皮膚の動きのアーティファクトを最小化するために肩峰マーカークラスタを使用して、動的な肩甲骨運動学の測定

要約

このレポートは、受動マーカーモーションキャプチャ装置を使用するときに肩甲骨運動を得る肩峰マーカークラスタ方式を採用する方法の詳細を提示する。文献に記載されているように、この方法は、皮膚の動きアーチファクトを最小化する、肩甲骨運動の堅固な、非侵襲的、三次元動的かつ有効な測定を提供する。

要約

動的な肩甲骨の運動学の測定は、皮膚表面の下肩甲骨の摺動性のために複雑です。研究の目的は、明らかに、パッシブマーカモーションキャプチャシステムを使用した場合の測定の妥当性と信頼性に影響を与える可能性があり、エラーの原因を考慮して、肩甲骨の運動を決定する肩峰マーカークラスター（AMC）方法を説明することであった。 AMC方式は、肩甲骨の運動の有効な測定値を得ることができるマーカークラスターに対して後方肩峰の上、および解剖学的ランドマークの較正を通じてマーカーのクラスタを配置することを含む。彼らは120℃に、アームエレベーションを行い、正面、肩甲骨と矢状面の低下などの方法の信頼性は、（19-38歳、8人の男性）15健康な個体の群では2日の間を検討した。結果は、間の日の信頼性がMultの上方への肩甲骨の回転（係数のために良いことを示したiple相関。 CMC = 0.92）と後方チルト（CMC = 0.70）が、内部回転の公正（CMC = 0.53）アームエレベーションフェーズ中。波形誤差は、内部回転（7.3°〜5.4°）に比べて、上向きに回転（4.4°〜2.7°）および後方チルト（2.8°〜1.3°）のために低かった。下降相の間信頼性は上昇段階の間に観察された結果に匹敵した。この研究で概説プロトコルに接着されている場合、AMCは仰角と腕の動きの低下フェーズ中上方への回転と後方傾斜の信頼性のある測定を提供する。

概要

肩甲骨の運動学の客観的、定量的な測定は、肩インピンジメント^2-8で観察されたアームエレベーション中にこのような削減上向きの回転および後方チルトとして肩の機能障害¹に関連する異常な動きのパターン、の評価を提供することができます。肩甲骨運動の測定は、しかしながら、皮膚表面の下の骨¹の深い位置と滑空性質のために困難である。それが皮膚表面⁹の下に滑るように解剖学的目印の上に反射マーカーを取り付けるの典型的な運動学的測定技術が十分に肩甲骨を追跡しません。様々な方法には​​、これらの困難を克服するために、文献全体を通して採用されている。撮影（X線または磁気共鳴^{）10-14、15,16}ゴニオメータ、骨ピン^17-22、触診^23,24、および肩峰方法^3,5,19,25。各メソッドは、しかし、含まれるそのような制限があります。EX放射線、二次元画像に基づく分析の場合の投影誤差、へposureは肩甲骨の位置の繰り返し主観的解釈を必要とし、本質的に静的であるか（ 例えば骨ピン）侵襲性が高いです。

これらの問題のいくつかを克服するための解決策は、電磁センサが肩峰²⁵の背骨から通じる肩甲骨の最も側方部に前方に延びる骨の平坦部の平坦部に取り付けられた肩峰の方法を用いることである肩甲骨。肩峰法を用いた原理アイデアは肩峰は、肩甲骨²⁶上の他の部位に比べて皮膚の動きアーチファクトの最小量を有することが示されているように、皮膚の動きのアーチファクトを低減することである。肩峰の方法は、非侵襲的であり、肩甲骨の運動の動的な三次元測定を提供する。検証研究は、アーム·エルの間に120°まで有効であると肩峰の方法を示しているevation段階電磁センサー^17,27を使用した。マーカーベースのモーションキャプチャデバイスのクラスタに配置された一連のマーカー、肩峰マーカークラスター（AMC）を使用する場合、必要とされ、アクティブマーカモーションキャプチャシステム²⁸及びパッシブマーカを使用している間に使用する場合に有効であることが示されているアームの昇降アーム^29を下降中のモーションキャプチャシステム。

肩甲骨の運動を測定するための受動マーカーモーションキャプチャデバイスとAMCを使用すると、肩インピン^30に対応するために介入後肩甲骨運動の変化を評価するために使用されている。この方法の有効な使用は、しかし、正確なマーカーのクラスタを適用する能力に依存して、位置はそれらの運動の有効範囲内にある解剖学的ランド³²と確実に腕の動きを較正し、その結果³¹に影響^を与えることが示されている（ すなわち 120°アームエレベーション^）29以下に。それアクティブマーカベースのモーションキャプチャシステムを使用した場合にも、マーカーのクラスタの再適用を示唆されている、肩甲骨後部チルト²⁸に対する増大し、エラーの原因であることが見出された。それは肩甲骨運動の安定した測定を提供することを確認するために肩峰法の間の日の信頼性を確立することが重要である。測定結果の信頼性を確保することが測定され、検査される、例えば、原因介入に、肩甲骨の運動学の変更が可能になります。肩甲骨の運動を測定するために使用される方法は^、29,33の他の箇所に記載されている。本研究の目的は、エラーの発生源を考慮して、パッシブマーカーモーションキャプチャシステムを使用してこれらの方法を適用するためのステップバイステップのガイドと参照ツールを提供すること、および測定方法の信頼性を検討することであった。

プロトコル

注：人間の参加者の使用はサウサンプトン大学の健康科学倫理委員会の教員によって承認された。データ収集が開始される前にすべての参加者が同意書に署名した。本研究の運動に示すデータは、12台のカメラからなるパッシブマーカモーションキャプチャシステムを用いて記録したために。 6 4メガピクセルのカメラと120ヘルツのサンプリング周波数で動作する6つの16メガピクセルのカメラ。

1.参加者の準備

1. 彼らの上半身の服を削除するか、スポーツブラ、ベスト、またはストラ​​ップレスのトップを着用する科目を依頼。これは、衣類のマーカーの動きを妨げ、又はカメラのビューからマーカーを閉塞しないことが重要である。
2. 「L」の各側面に沿った長さでプラスチック70ミリメートルの状片からなる肩峰マーカークラスタを構築します。 AMC、各態様のそれぞれの端の端に1つずつEに3再帰反射マーカーを取り付けますたachアスペクト満たす（ 図1）。
3. 肩峰は両面接着テープを使用して、肩甲骨脊椎を満たして肩峰の後方部分に肩峰マーカークラスター（AMC）を取り付ける。内側に向いて肩甲骨の背骨に従うべきプレートの一つの側面は、他のは、肩甲骨面（ 図1）の前方に指している必要があります。
4. ストラップ（ 図2）を使用して、上腕に設定クラスタマーカーを取り付けます。
5. ;、剣状突起（PX、胸骨上のほとんどの尾側の点）、胸骨切痕（胸骨ノッチの最も深い共同IJ）：バイオメカニクス³³の国際学会（ 図1＆2）が推奨で次の解剖学的目印に再帰反射マーカーを取り付けますC7（C7の椎骨の棘突起）、T8（T8の椎骨の棘突起）、胸鎖関節（SC、胸鎖関節の上のほとんどの腹側の点）、ラジアル茎状突起（ほとんどの尾ポイNT橈骨上）、及び尺骨茎状突起（尺骨茎状突起上のほとんどの尾側の点）。

図1：。。肩峰マーカークラスターの位置は、C7とT8解剖学的マーカーは、この図は、肩峰マーカークラスタハムを使って下げアームの間に肩甲骨の運動を測定するワーナー、MB、チャペル、PH＆ストークス、MJから変更されている。楽章。 SCI 31、386から396、DOI：HTTP：//dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004（2012）。

図2：胸骨ノッチ（IJ）のためのマーカーの位置、剣状突起（PX）、胸鎖（SC）、上腕クラスタ、尺骨茎状突起（米国）、橈骨（RS）。

2. ParticipanTキャリブレーション

注：肩甲骨の解剖学的ランドマークの位置は肩峰マーカークラスターに対して決定される必要がある。ランドマークの校正は、各参加者のために必要とされる。

1. 'T'の形成（ 図3）内に配置さ4の反射マーカーからなる校正用の杖を構築します。最初のワンドマーカーにキャリブレーション杖の先端からの距離を測定します。
2. 触診とバイオメカニクス³³の国際学会が推奨されているように、次の解剖学的目印を探します。ランドマーク上のキャリブレーションワンド（ 図3）の先端を置きます。ワンド上のマーカーを確実にモーションキャプチャシステムとのデータの3秒をキャプチャし、AMCと上腕クラスタはすべてのカメラに表示されます。
   1. 肩鎖関節（AC） - 鎖骨の上に置いて手が、その後鎖骨が肩峰に達する時点まで横方向に移動。鎖骨と肩峰の間の共同で、杖の先端を置きます。
   2. 肩峰角（AA） - ほとんどの横のポイントに肩甲骨の背骨に沿って触診。ほとんどの横のポイント（ 図3）で肩峰の背側面に杖の先端を置きます。
   3. 肩甲骨（TS）の内側背骨 - 最も内側のポイントに肩甲骨の背骨に沿って触診。背骨は肩甲骨の内側縁を満たしている時点で、杖の先端を置きます。
   4. 肩甲骨（AI）の下角 - 肩甲骨の内側縁に沿って下方に触診。肩甲骨の最も尾側の点に杖の先端を置きます。
   5. 内側上顆（EM） - 屈曲90°で、参加者の肘が前方に向くように、彼らの親指が上向きで、内​​側上顆を見つけるために肘の内側に手を置きます。内側上顆の最も尾側の点に杖の先端を置きます。
   6. ラテラル上顆（EL） - 屈曲90°で、参加者の肘が前方に向くように、彼らの親指が上向きで、外側上顆を見つけるために肘の側方に手を置く。外側上顆の最も尾側の点に杖の先端を置きます。
3. 肩甲上腕関節中心を決定するために、ゼロ度アームエレベーションから約40°アームエレベーションに、完全に伸ばし肘と彼らの上腕とcircumductionの動きを実行するために参加者に依頼。彼らは、肩複合体の長期化/後退と仰角/うつ病を最小限に抑えることを目指しながら、この運動を実行する必要があります。必要に応じて、研究者は、支援を提供することができます。約30秒間、この動きを記録します。

図3：キャリブレーションワンドを使用尊敬肩峰マーカークラスター（AMC）で解剖骨ラン​​ドマークを探します。

3.実験プロトコール

1. 120°アーム標高ゼロからアームエレベーションを実行するために、参加者に依頼してから、矢状、正面及び肩甲骨面内で彼らの側で再生ダウン残りの部分に自分の腕を下げてください。肩甲骨面は、前頭面に約40°前方である。

運動学的データの4ポストプロセッシング

注：次の手順の詳細ダイナミックな動きの試験中に肩甲骨運動学を計算するために必要な手順。これらの手順を説明し、広範囲に調査した文献^21,33,34内および次のセクションの目的は、肩甲骨の運動を得るために必要なモデリングステップを実施するに合成し、ステップバイステップガイドを提供することですされています。これらのステップの適用は、関連する運動学的モデリングソフトウェアで実施される。ソフトウェアのコンタインローカル座標系は、ローカル座標系、地球座標系とオイラー角回転の計算にローカルからの座標の変換からグローバル座標変換の作成を可能にするコマンド。これらのステップは、肩甲骨、上腕骨と胸郭が剛体のように定義できるようになります。その後に関して肩甲骨の回転胸部、と尊敬の胸部と上腕骨を決定することができる。

1. AMC上のマーカーの座標を使用し、AMC（ 図4a）のための任意のローカル座標系を定義する。各肩甲骨解剖学的ランドマーク校正試験のために、次の手順を使用して、AMCのローカル座標系に関して、解剖学的ランドマークの位置を表す杖の先端の位置を決定する。
   注：キネマモデリングソフトウェアグローバルからローカル座標系と座標の変換の作成を可能にするためのコマンドが含まれているローカル座標に、例えば、コマンドについては図4を参照してください。
   1. 運動学的モデリングソフトウェアで次のコマンドを使用して、杖（ 図4a）のローカル座標系を作成するために、ワンド上のマーカーを使用してください：AMC = [AMCO、AMCA-AMCO、AMCO-AMCM、XYZ] AMCO、AMCAとAMCM AMC上のマーカーに与えられたラベルがある。
   2. 運動学的モデリングソフトウェアを使用して、グローバル座標系におけるワンドの先端の位置を計算する。この提供された例では、ワンドのX軸に沿ってマーカー1（M1）から83ミリメートルである（ 図4b）。ワンド= [M1、M1-M2、M3-M4、XYZ]とWandtip = M1 + {83,0,0} * ATTITUDE（ワンド）M1、M2、M3、M4はマーカーに与えられたラベルです：コマンドを使用します。ワンドに。
   3. モデリングコマンドを使用してAMC（$の％のAA）（ 図4c）のローカル座標系に関しては、杖の先端の位置を決定します。$％のAA = WandTip / AMCとPARAM（$の％のAA）。
   4. 繰り返しますが、各肩甲骨解剖学的ランドマークのために4.1.3に4.1.1を繰り返します。
   5. 上記の手順を使用して使用して、代わりにAMCの、上腕骨マーカークラスターに関して内側と外側上顆の位置を決定する。
2. 肩甲骨に対する肩甲上腕関節中心の位置を計算するために、動的キャリブレーション·トライアルを使用してください。上腕骨と肩甲骨の間に螺旋軸のピボット点として、肩甲骨に対して、肩甲上腕関節の中心の位置を計算する。この技術の詳細についてはVeeger ³⁵を参照してください。
3. 上腕骨の（EL）外側および内側上顆の間の中間距離（EM）として肘関節センター（ELJC）を計算。 ELJC =（EM + EL）/ 2。
4. 動的試験中に、グローバル座標系（ 図5）内の解剖学的ランドマークの位置を決定するためにAMCに対する解剖学的ランドマークの既知の位置を使用する。
   注：モデルソフトウェアのコマンド例については、図5を参照してください、グローバル座標系にローカル座標系から座標の変換を可能にするためにコマンドが含まれています。
   1. ポイント4.1で説明したように、AMC（$の％のAA）に対する肩峰角ランドマークの位置を示し図5aを参照してください。
   2. 以下の運動学的モデリングコマンドを使用して肩峰角（AA）ランドマーク（ 図5b）を作成するために、動的試験中に各時点でグローバル座標系への$％のAA仮想マーカーの位置を変換します：AA =の$％AA * AMCをし、 OUTPUT（AA）。
   3. 繰り返しますが、各解剖学的ランドマークのための4.4.2繰り返します。
5. 以下の運動学的モデリングコマンドを使用して、指定された剛体のための各軸を表すために、関連するマーカー間の単位ベクトルを計算することにより、胸部と肩甲骨のローカル座標系を定義します。肩甲骨= [AA、TS-AA、AA-AI、ZXY] 。胸部= [IJ、MUTHX-MLTHX、IJ-C7、YZX]、MUTHXはIJとC7のランドマークの間の中間点であり、MLTHXはPXとT8のランドマーク間の中間点です。
   注：軸の定義は、バイオメカニクスの国際社会」（ISB）の勧告^33（ 表1、図6）に基づいています。
   1. ISB ³³によって推奨されるように同様の方法を用いて、「オプション2」を使用して、上腕骨のローカル座標系を定義する。
      注：オプション2は、肘屈曲の程度が必要とされる。すなわち 、ジョイント中心と尺骨茎状突起を肘、gleohumeralジョイント中心によって形成された十分なプレーンが必要です。参加者は、完全な肘の延長に近づくと、上腕骨軸が不安定になることがあり、したがって、「オプション1」（ 表1）を使用すべきである。詳細については、Wu ら （2005）を参照してください。
6. 動的試験中に各時点で胸部に肩甲骨の向きを決定する次の運動学的モデリングコマンドを使用して³³内旋（Y）、上方への回転（X '）および後方傾斜（Z' '）の回転シーケンスとオイラー角分解法を用いた：ScapularKin = - <胸部、肩甲骨、YXZ（> 図7）。
7. （仰角平面）Yの非カルダン回転シーケンスを使用して動的試験中に胸部に対する上腕骨の向きを決定する、X '（標高）とY'（軸回転^）36関連運動学的モデリングソフトウェアを使用して。
   注：マクロは、この原稿で使用される運動学的モデリングソフトウェア内の非カルダン回転配列を決定するために、メーカーからダウンロード可能です。

IJとC7の間MUTHX =中間点。 PXとT8の間MLTHX =中間点。 GH = GLenohumeral継手中心。 ELJC =肘関節センター。

数学演算子：

二つのベクトルの^ =外積

|| =ベクトルの絶対値

表1：ローカル各硬質セグメント座標系。

5.データ削減および分析

注：以下のデータ整理及び分析ステップは、データ行列の操作を可能にする（例えば、MATLABなど）の数値モデリングソフトウェアで実施される。運動学的データは、標高と上腕骨の動きの下降相、動きの各相の正規化された時間に分割され、その後、肩甲骨運動は、上腕骨仰角に対して表されている。

1. （ 図8）以下に説明するように上腕標高の上昇と下降相を決定します。これらの相は上腕仰角（ 図8）の角速度から決定される。 ElevationLoweringPhases.m関数を参照してくださいファイル。
   1. 上腕骨の角速度が最大の上腕骨角速度のしきい値2％を超えると上腕骨標高の開始を決定します。
   2. 上腕骨角速度が最大の上腕骨角速度の2％を下回る、または上腕骨標高が120°を超えるとするポイントとして標高フェーズの終了を決定します。
   3. 角速度が最小角速度、または上腕骨標高が120℃を下回るするポイントの2％を下回ると、上腕骨低下フェーズの開始を決定します。
   4. 角速度が最小角速度の2％を超えると低下フェーズの終了を決定します。
2. 101データ点（ 図9）への移動の各段階における運動学的データを補間することによってデータを正規化する。 Time_normalisation.m機能ファイルを参照してください。
3. （度）アーム角度をプロットすることにより上腕標高との関係で肩甲骨の運動学を表現対上向きRotation（度）（ 図10）。 PlotScapHumRhythm.m機能ファイルを参照してください。

結果

なし肩、首や腕の怪我の歴史を知っていたフィフティーンの参加者は調査（ 表2）上に募集された。イントラ評価者（間-日）の信頼性を評価するために、参加者は、少なくとも24時間、7日間の最大で分離された2つのデータ収集セッションに出席した。上記で詳述したように、各データ収集セッションの間に、同一の研究者は、反射マーカーを取り付けるためのプロトコル、肩峰?...

ディスカッション

肩甲骨の運動を決定するための方法論の選択は非常に重要である、と妥当性、信頼性、調査研究のためにその妥当性の考慮が与えられるべきである。様々な方法が文献を通して採用されているが、各方法には限界がある。肩峰マーカークラスターは、肩甲骨の非侵襲性動的運動学的な測定を提供することによって、そのような2D画像または肩甲骨の位置を繰り返し解釈を必要とするから投影?...

資料

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