Mesure de la dynamique Scapulaire cinématique utilisant un cluster Acromion Marker pour minimiser le mouvement de la peau Artefact

Résumé

Ce rapport présente les détails de la façon d'adopter la méthode de cluster de marqueur de acromion d'obtenir la cinématique scapulaire lors de l'utilisation d'un dispositif marqueur mouvement de capture passive. Comme cela a été décrit dans la littérature, ce procédé fournit une mesure robuste, non-invasive, en trois dimensions, dynamique et valide de la cinématique de l'omoplate, ce qui minimise le mouvement de la peau artefact.

Résumé

La mesure de la cinématique de l'omoplate dynamique est complexe en raison de la nature de l'omoplate glissement sous la surface de la peau. L'objectif de l'étude était de décrire clairement la méthode cluster marqueur de acromion (AMC) de déterminer la cinématique scapulaire lors de l'utilisation d'un système de capture de mouvement marqueur passive, en tenant compte des sources d'erreur qui pourraient affecter la validité et la fiabilité des mesures. La méthode AMC consiste à placer un groupe de marqueurs sur l'acromion postérieure, et à travers l'étalonnage des repères anatomiques par rapport à la grappe de marqueur, il est possible d'obtenir des mesures valides de la cinématique de l'omoplate. La fiabilité de la méthode a été examiné entre deux jours dans un groupe de 15 personnes en bonne santé (âgés de 19 à 38 ans, huit hommes) comme ils effectuées élévation des bras, à 120 °, et l'abaissement dans le plan frontal, scapulaire et sagittal. Les résultats ont montré que, entre-jour fiabilité était bon pour la rotation de l'omoplate vers le haut (Coefficient de MultCorrélation IPLE; CMC = 0,92) et l'inclinaison postérieure (CMC = 0,70), mais juste pour la rotation interne (CMC = 0,53) pendant la phase d'élévation bras. L'erreur de forme d'onde est plus faible pour la rotation vers le haut (2,7 ° à 4,4 °) et de l'inclinaison postérieure (1,3 ° à 2,8 °), par rapport à la rotation interne (5,4 ° à 7,3 °). La fiabilité pendant la phase de descente était comparable aux résultats observés lors de la phase d'élévation. Si le protocole décrit dans cette étude est respecté, l'AMC fournit une mesure fiable de rotation vers le haut et l'inclinaison postérieure pendant l'élévation et l'abaissement phases du mouvement du bras.

Introduction

Objectif mesure quantitative de la cinématique scapulaire peut fournir une évaluation des modèles de mouvement anormaux associés à un dysfonctionnement de l'épaule ^1, telles que la rotation et l'inclinaison vers le haut réduit postérieure lors de l'élévation du bras observé dans l'épaule impact ^2-8. Mesure de la cinématique de l'omoplate, cependant, est difficile en raison de la position profonde de l'os et de la nature de glisse sous la surface de la peau ^1. Techniques de mesure cinématique typique de fixation marqueurs réfléchissants plus de repères anatomiques ne suivre pas adéquatement l'omoplate car elle glisse sous la surface de la peau ^9. Diverses méthodes ont été adoptées dans la littérature pour surmonter ces difficultés, y compris; imagerie (rayons X ou résonance magnétique) ^10-14, goniomètres ^15,16, épingles en os ^17-22, manuel palpation ^23,24, et la méthode de acromion ^3,5,19,25. Chaque méthode, cependant, a ses limites qui comprennent: exexpo- au rayonnement, des erreurs de projection dans le cas de l'analyse comparative image bidimensionnelle, nécessitent répété interprétation subjective de l'emplacement de l'omoplate, sont de nature statique ou sont hautement invasive (par exemple broches d'os).

Une solution pour surmonter certaines de ces difficultés est d'employer la méthode de acromion où un capteur électromagnétique est fixé à la partie plate de l'acromion ^25, une partie plate de l'os qui se étend en avant à la partie la plus latérale de la scapula qui mène de la colonne vertébrale de l'omoplate. L'idée derrière le principe selon la méthode de l'acromion est de réduire les mouvements de la peau artefact, comme l'a montré l'acromion d'avoir le moins de mouvement de la peau artefact par rapport à d'autres sites sur l'omoplate ^26. La méthode de acromion est non-invasive et fournit une mesure dynamique en trois dimensions de la cinématique de l'omoplate. Des études de validation ont montré la méthode de acromion pour être valide jusqu'à 120 ° pendant le bras elEvation phase de l'utilisation de capteurs électromagnétiques ^17,27. Lors de l'utilisation des dispositifs de capture de mouvement de marqueurs à base d'une série de marqueurs disposées en grappe, la grappe de marqueur de acromion (AMC), est nécessaire et a été montré pour être valide lors de l'utilisation d'un système de capture de mouvement actif marqueur ²⁸ et tout en utilisant un marqueur passive mouvement système de capture lors de l'élévation du bras et le bras abaissant ^29.

L'utilisation de l'AMC avec un dispositif de capture de mouvement marqueur passive pour mesurer la cinématique scapulaire a été utilisé pour évaluer les changements dans la cinématique scapulaire suite d'une intervention pour traiter l'épaule impact ^30. L'utilisation valable de cette méthode, cependant, dépend de la capacité d'appliquer avec précision le groupe de marqueurs, dont a été montré à la position à affecter les résultats ^31, calibrer repères anatomiques ³² et assurant des mouvements de bras sont dans une gamme de motion valide (c.-à- dessous de 120 ° élévation des bras) ^29. Ila également été suggéré la réapplication de la grappe de marqueur, lors de l'utilisation d'un système de capture de mouvement de marqueur, actif, se est avéré être la source de l'augmentation de l'erreur pour l'inclinaison scapulaire postérieure ^28. Il est donc important d'établir la fiabilité de la méthode de acromion entre-jour pour se assurer qu'il fournit une mesure stable de la cinématique de l'omoplate. Se assurer que les mesures sont fiables permettra changements dans la cinématique scapulaire, en raison d'une intervention, par exemple, être mesurées et examinées. Les méthodes utilisées pour mesurer la cinématique scapulaire ont été décrits ailleurs ^29,33; l'objectif de la présente étude était de fournir un outil étape par étape guide et de référence pour l'application de ces méthodes en utilisant un système de capture de mouvement passif-marqueur, en tenant compte des sources potentielles d'erreurs, et d'examiner la fiabilité de la méthode de mesure .

Protocole

REMARQUE: L'utilisation de participants humains a été approuvé par la Faculté des sciences de la santé Comité d'éthique à l'Université de Southampton. Tous les participants ont signé un formulaire de consentement avant la collecte de données a commencé. Pour les données présentées dans cette étude cinématique ont été enregistrés en utilisant un système de capture de mouvement marqueur passive composé de 12 caméras; six caméras 4 mégapixels et six caméras 16 mégapixels opérant à la fréquence d'échantillonnage de 120 Hz.

1. Préparation Participant

1. Demandez sujets d'enlever leurs vêtements du haut du corps ou de porter un soutien-gorge de sport, gilet, ou haut sans bretelles. Il est important que les vêtements ne interfère pas avec le mouvement des marqueurs ou des marqueurs occlusion de la vision des caméras.
2. Construction d'un pôle de l'acromion marqueur consistant en un "L" en forme de pièce de plastique de 70 mm de longueur le long de chaque aspect. Attacher trois marqueurs rétroréfléchissants à l'AMC, une à l'extrémité de chaque extrémité de chaque aspect et une où ehaque aspect rencontrent (Figure 1).
3. Fixez le cluster de marqueur de acromion (AMC) sur la partie postérieure de l'acromion où l'acromion rencontre le épine scapulaire, en utilisant du ruban adhésif double face. Un aspect de la plaque devrait suivre la colonne vertébrale de l'omoplate pointant dedans, l'autre doit pointer antérieure au plan scapulaire (Figure 1).
4. Placer un marqueur de cluster réglé sur le haut du bras au moyen de sangles (Figure 2).
5. Fixez marqueurs rétroréfléchissants aux repères anatomiques suivantes au recommandée par la Société internationale de biomécanique ³³ (figures 1 et 2): fourchette sternale (IJ; Deepest conjointe de la fourchette sternale), processus Xiphoid (PX; plus caudale point sur ​​la poitrine), C7 (processus épineux de la vertèbre C7), T8 (apophyse épineuse de la vertèbre D8), Sternoclavicular commune (SC; plupart ventrale point sur la articulation sterno-claviculaire), Radial styloïde (plus poi caudalent sur la styloïde radiale), et ulnaire styloïde (plus point caudale sur la styloïde ulnaire).

Figure 1:. Position de la grappe de marqueur de acromion, C7 et T8 Les marqueurs anatomiques Ce chiffre a été modifié depuis Warner, MB, Chappell, PH & Stokes, MJ mesure cinématique scapulaire lors de bras abaisser en utilisant du cluster marqueur de acromion Hum.. Mov. Sci 31, 386-396, doi:. Http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

Figure 2: emplacements de marqueur de la fourchette sternale (IJ), le processus xiphoïde (PX), sterno-claviculaire (SC), pôle de bras, styloïde ulnaire (US), styloïde radiale (RS).

2. PARTICIPANt étalonnage

REMARQUE: Les emplacements des repères anatomiques de l'omoplate doivent être déterminée par rapport à la grappe de marqueur de acromion. Calibration des monuments est nécessaire pour chaque participant.

1. Construire une baguette de calibrage composée de quatre marqueurs réfléchissants placés dans un 'T' la formation (Figure 3). Mesurez la distance entre la pointe de l'étalonnage baguette pour le premier marqueur de baguette.
2. Palper et de localiser les repères anatomiques suivantes tel que recommandé par la Société internationale de biomécanique ^33. Placez le bout de la baguette de calibrage sur le point de repère (Figure 3). Capturez trois secondes de données avec le système de capture de mouvement assurant les marqueurs sur la baguette, l'AMC et de cluster de bras sont tous visibles pour les caméras.
   1. Articulation acromio-claviculaire (AC) - Placez une main sur la clavicule, puis déplacez latéralement jusqu'au point où la clavicule atteint l'acromion.Placez le bout de la baguette à l'articulation entre la clavicule et l'acromion.
   2. Angle acromion (AA) - Palper le long de la colonne vertébrale de l'omoplate au point le plus latéral du. Placez le bout de la baguette sur la face dorsale de l'acromion au point le plus latéral (Figure 3).
   3. La colonne vertébrale médial de l'omoplate (TS) - Palper le long de la colonne vertébrale de l'omoplate au point le plus médial. Placez le bout de la baguette au point où la colonne vertébrale rencontre le bord interne de l'omoplate.
   4. Angle inférieur de l'omoplate (AI) - Palper le bas le long du bord interne de l'omoplate. Placez le bout de la baguette sur le point de l'omoplate plus caudale.
   5. Épitrochlée (EM) - Avec le coude du participant à 90 ° de flexion vers l'avant, avec leur pouce vers le haut, placez une main sur le côté médial du coude pour localiser l'épitrochlée. Placez le bout de la baguette sur le point de l'épitrochlée plus caudale.
   6. Épicondyles latérales (EL) - Avec le coude du participant à 90 ° de flexion vers l'avant, avec leur pouce vers le haut, placez une main sur le côté latéral du coude pour localiser l'épicondyle. Placez le bout de la baguette sur le point de l'épicondyle plus caudale.
3. Pour déterminer le centre articulation scapulo-humérale, demander au participant d'effectuer un mouvement de circumduction avec leur bras avec le coude en pleine extension, de zéro degré bras élévation à environ 40 ° élévation des bras. Ils doivent effectuer ce mouvement tout en visant à minimiser allongement / rétraction et d'élévation / dépression du complexe de l'épaule; l'enquêteur peut fournir une assistance si nécessaire. Enregistrez ce mouvement pendant environ 30 secondes.

Figure 3: Calibration baguette utiliséepour localiser anatomique osseuse jalon en ce qui concerne le groupe de marqueur de acromion (AMC).

Protocole 3. Expérience

1. Demandez participant pour effectuer élévation des bras de zéro à 120 ° élévation des bras, puis abaisser leur bras en arrière pour se reposer à leur côté dans le plan sagittal, frontal et scapulaire. Le plan de l'omoplate est d'environ 40 ° en avant du plan frontal.

4. Post-traitement des données cinématique

REMARQUE: Les étapes suivantes détaillent la procédure nécessaire pour calculer la cinématique scapulaire lors des essais dynamiques de mouvement. Ces étapes ont été décrits et largement étudié au sein de la littérature ^21,33,34 et le but de la section suivante est de fournir une synthèse et une étape-par-étape guide pour mettre en œuvre les étapes de modélisation nécessaires pour obtenir la cinématique scapulaire. L'application de ces étapes est réalisée dans le logiciel de modélisation cinématique pertinente. Le logiciel de contains commandes pour permettre la création de systèmes de coordonnées locaux, la conversion de coordonnées d'un global au local système de coordonnées, la conversion des coordonnées du local au global les systèmes de coordonnées et le calcul des rotations d'angle d'Euler. Ces étapes permettront l'omoplate, l'humérus et le thorax à définir comme des corps rigides. Par la suite la rotation de l'omoplate par rapport au thorax, et l'humérus par rapport thorax peuvent alors être déterminées.

1. En utilisant les coordonnées des marqueurs sur la AMC, définir un système de coordonnées local affecté arbitrairement à l'AMC (figure 4a). Pour chaque essai de calibrage anatomique historique scapulaire, déterminer l'emplacement de la pointe de la baguette, qui représente l'emplacement du repère anatomique, en ce qui concerne le système de coordonnées local sur le AMC en utilisant les étapes suivantes.
   REMARQUE: Le logiciel de modélisation cinématique contient les commandes pour permettre la création de systèmes de coordonnées locales et la conversion de coordonnées d'un mondialesur une coordonnées locales, voir la figure 4 pour les commandes d'exemple.
   1. Utilisez les marqueurs sur la baguette pour créer un système de coordonnées local pour la baguette (figure 4a) en utilisant la commande suivante dans le logiciel de modélisation cinématique: AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz] où AMCO, AMCA et AMCM sont les étiquettes données aux marqueurs sur la AMC.
   2. Utilisation du logiciel de modélisation cinématique, calculer l'emplacement de la pointe de la baguette dans le système de coordonnées global. Dans l'exemple fourni ce est 83 mm à partir du marqueur 1 (M1) le long de l'axe X de la tige (figure 4b); utiliser la commande: Baguette = [M1, M1-M2, M3-M4, xyz] et Wandtip = M1 + {} 83,0,0 * ATTITUDE (Baguette) où M1, M2, M3 et M4 sont les étiquettes données aux marqueurs sur la baguette.
   3. Déterminer l'emplacement de la pointe de la baguette par rapport au local de l'AMC ($% AA) (Figure 4c) de coordonner l'aide des commandes de modélisation: $% AA = WandTip / AMC et PARAM ($% AA).
   4. Répétez les étapes 4.1.1 à 4.1.3 pour chaque repère anatomique scapulaire.
   5. Déterminer l'emplacement des épicondyles médian et latéral par rapport à la grappe de marqueur de l'humérus, au lieu de l'AMC, en utilisant l'aide de la procédure ci-dessus.
2. Profitez de l'essai d'étalonnage dynamique pour calculer l'emplacement du centre articulation scapulo-humérale par rapport à l'omoplate. Calculer la position du centre de l'articulation scapulo-humérale, par rapport à l'omoplate, selon le point de l'axe hélicoïdal de l'humérus et l'omoplate pivot. Pour plus de détails sur cette technique référer à Veeger ^35.
3. Calculer le centre articulation du coude (ELJC) que la mi-distance entre le latéral (EL) et médial épicondyles (EM) de l'humérus; ELJC = (EM + EL) / 2.
4. Au cours des essais dynamiques, utiliser la position connue des points de repère anatomiques à l'égard de la AMC pour déterminer la position des repères anatomiques dans le système de coordonnées global (Figure 5).
   NOTE: Logiciel de modélisation contient des commandes pour permettre la conversion des coordonnées du local des systèmes de coordonnées à des systèmes de coordonnées global, voir la figure 5 pour les commandes par exemple.
   1. Reportez-vous à la figure 5a qui montre l'emplacement de l'angle de acromion repère par rapport à l'AMC ($% AA) comme décrit au point 4.1.
   2. Convertir la localisation de marqueur virtuelle $% AA au système de coordonnées global pour chaque point de temps pendant le procès dynamique pour créer l'angle de acromion (AA) repère (figure 5b) en utilisant la commande de modélisation cinématique suivante: AA = $% AA * AMC et SORTIE (AA).
   3. Répétez les étapes 4.4.2 pour chaque repère anatomique.
5. Définir un système de coordonnées local pour le thorax et l'omoplate en calculant les vecteurs unités entre les marqueurs pertinents pour représenter chaque axe d'un corps rigide donnée en utilisant la cinématique commande suivante de modélisation: omoplate = [AA, TS-AA, AA-AI, ZXY] . Thorax = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, yzx], où MUTHX est le point médian entre l'IJ et C7 de repère et MLTHX est le point médian entre les PX et T8 repères.
   NOTE: La définition d'axes sont basées sur Société internationale de biomécanique »(ISB) Recommandations ³³ (tableau 1 et figure 6).
   1. En utilisant une méthode similaire, définir un système de coordonnées local pour l'humérus utilisant «Option 2» tel que recommandé par le BSI ^33.
      REMARQUE: Option 2 nécessite un plan suffisamment formé par le centre commun gleohumeral, coude centre commun et l'styloïde du cubitus, ce est à dire un degré de flexion du coude est nécessaire. Si le participant se approche de l'extension du coude pleine, les axes de l'humérus peuvent devenir instables et donc «Option 1» devrait être utilisé (tableau 1). Voir Wu et al. (2005) pour plus de détails.
6. Déterminer l'orientation de l'omoplate par rapport au thorax pour chaque point de temps au cours de l'essai dynamiqueen utilisant la méthode angle de décomposition Euler avec une séquence de rotation de la rotation interne (Y), la rotation vers le haut (X ') et l'inclinaison postérieure (Z' ') ³³ en utilisant la commande de modélisation cinématique suivante: ScapularKin = - ( Figure 7).
7. Déterminer l'orientation de l'humérus par rapport au thorax au cours de l'essai dynamique à l'aide d'une séquence non cardan rotation de Y (plan d'élévation), X '(élévation) et Y' '(rotation axiale) ³⁶ en utilisant un logiciel approprié de modélisation cinématique.
   NOTE: Une macro est disponible au téléchargement sur le fabricant afin de déterminer des séquences de rotation non-cardan dans le logiciel de modélisation cinématique utilisée dans ce manuscrit.

MUTHX = mi-chemin entre IJ et C7. MLTHX = mi-chemin entre PX et T8. GH = glcentre commun enohumeral. ELJC = coude de centre commun.

Les opérateurs mathématiques:

^ = Produit croisé de deux vecteurs

|| = Valeur absolue d'un vecteur

Tableau 1: système de coordonnées local pour chaque segment rigide.

5. Réduction et analyse des données

NOTE: La réduction et d'analyse de données en suivant les étapes sont réalisées dans le logiciel de modélisation numérique (tels que MATLAB) qui permet la manipulation de matrices de données. Les données cinématique est divisé en l'élévation et l'abaissement phases de mouvement de l'humérus, temps normalisé pour chaque phase de mouvement, puis la cinématique scapulaire sont exprimés par rapport à l'angle d'élévation de l'humérus.

1. Déterminer l'élévation et l'abaissement de phase de l'élévation humérale comme décrit ci-dessous (figure 8). Ces phases sont déterminées à partir de la vitesse angulaire de l'angle d'élévation de l'humérus (figure 8). Voir la fonction ElevationLoweringPhases.mdéposer.
   1. Déterminer le début de l'élévation de l'humérus lorsque la vitesse angulaire de l'humérus dépasse un seuil de 2% de la vitesse angulaire maximale de l'humérus.
   2. Déterminer la fin de la phase d'élévation comme le point auquel la vitesse angulaire humérale tombe en dessous de 2% de la vitesse angulaire maximale de l'humérus ou l'humérus lorsque élévation dépasse 120 °.
   3. Déterminer le début de la phase d'abaissement humérale lorsque la vitesse angulaire tombe en dessous de 2% de la vitesse angulaire minimale, ou le point auquel élévation humérale tombe en dessous de 120 °.
   4. Déterminer la fin de la phase de descente lorsque la vitesse angulaire est supérieure à 2% de la vitesse angulaire minimale.
2. Normaliser les données en interpolant les données cinématiques à chaque phase de mouvement de points de données 101 (figure 9). Voir fichier de fonction Time_normalisation.m.
3. Exprimez cinématique scapulaire par rapport à l'élévation humérale en traçant l'angle du bras (degrés) par rapport à la hausse rotation (degrés) (figure 10). Voir fichier de fonction PlotScapHumRhythm.m.

Résultats

Quinze participants qui ne avaient pas connus histoire de l'épaule, du cou ou du bras blessures ont été recrutés sur l'étude (tableau 2). Pour évaluer intra-évaluateur (entre-jour) la fiabilité, les participants ont assisté à deux séances de collecte de données séparées par au moins 24 heures et un maximum de sept jours. Au cours de chaque session de collecte de données, le même enquêteur effectué le protocole pour fixer marqueurs réfléchissants, le cluster de marqueur de acr...

Discussion

Le choix de la méthodologie pour déterminer la cinématique scapulaire est crucial, et l'examen de la validité, la fiabilité et sa pertinence pour l'étude de recherche devrait être accordée. Diverses méthodes ont été adoptées dans la littérature, mais chaque méthode a ses limites. Le cluster de marqueur de acromion surmonte un certain nombre de ces limitations, telles que les erreurs de projection de l'imagerie 2D ou nécessitant interprétation répétée de l'emplacement de l'omoplate ...

matériels

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