מדידה דינמי הגלימה קינמטיקה באמצעות Cluster acromion מרקר למזעור Artifact תנועת עור

Summary

דוח זה מציג את הפרטים של איך לאמץ את שיטת אשכול סמן acromion קבלת קינמטיקה גלימה בעת שימוש במכשיר לכידה תנועת סמן פסיבי. כפי שכבר תואר בספרות, בשיטה זו מספקת מדידה חזקה, לא פולשנית, תלת ממדים, דינמית ותקפה של קינמטיקה גלימה, מזעור חפץ תנועת עור.

Abstract

המדידה של קינמטיקה גלימה הדינמית היא מורכבת בשל אופי הזזה של עצם השכמה מתחת לפני השטח של העור. מטרת המחקר הייתה לתאר את שיטת אשכול סמן acromion (AMC) קביעת קינמטיקה גלימה בעת שימוש במערכת לכידת תנועת סמן פסיבית, עם התחשבות במקורות של שגיאה שעלולה להשפיע על התוקף והמהימנות של מדידות באופן ברור. שיטת AMC כוללת הצבת מקבץ של סמנים מעל acromion האחורי, ובאמצעות כיול של ציוני דרך אנטומי ביחס לאשכול הסמן ניתן להשיג מדידות תקפות של קינמטיקה עצם השכם. האמינות של השיטה נבדקה בין יומיים בקבוצה של 15 אנשים בריאים (19-38 שנים בגילים, שמונה גברים) כפי שהם ביצעו העלאת זרוע, עד 120 מעלות, והורידה בחזיתי, הגלימה ומטוסי sagittal. תוצאות מחקר הראו כי האמינות בין-היום הייתה טובה לסיבוב כלפי מעלה גלימה (מקדם Multמתאם iple; CMC = 0.92) והטיה אחורית (CMC = 0.70), אך הוגנת לסיבוב פנימי (CMC = 0.53) בשלב העלאת זרוע. שגיאת צורת הגל הייתה נמוכה יותר עבור סיבוב כלפי מעלה (2.7 ° עד 4.4 מעלות) והטיה אחורית (1.3 ° עד 2.8 מעלות), בהשוואה לסיבוב פנימי (5.4 ° עד 7.3 מעלות). האמינות בשלב הנמכה הייתה דומה לתוצאות שנצפו בשלב ההעלאה. אם הפרוטוקול שתואר במחקר זה הוא דבק, AMC מספק מדידה אמינה של סיבוב כלפי מעלה והטיה אחורית במהלך ההעלאה והורדה של שלבי תנועת זרוע.

Introduction

מדידה אובייקטיבית, כמותיים של קינמטיקה הגלימה יכולה לספק הערכה של דפוסים חריגים תנועה הקשורים לתפקוד לקוי של כתף ^1, כגון סיבוב כלפי מעלה מופחת והטיה אחורית במהלך העלאת זרוע נצפתה בפגיעה בכתף ^2-8. מדידה של קינמטיקה גלימה, עם זאת, קשה בשל מיקום של העצם העמוק והטבע מחליק מתחת לפני שטח עור ^1. טכניקות אופייניות kinematic מדידה של צירוף סמנים רעיוני על ציוני דרך אנטומי לא כראוי לעקוב אחר עצם השכם כפי שמחליק מתחת לפני שטח העור ^9. שיטות שונות אומצו לאורך כל הספרות להתגבר על קשיים אלה, ובכלל זה; הדמיה (רנטגן או תהודה מגנטית) ^10-14, goniometers ^15,16 סיכות, עצם ^17-22, מישוש ידני ^23,24, ושיטת acromion ^3,5,19,25. כל שיטה, לעומת זאת, יש מגבלות שלה, אשר כוללות: לשעברposure לקרינה, שגיאות הקרנה במקרה של ניתוח תמונה דו-ממדי המבוסס, דורשות חזרו פרשנות סובייקטיבית של המיקום של עצם השכמה, הם סטטי בטבע או שהם פולשני מאוד (למשל סיכות עצם).

פתרון ללהתגבר על חלק מהקשיים אלה הוא להעסיק את שיטת acromion בי חיישן אלקטרומגנטים מחובר לחלק השטוח של acromion ^25, חלק שטוח של עצם המשתרע anteriorly בחלק הצדדי ביותר של עצם השכמה המוביל מעמוד השדרה של עצם השכם. הרעיון מאחורי העיקרון בשיטת acromion הוא להפחית חפץ תנועת העור, כacromion הוכח לי את הכמות המינימאלית של חפץ תנועת עור בהשוואה לאתרים אחרים בהשכמות ^26. שיטת acromion אינה פולשני ומספקת מדידה תלת-ממדית דינמית של קינמטיקה עצם השכם. מחקרים הראו אימות שיטת acromion להיות תקף עד 120 מעלות בזרוע אלשלב evation בעת שימוש בחיישנים אלקטרומגנטיים ^17,27. כאשר סדרה של סמנים מסודרים באשכול, אשכול סמן acromion (AMC) באמצעות מכשירי לכידת תנועת סמן מבוסס, נדרש והוכח בתוקף בעת שימוש במערכת לכידת תנועה פעיל-מרקר ²⁸ ותוך שימוש פסיבי-מרקר מערכת לכידת תנועה בגובה זרוע וזרוע הורדת ^29.

השימוש בAMC עם התקן לכידה תנועת סמן פסיבי למדידת קינמטיקה גלימה נעשה שימוש כדי להעריך את השינויים בקינמטיקה הגלימה הבאים התערבות כדי לטפל בפגיעה בכתף ^30. השימוש חוקי בשיטה זו, עם זאת, תלויה ביכולת ליישם את האשכול של סמנים מדויקים, את עמדתו של אשר הוכחה להשפיע על תוצאות ^31, לכייל ציוני דרך אנטומי ³² ותנועות זרוע הבטחה נמצאות בטווח חוקי של תנועה (כלומר להלן 120 ° גובה זרוע) ^29. זהגם הוצע reapplication של אשכול הסמן, בעת השימוש במערכת לכידת תנועת סמן מבוסס פעילה, נמצא כי מקור השגיאה מוגברת להטיה אחורית גלימה ^28. זהו, אם כן, חשוב לקבוע את האמינות בין-היום של שיטת acromion כדי להבטיח שהיא מספקת מדד יציב של קינמטיקה עצם השכם. להבטיח שמדידות הן אמינות יאפשר שינויים בקינמטיקה גלימה, בשל התערבות, למשל, שיש למדוד ובדק. השיטות המשמשות למדידת קינמטיקה הגלימה תוארו במקום אחר ^29,33; מטרת המחקר הנוכחי הייתה לספק כלי מדריך והתייחסות צעד-אחר-צעד ליישום שיטות אלה באמצעות מערכת לכידת תנועה פסיבית-מרקר, תוך התחשבות במקורות הפוטנציאליים של שגיאה, ולבחון את אמינותה של שיטת המדידה .

Protocol

הערה: השימוש במשתתפים אנושיים אושרו על ידי הפקולטה למדעי בריאות ועדת אתיקה באוניברסיטת סאות'המפטון. כל המשתתפים חתמו על טפסי הסכמה לפני איסוף הנתונים החל. לנתונים שהוצגו בקינמטיקה מחקר זה נרשמו באמצעות מערכת לכידת תנועה פסיבית סמן בהיקף של 12 מצלמות; שש מצלמות 4 מגה פיקסל-ושש מצלמות 16 מגה-פיקסל הפועלות בתדר דגימה של 120 הרץ.

1. משתתף הכנה

1. שאל נושאים להסיר בגדי הגוף העליונים שלהם או ללבוש חזיית ספורט, אפוד, או עליון סטרפלס. חשוב שהבגדים לא להפריע את תנועתם של הסמנים או לחסום סמנים מהתצוגה של המצלמות.
2. לבנות אשכול סמן acromion המורכב מ'L 'חתיכת פלסטיק 70 מ"מ באורך לאורך כל היבט בצורה. צרף שלושה סמני retroreflective לAMC, אחד בסוף כל סוף כל היבט ואחד שבו דוארנפגש ach היבט (איור 1).
3. צרף את אשכול סמן acromion (AMC) על החלק האחורי של acromion בי acromion פוגש את עמוד השדרה הגלימה, באמצעות דבק דו צדדי. היבט אחד של הצלחת צריך לעקוב בעמוד השדרה של עצם השכמה מצביעה מדיאלית, אחרים צריך להצביע קדמי למטוס הגלימה (איור 1).
4. צרף סמן אשכול מוגדר הזרוע העליונה באמצעות רצועות (איור 2).
5. צרף סמני retroreflective לציוני הדרך אנטומיים הבאים במומלץ על ידי האגודה הבינלאומית לביומכניקה ³³ (איורים 1 ו -2): sternal חריץ (IJ; משותפים העמוק ביותר של חריץ sternal), תהליך xiphoid (PX; נקודת הזנב רוב על עצם החזה), C7 (זיזים קוציים של החוליה C7), T8 (זיזים קוציים של החוליה T8), משותפת Sternoclavicular (SC; נקודת הגחון רוב על מפרק sternoclavicular), styloid רדיאלי (פוי הזנב רובNT על styloid רדיאלי), וstyloid גמדי (נקודת הזנב רוב בstyloid גמדי).

איור 1:. מיקום של אשכול סמן acromion, C7 וT8 סמנים אנטומיים נתון זה שונה ומורנר, MB, Chappell, PH וסטוקס, MJ מדידת קינמטיקה גלימה בזרוע הורדה באמצעות אשכול סמן acromion Hum.. Mov. Sci 31, 386-396, doi:. Http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

איור 2: מקומות מרקר לחריץ sternal (IJ), תהליך xiphoid (PX), sternoclavicular (SC), אשכול זרוע עליון, styloid גמדי (ארה"ב), styloid רדיאלי (RS).

2. Participant כיול

הערה: מיקומים של האתרים אנטומיים של עצם השכם צריכה להיקבע ביחס לאשכול סמן acromion. כיול של ציוני הדרך נדרש לכל משתתף.

1. לבנות שרביט כיול מורכב מארבעה סמנים רעיוני להציב לתוך ההיווצרות 'T' (איור 3). מדוד את המרחק מקצה שרביט הכיול על מנת לסמן את השרביט הראשון.
2. למשש ולאתר את נקודתי הציון האנטומיות הבאה כפי שהומלץ על ידי האגודה הבינלאומית לביומכניקה ^33. הנח את הקצה של שרביט הכיול על ציון הדרך (איור 3). ללכוד שלוש שניות של נתונים במערכת לכידת התנועה להבטיח סמנים על השרביט, AMC ואשכול זרוע העליון הם גלויים לכל המצלמות.
   1. מפרק שיא כתף ובריח (AC) - מקום שני לעצם הבריח, ולאחר מכן להעביר רוחבי עד לנקודה שבי עצם הבריח מגיע acromion.הנח את הקצה של השרביט במפרק שבין עצם הבריח וacromion.
   2. זווית acromion (AA) - למשש לאורך עמוד השדרה של עצם השכמה לנקודת הרוחב ביותר. הנח את הקצה של השרביט על היבט הגב של acromion בנקודת הרוחב ביותר (איור 3).
   3. עמוד השדרה המדיאלי של עצם השכמה (TS) - למשש לאורך עמוד השדרה של עצם השכמה לנקודה המדיאלי ביותר. הנח את הקצה של השרביט בנקודה שבי עמוד השדרה עומדת בגבול המדיאלי של עצם השכמה.
   4. זווית נחותה של עצם השכמה (AI) - למשש inferiorly לאורך הגבול המדיאלי של עצם השכמה. הנח את הקצה של השרביט על הנקודה של עצם השכמה הזנב ביותר.
   5. epicondyle המדיאלי (EM) - עם המרפק של המשתתף ב 90 מעלות של כיפוף מצביע קדימה, עם האגודל שלהם מצביע כלפי מעלה, מניח את ידו על הצד המדיאלי של המרפק כדי לאתר את epicondyle המדיאלי. הנח את הקצה של השרביט על נקודת epicondyle המדיאלי הזנב ביותר.
   6. epicondyles לרוחב (EL) - עם המרפק של המשתתף ב 90 מעלות של כיפוף מצביעים קדימה, עם האגודל שלהם מצביע כלפי מעלה, מניח את ידו על הצד הלטרלי של המרפק כדי לאתר את epicondyle לרוחב. הנח את הקצה של השרביט על נקודת epicondyle רוחב הזנב ביותר.
3. כדי לקבוע את המרכז המשותף glenohumeral, שואל את המשתתף לבצע תנועת circumduction עם הזרוע שלהם עם המרפק הפתוחה לגמרי, מהעלאת זרוע אפס מעלות לכ -40 מעלות גובה זרוע. הם חייבים לבצע את התנועה הזאת בזמן במטרה למזער את ההימשכות / הכחשה וגובה / דיכאון של מתחם הכתף; החוקר יכול לספק סיוע במידת צורך. להקליט תנועה זו לכ -30 שניות.

איור 3: שרביט כיול משמשלאתר ציון דרך גרמי אנטומיים ביחס אשכול סמן acromion (AMC).

פרוטוקול ניסוי 3.

1. שאל משתתף כדי לבצע העלאת זרוע מאפס עד 120 ° גובה זרוע, ולאחר מכן להוריד את הזרוע שלהם בחזרה לנוח על ידי הצד שלהם במטוס sagittal, החזיתי וגלימה. מטוס הגלימה הוא כ -40 מעלות קדמית למישור הפרונטלי.

לאחר עיבוד 4. של Kinematic נתונים

הערה: פירוט השלבים הבא ההליך הדרוש לחישוב קינמטיקה הגלימה במהלך ניסויי תנועה הדינמיים. צעדים אלה תוארו וחקרו בהרחבה בספרות ^21,33,34 ואת תכליתו של הסעיף הבא היא לספק סינתזה וצעד-אחר-צעד מדריך ליישום צעדי הדוגמנות נדרשים לקבל קינמטיקה עצם השכם. יישומם של צעדים שבנערך בתוכנת מידול kinematic רלוונטית. Conta התוכנהתוספות פקודות כדי לאפשר יצירה של מערכות קואורדינטות מקומיות, המרה של קואורדינטות מגלובליות למקומי מערכת קואורדינטות, המרה של קואורדינטות ממקומיות לגלובלי לתאם מערכות וחישוב הסיבובים זווית אוילר. צעדים אלה יאפשר עצם השכם, עצם הזרוע ובית החזה כדי להיות מוגדרים כגופים קשיחים. סיבוב בהמשך של עצם השכמה ביחס החזה, והזרוע עם חזה כבוד אז יכולים להיות נחושה.

1. שימוש בקואורדינטות של סמנים על AMC, להגדיר מערכת קואורדינטות מקומית שרירותית לAMC (איור 4 א). לכל ניסוי כיול ציון הדרך האנטומי גלימה, לקבוע את המיקום של הקצה של השרביט, המייצג את מיקומו של ציון הדרך האנטומי, בכבוד מערכת קואורדינטות המקומית בAMC באמצעות השלבים הבאים.
   הערה: תוכנת דוגמנות Kinematic מכילה פקודות כדי לאפשר יצירת המקומית לתאם מערכות והמרה של קואורדינטות מגלובליותלקואורדינטות מקומיות, ראה איור 4 לפקודות דוגמא.
   1. השתמש בסמנים בשרביט כדי ליצור מערכת קואורדינטות מקומית לשרביט (איור 4 א) באמצעות הפקודה הבאה בתוכנת מידול kinematic: AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz] שבו AMCO, AMCA וAMCM הן התוויות הניתנות לסמנים על AMC.
   2. שימוש בתוכנת המידול kinematic, לחשב את המיקום של הקצה של השרביט במערכת הצירים הגלובליים. בדוגמא בתנאי זה הוא 83 מ"מ מהסמן 1 (M1) לאורך ציר X של השרביט (איור 4); להשתמש בפקודה: שרביט = [M1, M1-M2, M3-M4, xyz] וWandtip = M1 + {} * 83,0,0 עמדות (שרביט) שבו M1, M2, M3 וM4 הם התוויות הניתנות לסמנים על השרביט.
   3. לקבוע את המיקום של הקצה של השרביט ביחס למקומי מערכת קואורדינטות של AMC (AA% $) (איור 4C) באמצעות פקודות הדוגמנות: AA% $ = WandTip / AMC וPARAM (AA% $).
   4. חזור על השלבים 4.1.1 ל4.1.3 לכל ציון דרך האנטומי עצם שכם.
   5. לקבוע את המיקום של epicondyles המדיאלי ורוחב ביחס לאשכול סמן זרוע, במקום AMC, באמצעות שימוש בשלבים לעיל.
2. השתמש במשפט הכיול הדינמי כדי לחשב את מיקומו של המרכז המשותף glenohumeral ביחס לעצם השכמה. לחשב את המיקום של המרכז המשותף glenohumeral, ביחס לעצם השכם, כנקודת ציר הסליל בין הזרוע ועצם שכם הציר. לפרטים נוספים על טכניקה זו מתייחסת ל ^-35 Veeger.
3. לחשב את מרכז המרפק המשותף (ELJC) כאמצע המרחק שבין הרוחב (EL) והמדיאלי epicondyles (EM) של הזרוע; ELJC = (EM + EL) / 2.
4. במהלך הניסויים הדינמיים, השתמש בעמדה הידועה של ציוני דרך אנטומי ביחס לAMC כדי לקבוע את המיקום של ציוני דרך אנטומי בתוך המערכת הגלובלית לתאם (איור 5).
   הערה: תוכנת דוגמנות מכילה פקודות כדי לאפשר המרה של קואורדינטות ממקומיות לתאם מערכות למערכות לתאם עולמיים, ראה איור 5 למשל פקודות.
   1. עיין באיור 5 א שמראה את מיקומו של אתר זווית acromion ביחס לAMC (AA% $) כפי שמתואר בשלב 4.1.
   2. ציון דרך להמיר את מיקומו של סמן וירטואלי AA% $ למערכת קואורדינטות הגלובלית עבור כל נקודת זמן במהלך המשפט הדינמי כדי ליצור את זווית acromion (AA) (איור 5) באמצעות פקודת דוגמנות kinematic הבאה: AA = AA% $ * AMC ו תפוקה (AA).
   3. חזור על שלבים 4.4.2 עבור כל אתר אנטומיים.
5. להגדיר מערכת קואורדינטות מקומית לבית החזה ועצם השכם על ידי חישוב וקטורי היחידה בין הסמנים הרלוונטיים לייצג כל ציר לגוף נוקשה ניתנו באמצעות פקודת דוגמנות kinematic הבאה: עצם השכם = [AA, TS-AA, AA-AI, zxy] . בית החזה = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, YZx], שבו MUTHX היא נקודת האמצע בין IJ והציון דרך C7 וMLTHX היא נקודת האמצע בין ציוני דרך PX וT8.
   הערה: הגדרת הצירים מבוססות על האגודה הבינלאומית לביומכניקה 'המלצות (ISB) ³³ (טבלת 1 ואיור 6).
   1. שימוש בשיטה דומה, להגדיר מערכת קואורדינטות מקומית לזרוע באמצעות "אפשרות 2 'כפי שהומלצה על ידי ISB ^33.
      הערה: אפשרות 2 דורשת מטוס מספיק שהוקם על ידי המרכז המשותף gleohumeral, מרפק משותף מרכז וstyloid הגומד, כלומר מידת כיפוף מרפק נדרש. אם המשתתף מתקרב הרחבת מרפק מלאה, צירי humeral עלולים להפוך לבלתי יציבים, ולכן יש להשתמש ב'האפשרות 1 '(טבלה 1). ראה אל Wu et. (2005) לפרטים נוספים.
6. לקבוע את הכיוון של עצם השכמה ביחס לבית החזה לכל נקודת זמן במהלך המשפט הדינמיתוך שימוש בשיטת פירוק זווית אוילר עם רצף סיבוב של סיבוב הפנימי (Y), סיבוב כלפי מעלה (X ') והטיה אחורית (Z' ') ³³ באמצעות פקודת דוגמנות kinematic הבאה: ScapularKin = - ( איור 7).
7. לקבוע את הכיוון של הזרוע ביחס לבית החזה במהלך המשפט הדינמי תוך שימוש ברצף שאינו קרדן סיבוב של Y (מטוס של גובה), X '(גובה) וY' '(סיבוב צירי) ³⁶ באמצעות תוכנת דוגמנות kinematic רלוונטית.
   הערה: מאקרו זמין להורדה מהיצרן על מנת לקבוע רצפי סיבוב לא קרדן בתוך תוכנת דוגמנות kinematic שימוש בכתב היד הזה.

MUTHX = נקודת האמצע בין IJ וC7. MLTHX = נקודת האמצע בין PX וT8. GH = GLמרכז משותף enohumeral. ELJC = מרפק משותף מרכז.

אופרטורים מתמטיים:

^ = מוצר רוחב של שני וקטורים

|| = ערך מוחלט של וקטור

טבלת 1: מקומי מערכת קואורדינטות לכל מגזר נוקשה.

5. נתונים הפחתה וניתוח

הערה: צעדי צמצום הנתונים הבאים והניתוח מבוצעים בתוכנה מספרית דוגמנות (כגון MATLAB) המאפשרת מניפולציה של מטריצות נתונים. נתונים kinematic מחולק לגובה ושלבי הורדה של תנועת humeral, זמן מנורמל עבור כל שלב של תנועה, אז קינמטיקה הגלימה באות לידי ביטוי ביחס לזווית גובה humeral.

1. לקבוע את הגובה ושלב הנמכת גובה humeral כמתואר להלן (איור 8). שלבים אלה נקבעים מהמהירות הזוויתית של זווית humeral הגובה (איור 8). ראה פונקצית ElevationLoweringPhases.mלהגיש.
   1. לקבוע את תחילת העלאת humeral כאשר המהירות הזוויתית של הזרוע עולה 2% סף של מהירות זוויתית humeral המקסימאלי.
   2. לקבוע את סיום שלב ההעלאה כנקודה שבה המהירות הזוויתית humeral נופלת מתחת ל -2% מהמהירות הזוויתית humeral המקסימלי, או כאשר גובה humeral עולה על 120 מעלות.
   3. לקבוע את תחילת שלב humeral הורדה כאשר המהירות הזוויתית נופלת מתחת ל -2% מהמהירות המינימלית זוויתי, או לנקודה שבי גובה humeral יורד מתחת 120 מעלות.
   4. לקבוע את סיום שלב הנמכה כאשר המהירות הזוויתית עולה על 2% ממהירות זוויתית המינימלית.
2. לנרמל את הנתונים על ידי ביון נתונים kinematic בכל שלב של תנועה 101 נקודות נתונים (איור 9). ראה קובץ פונקצית Time_normalisation.m.
3. הגעה קינמטיקה גלימה ביחס לגובה humeral על ידי התוויית זווית הזרוע (מעלות) לעומת r כלפי מעלהotation (מעלות) (איור 10). ראה קובץ פונקצית PlotScapHumRhythm.m.

תוצאות

חמש עשרה משתתפים שלא ידוע ההיסטוריה של פציעות כתף, צוואר או זרוע גויסו על המחקר (טבלה 2). כדי להעריך תוך מדרג (בין-יום) אמינות, משתתפים השתתפו בשני מפגשי איסוף הנתונים מופרדים על ידי לפחות 24 שעות ועד למקסימום של 7 ימים. במהלך כל מפגש איסוף נתונים, אותו החוקר ביצע ...

Discussion

הבחירה של המתודולוגיה לקביעת קינמטיקה גלימה היא קריטית, והתחשבות בתוקף, האמינות וההתאמה שלה למחקר יש לתת. שיטות שונות אומצו לאורך כל הספרות אך לכל שיטה יש את מגבלותיו. אשכול סמן acromion מתגבר מספר המגבלות אלה, כגון שגיאות הקרנה מהדמית 2D או שמצריך פרשנות חוזרת ונשנית של ה...

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