29.

El uso de la AMC con un dispositivo de captura de movimiento marcador pasivo para medir la cinemática escapular se ha utilizado para evaluar los cambios en la cinemática escapular tras una intervención para tratar la inflamación del hombro ^30. El uso válido de este método, sin embargo, depende de la habilidad de aplicar con precisión el grupo de marcadores, de los cuales se ha demostrado la posición que afecta a los resultados ^31, calibre ³² puntos de referencia anatómicos y asegurar los movimientos del brazo están dentro de un rango válido de movimiento (es decir, por debajo de 120 ° de elevación del brazo) ^29. EllaTambién se ha sugerido una nueva aplicación del clúster marcador, cuando se utiliza un sistema de captura de movimiento basado marcador activo, se encontró que era la fuente de mayor error de inclinación posterior ²⁸ escapular. Es, por lo tanto, es importante establecer la fiabilidad entre-día del método acromion para asegurarse de que proporciona una medida estable de la cinemática escapular. Asegurar que las mediciones son confiables permitirá cambios en la cinemática escapular, debido a una intervención, por ejemplo, para medir y examinar. Los métodos utilizados para medir la cinemática escapular se han descrito en otra parte ^29,33; el objetivo del presente estudio fue proporcionar una guía y referencia de la herramienta paso a paso para la aplicación de estos métodos utilizando un sistema de captura de movimiento pasivo-marcador, con consideración a las posibles fuentes de error, y para examinar la fiabilidad del método de medición .

Protocolo

NOTA: El uso de los participantes humanos fue aprobado por el Comité de Ética de la Facultad de Ciencias de la Salud de la Universidad de Southampton. Todos los participantes firmaron formularios de consentimiento antes de la recolección de datos se inició. Para los datos presentados en este estudio cinemático se registraron utilizando un sistema de captura de movimiento marcador pasivo que consta de 12 cámaras; seis cámaras de 4 megapíxeles y seis cámaras de 16 megapíxeles que operan a una frecuencia de muestreo de 120 Hz.

1. Participante Preparación

1. Pregunte sujetos a quitarse la ropa superior del cuerpo o usar un sostén deportivo, chaleco, o sin espalda superior. Es importante que la ropa no interfiere con el movimiento de los marcadores u ocluir los marcadores de la vista de las cámaras.
2. Construir un clúster marcador acromion que consiste en una 'L' pedazo de plástico de 70 mm de longitud a lo largo de cada aspecto en forma. Adjuntar tres marcadores retrorreflectantes a la AMC, uno en el extremo de cada extremo de cada aspecto y uno donde each aspecto se encuentran (Figura 1).
3. Una el grupo marcador acromion (AMC) en la parte posterior del acromion donde el acromion cumple la espina de la escápula, usando cinta adhesiva de doble cara. Un aspecto de la placa debe seguir la espina de la escápula apuntando en sentido medial, el otro debe apuntar anterior al plano escapular (Figura 1).
4. Adjuntar un marcador de clúster se establece en la parte superior del brazo utilizando correas (Figura 2).
5. Adjuntar marcadores retrorreflectantes a los siguientes puntos anatómicos en lo recomendado por la Sociedad Internacional de Biomecánica ³³ (Figuras 1 y 2): horquilla esternal (IJ; Deepest conjunta de la horquilla esternal), proceso xifoides (PX; más caudal punto en el esternón), C7 (apófisis espinosa de la vértebra C7), T8 (apófisis espinosa de la vértebra T8), articulación esternoclavicular (SC; más ventral punto de la articulación esternoclavicular), estiloides radial (más poi caudalnt en la estiloides radial), y cubital estiloides (El punto más caudal en la estiloides cubital).

Figura 1:. Posición de la agrupación marcador acromion, C7 y T8 marcadores anatómicos Esta cifra ha sido modificado desde Warner, MB, Chappell, PH y Stokes, MJ Medir cinemática escapular durante brazo bajar usando el cluster marcador acromion Hum.. Mov. Sci. 31, 386-396, doi: http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

Figura 2: ubicación de los marcadores de la horquilla esternal (IJ), proceso xifoides (PX), esternoclavicular (SC), clúster parte superior del brazo, estiloides cubital (US), estiloides radial (RS).

2. PARTICIPANTESt Calibración

NOTA: La ubicación de los puntos anatómicos de la escápula debe ser adoptada con respecto al clúster marcador acromion. Se requiere una calibración de los puntos de referencia para cada participante.

1. Construir una varita de calibración consiste en cuatro marcadores reflectantes colocados en la formación de una 'T' (Figura 3). Mida la distancia desde la punta de la varita de calibración para el primer marcador varita.
2. Palpar y localice los siguientes puntos anatómicos según lo recomendado por la Sociedad Internacional de Biomecánica ^33. Coloque la punta de la varita de calibración en el punto de referencia (Figura 3). Captura de tres segundos de datos con el sistema de captura de movimiento asegurando los marcadores en la varita, la AMC y el grupo superior del brazo son visibles para las cámaras.
   1. Articulación acromioclavicular (AC) - Coloque una mano en la clavícula, a continuación, mueva lateralmente hasta el punto donde la clavícula se alcanza el acromion.Coloque la punta de la varita en la articulación entre la clavícula y el acromion.
   2. Ángulo Acromion (AA) - Palpe a lo largo de la espina de la escápula hasta el punto más lateral. Coloque la punta de la varita en la cara dorsal del acromion en el punto más lateral (Figura 3).
   3. Columna medial de la escápula (TS) - Palpe a lo largo de la espina de la escápula hasta el punto más medial. Coloque la punta de la varita en el punto donde la columna se une con el borde medial de la escápula.
   4. Ángulo inferior de la escápula (AI) - Palpar inferiormente a lo largo del borde medial de la escápula. Coloque la punta de la varita en el punto de la escápula más caudal.
   5. Epicóndilo medial (EM) - Con el codo del participante en el 90 ° de flexión apuntando hacia delante, con su pulgar apuntando hacia arriba, coloque una mano en la cara medial del codo para localizar el epicóndilo medial. Coloque la punta de la varita en el punto del epicóndilo medial más caudal.
   6. Epicóndilos laterales (EL) - Con el codo del participante en 90 ° de flexión apuntando hacia delante, con su pulgar apuntando hacia arriba, coloque una mano en la parte lateral del codo para localizar el epicóndilo lateral. Coloque la punta de la varita en el punto del epicóndilo lateral más caudal.
3. Para determinar el centro de la articulación glenohumeral, pida al participante para realizar un movimiento circunducción con su parte superior del brazo con el codo completamente extendido, desde los cero grados de elevación del brazo a aproximadamente 40 ° de elevación del brazo. Deben realizar este movimiento, mientras que el objetivo de minimizar la protracción / retracción y elevación / depresión del complejo del hombro; el investigador puede proporcionar asistencia en caso de necesidad. Anote este movimiento durante aproximadamente 30 segundos.

Figura 3: Varita de calibración utilizadopara localizar anatómica hito ósea con respecto al clúster marcador acromion (AMC).

Protocolo 3. Experimento

1. Pregunte participante para realizar la elevación del brazo de cero a 120 ° elevación del brazo, y luego baje su brazo hacia atrás a descansar a su lado en el plano sagital, frontal y escapular. El plano escapular es de aproximadamente 40 ° anterior al plano frontal.

4. Post-procesamiento de datos cinemática

NOTA: Los siguientes pasos detallan el procedimiento necesario para calcular la cinemática escapular durante las pruebas dinámicas de movimiento. Estos pasos se han descrito y estudiado ampliamente en la literatura ^21,33,34 y el propósito de la siguiente sección es proporcionar una síntesis y un paso a paso guía para la aplicación de las medidas de modelización necesarios para obtener la cinemática escapular. La aplicación de estas medidas se lleva a cabo en el software de modelado cinemático correspondiente. La conta softwareins comandos para permitir la creación de sistemas de coordenadas locales, el sistema de la conversión de coordenadas de un global a lo local de coordenadas, los sistemas y el cálculo de las rotaciones de ángulos de Euler la conversión de coordenadas de lo local a lo global de coordenadas. Estas medidas permitirán a la escápula, húmero y el tórax que se definen como cuerpos rígidos. Posteriormente la rotación de la escápula con respecto el tórax, y el húmero con respecto tórax se puede determinar.

1. Utilizando las coordenadas de marcadores en el AMC, definir un sistema de coordenadas arbitrario local para el AMC (Figura 4a). Para cada ensayo de calibración de punto de referencia anatómica escapular, determinar la ubicación de la punta de la varita, que representa la ubicación del punto de referencia anatómico, con respecto al sistema de coordenadas local en el AMC mediante los pasos siguientes.
   NOTA: el software de modelado cinemático contiene comandos para permitir la creación de sistemas de coordenadas locales y conversión de coordenadas de un mundiala unas coordenadas locales, véase la Figura 4 para los comandos de ejemplo.
   1. Utilice los marcadores en la varita para crear un sistema de coordenadas local de la varita (Figura 4a) con el siguiente comando en el software de modelado cinemático: AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz] donde AMCO, AMCA y AMCM son las etiquetas dadas a los marcadores en el AMC.
   2. Usando el software de modelado cinemático, calcular la ubicación de la punta de la varita en el sistema de coordenadas global. En el ejemplo proporcionado esto es 83 mm desde el marcador 1 (M1) a lo largo del eje X de la varita (Figura 4b); utilice el comando: Varita = [M1, M1-M2, M3-M4, xyz] y Wandtip = M1 + {} 83,0,0 * ACTITUD (Wand) donde M1, M2, M3 y M4 son las etiquetas dadas a los marcadores en la varita.
   3. Determinar la ubicación de la punta de la varita con respecto al sistema local de la AMC ($% AA) (Figura 4c) coordinar el uso de los comandos de modelado: $% AA = WandTip / AMC y PARAM ($% AA).
   4. Repita los pasos 4.1.1 al 4.1.3 para cada hito anatómico escapular.
   5. Determinar la ubicación de los epicóndilos medial y lateral con respecto a la agrupación marcador húmero, en lugar de la AMC, utilizando el uso de los pasos anteriores.
2. Utilice el ensayo calibración dinámica para calcular la ubicación del centro de la articulación glenohumeral con respecto a la escápula. Calcular la posición del centro de la articulación glenohumeral, con respecto a la escápula, como el punto del eje de la hélice entre el húmero y la escápula pivote. Para más detalles sobre esta técnica consulte Veeger ^35.
3. Cálculo del centro de la articulación del codo (ELJC) como la mitad de la distancia entre el lateral (EL) y medial epicóndilos (EM) del húmero; ELJC = (EM + EL) / 2.
4. Durante los ensayos dinámicos, utilice la posición conocida de los puntos de referencia anatómicos con respecto a la AMC para determinar la ubicación de los puntos de referencia anatómicos dentro del sistema de coordenadas global (Figura 5).
   NOTA: El software de modelado contiene comandos para permitir la conversión de coordenadas de coordenadas local de sistemas para sistemas de coordenadas globales, véase la Figura 5, por ejemplo, los comandos.
   1. Consulte la Figura 5a que muestra la ubicación del hito ángulo acromion con respecto a la AMC ($% AA) como se describe en el punto 4.1.
   2. Convertir la ubicación de $% AA marcador virtual para el sistema global de coordenadas para cada punto de tiempo durante el ensayo dinámico para crear el ángulo acromion (AA) señal (Figura 5b) mediante el siguiente comando modelado cinemático: AA = $% AA * AMC y OUTPUT (AA).
   3. Repita los pasos 4.4.2 para cada hito anatómico.
5. Definir un sistema de coordenadas local para el tórax y la escápula mediante el cálculo de los vectores de la unidad entre los marcadores pertinentes para representar a cada eje para un cuerpo rígido dado usando el siguiente comando modelado cinemático: Escápula = [AA, TS-AA, AA-AI, ZXY] . Tórax = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, yzx], donde MUTHX es el punto medio entre el IJ y C7 hito y MLTHX es el punto medio entre los PX y T8 hitos.
   NOTA: La definición ejes se basa en la Sociedad Internacional de Biomecánica '(ISB) ³³ recomendaciones (Tabla 1 y Figura 6).
   1. Usando un método similar, definir un sistema de coordenadas local para el húmero utilizando 'Opción 2' como se recomienda por la JIS ^33.
      NOTA: La opción 2 requiere un plano suficiente formada por el centro de la articulación gleohumeral, codo centro mixto y la estiloides del cúbito, es decir, un grado de flexión del codo se requiere. Si el participante se acerca extender el codo, los ejes de húmero pueden volverse inestables y por lo tanto "Opción 1" deben ser utilizados (Tabla 1). Ver Wu et al. (2005) para más detalles.
6. Determinar la orientación de la escápula en relación con el tórax para cada punto de tiempo durante el ensayo dinámicoutilizando el método de descomposición ángulo de Euler con una secuencia de rotación de la rotación interna (Y), la rotación hacia arriba (X ') y la inclinación posterior (Z' ') ³³ con el siguiente comando modelado cinemático: ScapularKin = - ( la Figura 7).
7. Determinar la orientación del húmero con respecto al tórax durante el ensayo dinámico utilizando una secuencia no cardan rotación de Y (plano de elevación), X '(elevación) y Y' '(rotación axial) ³⁶ usando el software de modelado cinemático correspondiente.
   NOTA: Una macro está disponible para descargar desde el fabricante con el fin de determinar las secuencias de rotación no cardán dentro del software de modelado cinemático utilizado en este manuscrito.

MUTHX = punto medio entre IJ y C7. MLTHX = punto medio entre PX y T8. GH = glcentro mixto enohumeral. ELJC = codo centro mixto.

Los operadores matemáticos:

^ = Producto vectorial de dos vectores

|| = Valor absoluto de un vector

Tabla 1: sistema de coordenadas local para cada segmento rígido.

5. Reducción y Análisis de Datos

NOTA: Los siguientes pasos de reducción de datos y de análisis se llevan a cabo en el software de modelado numérico (como MATLAB) que permite la manipulación de matrices de datos. La cinemática de datos se divide en la elevación y descenso fases de movimiento humeral, tiempo normalizado para cada fase del movimiento, entonces la cinemática escapular se expresan en relación con el ángulo de elevación humeral.

1. Determinar la elevación y la fase de descenso de la elevación humeral como se describe a continuación (Figura 8). Estas fases se determinan a partir de la velocidad angular del ángulo de elevación del húmero (Figura 8). Consulte Función ElevationLoweringPhases.mpresentar.
   1. Determinar el inicio de la elevación del húmero cuando la velocidad angular del húmero supera un umbral de 2% de la velocidad angular máxima humeral.
   2. Determinar el final de la fase de elevación como el punto en el cual la velocidad angular humeral cae por debajo de 2% de la velocidad angular máxima humeral, o cuando la elevación humeral excede 120 °.
   3. Determinar el inicio de la fase humeral descenso cuando la velocidad angular cae por debajo de 2% de la velocidad angular mínima, o el punto en el que la elevación humeral cae por debajo de 120 °.
   4. Determinar el final de la fase de descenso cuando la velocidad angular supera el 2% de la velocidad angular mínima.
2. Normalizar los datos mediante la interpolación de los datos cinemáticos en cada fase de movimiento para 101 puntos de datos (Figura 9). Ver archivo de función Time_normalisation.m.
3. Exprese cinemática escapular en la relación con la elevación humeral trazando el ángulo del brazo (grados) vs. r hacia arribaotación (grados) (Figura 10). Ver archivo de función PlotScapHumRhythm.m.

Resultados

Quince participantes que no tenían antecedentes de lesiones en el hombro, el cuello o los brazos conocidos fueron reclutados en el estudio (Tabla 2). Para evaluar intra-evaluador (entre días) fiabilidad, los participantes asistieron a dos sesiones de recogida de datos separados por al menos 24 horas y un máximo de 7 días. Durante cada sesión de recopilación de datos, el mismo investigador realizó el protocolo para la fijación de los marcadores reflectantes, el cluster marcador acromion y calibra...

Discusión

La elección de la metodología para la determinación de la cinemática escapular es crucial, y la consideración de la validez, fiabilidad y su idoneidad para el estudio de investigación se debe dar. Varios métodos han sido adoptadas en la literatura, pero cada método tiene sus limitaciones. El clúster marcador acromion supera un número de estas limitaciones, tales como los errores de proyección de imágenes en 2D o que requieren interpretación repetida de la ubicación de la escápula proporcionando medición ...

Materiales

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