피부 운동 아티팩트를 최소화하기 위해 견봉 마커 클러스터를 사용하여 동적 스카풀라 운동학의 측정

요약

이 보고서는 수동 마커 모션 캡쳐 디바이스를 사용할 때 견갑골 운동학을 얻는 견봉 마커 클러스터 방법을 채용하는 방법의 세부 사항을 제공한다. 문헌에 기술 된 바와 같이,이 방법은 피부의 움직임 아티팩트를 최소화 견갑골 운동학, 비 침습성, 강력한 입체 동적 및 유효 측정을 제공한다.

초록

동적 견갑골 운동학 측정 인해 피부 표면 아래 견갑골의 슬라이딩 특성으로 복잡하다. 연구의 목적은 명확 수동 마커 모션 캡쳐 시스템을 사용할 때 측정의 유효성과 안정성에 영향을 미칠 수있는 오류의 근원을 고려하여, 견갑골 운동학을 결정 견봉 마커 클러스터 (AMC) 방법을 서술 하였다. AMC 방식은 견갑골 운동학 유효한 측정을 얻을 수있다 마커 클러스터에 대하여 후방 견봉 위에, 및 해부학 적 교정을 통해 마커의 클러스터를 투입하는 것. 방법의 신뢰성은 120 °로, 그들은 팔 높이를 수행으로 15 건강한 사람들 (세 19-38년, 여덟 남성)의 그룹 이틀 사이에 조사하고, 정면, 견갑골과 시상면의 저하되었다. 결과 사이의 일 신뢰성이 멀티 포트 위쪽으로 견갑골 회전 (계수에 대한 좋은 것으로 나타났다이플 상관 관계; CMC = 0.92)과 팔 상승 단계에서 내부 회전 (= 0.53 CMC)에 대한 후방 경사 (CMC = 0.70)하지만 공정. 파형 오류가 내부 회전 (5.4 ° ° 7.3)에 비해 위쪽으로 회전 (4.4 ° ~ 2.7 °) 및 후방 경사 (1.3 ° ° 2.8)에 대한 낮았다. 하강 단계에서 신뢰성을 높이 단계에서 관찰 된 결과와 비교했다. 본 연구에 제시된 프로토콜에 부착되어있는 경우, AMC가 고도와 팔 운동의 하강 단계에서 상방으로 회전하고, 후방 경사의 측정 신뢰성을 제공한다.

서문

견갑골 운동의 목적, 정량적 측정은 어깨 충돌 ^2-8에서 관찰 팔 상승 중에 이러한 감소 위쪽으로 회전 후방 경사와 같은 어깨 장애 ^1과 관련된 비정상적인 운동 패턴에 대한 평가를 제공 할 수 있습니다. 견갑골 운동학의 측정은, 그러나, 피부 표면 아래의 ^(1)의 깊은 골의 위치와 글라이딩 특성상 어렵다. 이 피부 표면 ⁽⁹⁾ 아래에 미끄러으로 적절하게 견갑골을 추적하지 않습니다 해부학 적 이상 반사 마커를 부착 일반적인 운동 측정 기술. 다양한 방법을 포함하여 이러한 어려움을 극복하기 위해 문헌에 걸쳐 채택되었다; 영상 (X 선이나 자기 공명) ^{10-14, 15, 16,} 뼈 핀 ^{17 ~ 22,} 수동 촉진 ^{23, 24,} 및 견봉 방법 ^3,5,19,25를 고니 오 미터. 각 방법은, 그러나, 등의 제한이 있습니다 : 예를방사선 브라케팅 프로그램은, 2 차원 영상 기반 분석의 경우 투영 오차가 견갑골의 위치의 주관적 해석을 반복되어야하는 자연에서 정적이거나 (예를 들어 뼈 극) 고도로 침습.

이러한 어려움들을 극복하기위한 솔루션은 전자기 센서 견봉 ^25의 척추에서 이어지는 견갑골 가장 측면부에서 전방으로 연장되는 뼈의 평탄 부의 평탄 부에 부착되는 견봉 방법을 사용하는 것이다 견갑골. 견봉 방법을 사용 배후 아이디어는 원리가 견봉 견갑골 ^(26)의 다른 부위에 비하여 피부 움직임 아티팩트의 최소량을 가지고 도시 된 바와 같이, 피부의 움직임 아티팩트를 감소시키는 것이다. 견봉 방법은 비 침습적이며 견갑골 운동학 동적 3 차원 계측을 제공한다. 검증 연구는 팔 엘 동안 120 °까지 유효한 것으로 견봉 방법을 보여 주었다evation 단계 전자기 센서 ^17,27를 사용하여. 마커 기반 모션 캡처 장치를 클러스터 견봉 마커 클러스터 (AMC)에 배치 마커의 시리즈를 사용하는 경우, 필수이며 액티브 마커 모션 캡쳐 시스템 ^(28)을 사용할 때 유효한 것으로 도시되었으며, 패시브 마커를 사용하는 동안 승강 아암과 아암 ^(29)을 낮추는 동안 모션 캡쳐 시스템.

견갑골 운동을 측정하기위한 패시브 마커 모션 캡쳐 디바이스와 AMC의 사용은 숄더 ^{(30)의 충돌을} 해결하기 위해 다음과 같은 개입 견갑골 운동의 변화를 평가하기 위해 사용되어왔다. 이 방법의 유효 사용하지만 정확하게 마커의 클러스터에 적용 할 수있는 능력에 따라, 위치가있는 움직임의 유효 범위 내에있는 해부학 ³² 보장 팔의 움직임을 보정 결과 ^{(31)에 영향을} 미치는 것으로 밝혀졌다 (즉, 120 ° 팔 높이) ²⁹ 이하. 그것활성 마커 기반 모션 캡쳐 시스템을 사용하는 경우에도 마커 클러스터의 재 적용을 제안되었으며, 견갑골 후방 경사 ^(28)에 대한 오류 증가의 원인 인 것으로 밝혀졌다. 그것은 견갑골 운동학 안정된 측정 값을 제공하도록 보장 견봉 방법의 일 간의 신뢰성을 확립하는 것이 중요하다. 측정에 의한 개입 견갑골 운동의 변화를 가능하게하도록 보장 신뢰성, 예를 들어, 측정 및 검사한다. 견갑골 운동학을 측정하는 데 사용되는 방법은 다른 곳에 ^29,33 설명되었다; 본 연구의 목적은 오류의 잠재적 인 소스로 고려하여, 패시브 마커 모션 캡쳐 시스템을 이용하여이 방법을 적용하기위한 단계별 안내 및 참조 도구를 제공하고, 측정 방법의 신뢰도를 검사했다 .

프로토콜

참고 : 인간 참가자의 사용은 사우 샘프 턴 대학의 건강 과학 윤리위원회의 교수진에 의해 승인되었다. 데이터 수집이 시작하기 전에 모든 참가자는 동의서에 서명했다. 본 연구에 제시된 운동학 데이터는 카메라 (12)로 이루어진 수동 마커 모션 캡쳐 시스템을 이용하여 기록 하였다 들어; 여섯 4 메가​​ 픽셀 카메라와 120 Hz의 샘플링 주파수에서 동작 여섯 16 메가 픽셀 카메라.

1. 참가자 준비

1. 상체의 의복을 제거하기 위하여, 또는 스포츠 브래지어, 조끼, 또는 끈이없는 탑을 착용하는 과목을 요청합니다. 그것은 의류 마커의 움직임을 방해하거나 카메라의 시야에서 마커를 폐색하지 않는 것이 중요합니다.
2. 'L'각 측면을 따라 길이의 플라스틱 70mm 모양의 조각으로 구성된 견봉 마커 클러스터를 구축합니다. AMC, 각 측면의 각 끝의 말에, 하나는 전자 세 재귀 반사 마커를 부착ACH 측면 대회 (그림 1).
3. 견봉 이중 양면 접착 테이프를 사용, 견갑골 척추을 충족 견봉의 후방 부 상 견봉 마커 클러스터 (AMC)를 연결합니다. 내측 가리키는 견갑골의 척추를 따라야 판의 한 측면은, 다른 하나는 견갑골 평면 (그림 1) 앞쪽에 표시해야한다.
4. 스트랩 (그림 2)를 이용하여 상완로 설정 클러스터 마커를 부착합니다.
5. 국제 역학 ^(33)의 사회 (그림 1, 2) 추천에서 다음 해부학에 재귀 반사 마커 첨부 : 흉골 노치 (IJ을, 흉골 노치의 깊은 공동), 칼 모양의 프로세스를 (PX, 흉골에있는 대부분의 꼬리 포인트), C7 (C7 척추의 극돌기), T8 (T8 척추의 극돌기), 흉쇄 관절 (SC, 흉쇄 관절에있는 대부분의 복부 점), 레이디 얼 경상 돌기 (대부분의 꼬리 포이NT 반경 경상 돌기에) 및 척골 경상 돌기 (척골 경상 돌기에있는 대부분의 꼬리 포인트).

그림 1 :.. 견봉 마커 클러스터의 위치는, C7 및 T8 해부학 적 마커는이 그림은 견봉 마커 클러스터 흠을 사용 낮추는 팔 때 견갑골 운동을 측정 워너, MB, 챠펠, PH 및 스톡스, MJ에서 수정되었습니다. mov 인. 공상 과학 (31), 386-396, 도이 :. HTTP : //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

그림 2 : 흉골 노치에 대한 마커 위치 (IJ), 칼 모양의 과정 (PX), 흉쇄 (SC), 상완 클러스터, 척골 경상 돌기 (US), 요골 경상 돌기 (RS).

2. Participant 교정

참고 : 견갑골의 해부학의 위치는 견봉 마커 클러스터에 대해 결정해야합니다. 랜드 마크의 교정은 각 참가자가 필요합니다.

1. 'T'형성 (그림 3)에 배치 네 반사 마커로 구성된 교정 지팡이를 구축합니다. 첫 번째 지팡이 마커 교정 지팡이의 끝 부분까지의 거리를 측정한다.
2. 만져 및 역학 ^(33)의 국제 학회에서 권장하는 다음과 같은 해부학 적 랜드 마크를 찾습니다. 랜드 마크의 교정 지팡이의 끝을 (그림 3)를 놓습니다. 지팡이에 마커를 보장하는 모션 캡쳐 시스템과 데이터의 3 초 캡처, AMC 및 상완 클러스터는 카메라에 모두 볼 수 있습니다.
   1. 견봉 쇄골 관절 (AC) - 쇄골에 손이, 다음 쇄골 견봉에 도달하는 시점까지 옆으로 이동 장소.쇄골과 견봉 사이의 관절에 지팡이의 끝을 놓습니다.
   2. 견봉 각도 (AA)가 - 측 지점에 가장 견갑골의 척추를 따라 촉진하다. 대부분의 측면 점 (그림 3)에서 견봉의 등 측면에 지팡이의 끝을 놓습니다.
   3. 견갑골 (TS)는 척추의 내측 - 내측 지점에 가장 견갑골의 척추를 따라 촉진하다. 척추는 견갑골의 내측 경계를 만나는 지점에서 지팡이의 끝을 놓습니다.
   4. 견갑골 (AI)의 열등한 각도 - 견갑골의 내측 테두리를 따라 하방 촉진하다. 견갑골의 가장 꼬리 지점에 지팡이의 끝을 놓습니다.
   5. 내측 상과 (EM) - 굴곡이 자신의 엄지 손가락 위쪽을 가리키는으로 가리키는 앞으로 90 °에서 참가자의 팔꿈치는, 내측 상과를 찾습니다 팔꿈치의 내측에 손을 놓습니다. 내측 상과의 가장 꼬리 지점에 지팡이의 끝을 놓습니다.
   6. 측면 epicondyles (EL) - 참가자의 팔꿈치 굴곡의 90 °가 자신의 엄지 손가락 위쪽을 가리키는, 앞으로 가리키는는 측면 상과를 찾습니다 팔꿈치의 측면에 손을 놓습니다. 외측 상과의 가장 꼬리 지점에 지팡이의 끝을 놓습니다.
3. 약 40 ° 팔 높이에 0도 팔 높이에서 완전히 확장 팔꿈치와의 상완과 circumduction 운동을 수행하기 위해 참가자를 요청, 견관절 센터를 확인하십시오. 그들은 길게 끌기 / 수축과 어깨 복잡한 상승 / 우울증을 최소화하는 것을 목표로 동안이 운동을 수행해야합니다; 필요한 경우 수사관 지원을 제공 할 수 있습니다. 약 30 초 동안이 운동을 기록합니다.

그림 3 : 교정 지팡이 사용관련 견봉 마커 클러스터 (AMC)와 해부학 뼈 랜드 마크를 찾습니다.

3. 실험 프로토콜

1. 120 ° 팔 상승 0에서 팔 상승을 수행하기 위해 참가자를 요청하고 시상, 전두엽 및 견갑골의면에서 자신의 옆에 다시 아래 나머지 부분에 자신의 팔을 내립니다. 견갑골 평면은 정면 평면에 약 40 ° 전방입니다.

4. 운동 학적 데이터 후가공

참고 : 다음 단계 세부 동적 이동 시험 중에 견갑골 운동을 계산하는 데 필요한 절차. 이러한 단계를 설명하고 광범위하게 탐구 문헌 ^21,33,34 내에서 다음과 같은 섹션의 목적은 합성을 제공하고 단계별 가이드를 견갑골 운동을 얻기 위해 필요한 모델링 단계를 구현하는 것입니다되었습니다. 이 단계의 적용은 관련기구 학적 모델링 소프트웨어에서 수행한다. 소프트웨어 접점인은, 글로벌 국부적에서 좌표 변환 시스템 및 오일러 각도 회전의 좌표 계산, 로컬에 전역에서 좌표 변환 좌표계를 로컬 좌표 시스템을 생성하도록하는 명령. 견갑골, 상완골과 가슴을 수 이러한 단계는 강체로 정의한다. 다음에 대한 견갑골 흉부의 회전 및 존중 흉부와 상완골은 측정 할 수있다.

1. AMC에 마커의 좌표를 사용하여, AMC (도 4a)를위한 임의의 로컬 좌표 시스템을 정의한다. 각 견갑골 해부학 표식 교정 재판, 다음 단계를 사용 대하여, AMC의 로컬 좌표 시스템을 해부학 랜드 마크의 위치를​​ 나타내는 막대의 팁의 위치를​​ 결정한다.
   참고 : 운동 학적 모델링 소프트웨어는 지역의 창조 세계에서 좌표 시스템과 좌표 변환을 가능하게하는 명령을 포함로컬 좌표에, 예를 들어, 명령에 대한 그림 4 참조.
   1. 기구 학적 모델링 소프트웨어에서 다음 명령을 사용하여 지팡이 (그림 4a)에 대한 로컬 좌표계를 만들 지팡이에 마커를 사용하여 AMC = [엠코, AMCA - 엠코, 엠코 - AMCM, XYZ를] 여기서 엠코, AMCA 및 AMCM AMC에 마커 지정된 레이블입니다.
   2. 운동 학적 모델링 소프트웨어를 사용하여, 글로벌 좌표계에서 막대의 선단의 위치를​​ 계산한다. 이 예에서 제공 지팡이의 X 축을 따라 한 마커 (M1)에서 83mm이다 (도 4B); 지팡이 = [M1, M1-M2, M3-M4, XYZ]와 Wandtip = M1 + {83,0,0} * 태도 (지팡이) M1, M2, M3와 M4는 마커에 부여 된 라벨 (label) : 명령을 사용하여 지팡이에.
   3. 모델링 명령을 이용하여 AMC (달러 %의 AA) (도 4c)의 로컬 좌표계에 대하여 막대의 선단부의 위치를 결정 달러 %의 AA = WandTip / AMC 및 PARAM (달러 %의 AA).
   4. 반복 각 견갑골의 해부학 적 랜드 마크 4.1.3 4.1.1 단계를 반복합니다.
   5. 위의 단계를 사용하여, AMC 대신에, 상완골 마커 클러스터에 대하여 내측 및 외측 epicondyles의 위치를​​ 결정한다.
2. 견갑골에 대한 견관절 센터의 위치를​​ 계산하는 동적 교정 시험을 사용합니다. 상완골과 견갑골 사이 나선 축의 피봇 점으로, 견갑골에 대하여, 견관절 중심의 위치를​​ 계산한다. 이 기술에 대한 자세한 내용은 Veeger ^(35)을 참조하십시오.
3. 상완골의 측면 (EL) 사이의 중간 거리와 팔꿈치 관절 센터 (ELJC)를 계산하고 내측 epicondyles (EM); ELJC = (EM + EL) / 2.
4. 동적 시험 동안, 글로벌 좌표계 (도 5) 내에서의 해부학 적 위치를 결정하기 위해 AMC에 대한 해부학의 공지 된 위치를 사용한다.
   참고 : 모델링 소프트웨어는 글로벌 좌표계로 좌표 시스템을 지역에서 좌표 변환을 가능하게 예를 명령 그림 5 참조하는 명령이 포함되어 있습니다.
   1. 포인트 4.1에 기재된 바와 같이 AMC (달러 %의 AA)에 대해 각도 견봉, 랜드 마크의 위치를 도시한다도 5a 참조.
   2. 견봉 각도를 만드는 동적 시험 동안 각 시점에 대한 전역 좌표계 달러 %의 AA 가상 마커의 위치 변환 (AA), 랜드 마크 (도 5b) 다음 학적 모델링 명령을 사용하여 AA = 달러 %의 AA * AMC 및 OUTPUT (AA).
   3. 반복 각각의 해부학 적 랜드 마크에 대한 4.4.2 단계를 반복합니다.
5. 다음 학적 모델링 명령을 사용하여 지정된 강체 축별로을 나타내는 중요한 지표 사이의 단위 벡터를 계산함으로써 흉부 및 견갑골 대한 로컬 좌표계를 정의 견갑골 = [AA, TS-AA, AA-AI, zxy] . 흉부 = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, YZX], MUTHX는 IJ과 C7 랜드 마크 사이의 중간 지점이며 MLTHX은 PX 및 T8 랜드 마크 사이의 중간 지점이다.
   참고 : 축 정의는 역학의 국제 학회 '(ISB) 추천 ⁽³³⁾ (표 1 및 그림 6)을 기반으로합니다.
   1. 비슷한 방법을 사용하여, ³³ ISB 권장 상완골가 '옵션 2'를 사용하는 로컬 좌표계를 정의한다.
      참고 : 옵션 2는 gleohumeral 관절 센터에 의해 형성된 충분한 비행기, 팔꿈치 관절 센터 및 척골 경상 돌기가 필요 팔꿈치 굴곡의 정도 필요하다 즉. 전체 참가자가 팔꿈치 확장 다가 가면 상완골 축가 불안정해질 수 있으므로 '옵션 1'(표 1)를 사용하여야한다. 우 등의 알을 참조하십시오. (2005) 자세한 내용은.
6. 동적 시험 동안 각 시점에 대한 흉부 견갑골의 상대적 방향을 결정다음 학적 모델링 명령을 사용하여 ³³ 내회전 (Y), 상방으로 회전 (X ')와 후방 경사 (Z' ')의 회전 시퀀스로 오일러 각도 분해법을 사용 : ScapularKin = - <흉부 견갑골, YXZ> ( 그림 7).
7. Y의 비 카단 회전 시퀀스 (고도의 평면), X '(고도) 및 Y' '(축 회전) ³⁶ 중요한 학적 모델링 소프트웨어를 사용하여 사용하여 동적 시험 중에 흉부에 대하여 반경 방향을 결정한다.
   참고 : 매크로이 원고에 사용되는기구 학적 모델링 소프트웨어 내에서 비​​ 카르 회전 순서를 결정하기 위해 제조업체에서 다운로드 할 수 있습니다.

IJ과 C7 사이 MUTHX는 = 중​​간 지점. PX 및 T8 사이 MLTHX는 = 중​​간 지점. GH = GLenohumeral 관절 센터. ELJC = 팔꿈치 관절 센터.

수학 연산자 :

두 벡터의 외적 = ^

|| = 벡터의 절대 값

표 1 : 각각의 로컬 세그먼트에 대한 경질 좌표계.

5. 데이터 감소와 분석

주 : 다음 데이터 환원 및 분석 단계는 데이터 매트릭스 조정할 수있다 (예컨대 MATLAB 등) 수치 모델링 소프트웨어에서 수행된다. 운동 학적 데이터가 고도와 상완골 운동의 저하 단계, 운동의 각 단계에 대한 정규화 된 시간으로 나누어 져, 다음 견갑골 운동은 상완골 상승 각도를 기준으로 표시됩니다.

1. (그림 8) 아래에 설명 된대로 상완골 고도의 상승과 하강의 위상을 결정합니다. 이 단계는 상완골 앙각 (그림 8)의 각속도에서 결정된다. ElevationLoweringPhases.m 함수를 참조파일.
   1. 상완골 각​​속도 상완골 최대 각속도의 임계치 2 %를 초과하면 상완 고도의 시작을 결정한다.
   2. 상완골 각​​속도 아래의 최대 상완골 각​​속도의 2 %로 떨어질되는 시점, 또는 때 상완골 해발 고도가 120 ℃를 초과하는 고도 단계의 끝을 확인합니다.
   3. 각속도 아래 최소 각속도 또는 상완 입면도를 120 ° 이하로 떨어지는 시점에서의 2 %로 떨어질 때 상완골 위상 저하의 시작을 결정한다.
   4. 각속도 각속도 최소 2 %를 초과하면 하강 단계의 끝을 결정한다.
2. 데이터 지점 (101) (도 9)에 이동의 각 단계에 운동 학적 데이터를 보간함으로써 데이터를 정상화. Time_normalisation.m 기능 파일을 참조하십시오.
3. 대 상승 R 팔 각도 (도) 플롯에 의해 상완골 상승과 관련하여 견갑골 운동 익스프레스otation (도) (그림 10). PlotScapHumRhythm.m 기능 파일을 참조하십시오.

결과

아니 어깨, 목 또는 팔 부상의 역사를 알고 있었던 다섯 참가자들은 연구 (표 2)에 채용되었다. 내부 평가자 (사이 일) 신뢰성을 평가하기 위해, 참가자는 최소 24 시간 7 일 최대에 의해 분리 된 두 개의 데이터 수집 세션에 참석했다. 위에서 설명한 바와 같이, 각 데이터 수집 세션 중에 동일 연구자들은 반사 마커 견봉 마커 클러스터 및 해부학 적 경계표 교정을 부착하기위한 프로토콜...

토론

견갑골 운동학을 결정하기위한 방법론의 선택은 중요하고, 유효성 및 안정성 연구 연구에 대한 적합성을 고려하여이 주어져야한다. 다양한 방법이 문헌에 걸쳐 채택되었다하지만 각각의 방법은 한계가있다. 견봉 마커 클러스터 견갑골 비 침습적 동적 운동 학적 측정을 제공함으로써 이러한 2D 영상이나 견갑골의 위치의 해석을 필요로하는 반복에서 투영 오차 이들 한계들을 극복한다. 그러나, AM...

자료

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