Medição da dinâmica Escapulário Cinemática Usando um Cluster acrômio marcador para Minimizar Artefato Movimento Pele

Resumo

Este relatório apresenta detalhes de como adotar o método de cluster marcador acrômio de obtenção de cinemática escapular ao usar um dispositivo marcador de captura de movimento passivo. Como já foi descrito na literatura, este método proporciona uma medição robusto, não-invasiva, tridimensional, dinâmico e válida da cinemática escapular, minimizando artefato movimento pele.

Resumo

A medição da cinemática escapular dinâmicos é complexo devido à natureza de deslizamento da escápula abaixo da superfície da pele. O objetivo do estudo foi descrever claramente o método de cluster marcador acrômio (AMC) de determinar a cinemática escapular ao utilizar um sistema de captura de marcador de movimento passivo, tendo em consideração as fontes de erro que podem afetar a validade e confiabilidade das medidas. O método AMC envolve a colocação de um conjunto de marcadores sobre o acrômio posterior, e através da calibração de marcos anatômicos em relação ao cluster marcador é possível obter medições válidas de cinemática escapular. A confiabilidade do método foi analisada entre dois dias em um grupo de 15 indivíduos saudáveis ​​(com idade entre 19-38 anos, oito do sexo masculino), como eles realizaram a elevação do braço, a 120 °, e baixando no frontal, escapular e sagital. Os resultados mostraram que entre os dias confiabilidade foi boa para rotação superior da escápula (Coeficiente de MultCorrelação iple; CMC = 0,92) e de inclinação posterior (CMC = 0,70), mas justo para rotação interna (CMC = 0,53) durante a fase de elevação do braço. O erro de forma de onda foi menor para rotação superior (2,7 ° a 4,4 °) e inclinação posterior (1,3 ° C a 2,8 °), em comparação com rotação interna (5,4 ° C a 7,3 °). A fiabilidade durante a fase de redução era comparável aos resultados observados durante a fase de elevação. Se o protocolo descrito neste estudo é respeitado, a AMC fornece uma medida confiável de rotação superior e posterior inclinação durante a elevação e reduzindo as fases do movimento do braço.

Introdução

Objetivo medição quantitativa, de cinemática escapular pode fornecer uma avaliação dos padrões de movimentos anormais associadas à disfunção do ombro ^1, como a redução da rotação superior e posterior inclinação durante a elevação do braço observada no impacto do ombro ^2-8. Medição da cinemática escapular, no entanto, é difícil devido à posição profunda do osso e deslizando natureza sob a superfície da pele ^1. Técnicas de medição de cinemáticas típicos de anexar marcadores reflexivos mais de marcos anatômicos não acompanhar adequadamente a escápula que desliza sob a superfície da pele ^9. Vários métodos têm sido adoptada em toda a literatura para ultrapassar estas dificuldades, incluindo; imagem (raios-X ou ressonância magnética) ^10-14, Genômetros ^15,16, pinos ósseos ^17-22, palpação manual de ^23,24, eo método acrômio ^3,5,19,25. Cada método, no entanto, tem as suas limitações, que incluem: exposure à radiação, os erros de projecção, no caso da análise baseada em imagem bidimensional, requerem repetidas interpretação subjectiva da localização da escápula, são de natureza estática ou são altamente invasiva (por exemplo, pinos de osso).

Uma solução para ultrapassar algumas destas dificuldades é a de empregar o método acromion onde um sensor electromagnético é ligado à porção plana da acromion ^25, uma porção plana de osso que se estende anteriormente na parte mais lateral da escápula que conduz a partir da coluna de escápula. O princípio idéia por trás usando o método acrômio é reduzir artefato movimento da pele, como o acrômio foi mostrado para ter o mínimo de artefato movimento pele em comparação com outros sites na escápula ^26. O método acrômio é não-invasivo e oferece medição de cinemática escapular dinâmica tridimensional. Os estudos de validação têm mostrado o método acrômio para ser válido até 120 ° durante o braço elfase evation quando se utiliza sensores eletromagnéticos ^17,27. Quando o uso de dispositivos de captura de movimento do marcador com base uma série de marcadores dispostos em um cluster, o cluster marcador acrômio (AMC), é necessária e tem sido mostrado para ser válido quando se utiliza um sistema de captura de movimento de presença ativa ²⁸ e, embora utilizando um marcador passivo sistema de captura de movimento durante a elevação do braço e braço baixando ^29.

A utilização da AMC com um dispositivo de captura de movimento passivo marcador para medir cinemática escapular tem sido utilizado para avaliar as mudanças na cinemática escapular na sequência de uma intervenção para tratar do impacto do ombro ^30. A utilização deste método válido, no entanto, depende da capacidade de aplicar com precisão o conjunto de marcadores, a posição de que foi demonstrado que afectam os resultados ^31, calibre ³² e as estruturas anatómicas que asseguram os movimentos do braço são válidos dentro de um intervalo de movimento (ou seja abaixo de 120 ° a elevação do braço) ^29. EleTambém foi sugerido a reaplicação do aglomerado marcador, quando usando um sistema de captura de movimento baseado marcador activo, verificou-se ser a fonte do aumento de erro para a inclinação posterior ²⁸ escapular. É, portanto, importante para estabelecer a confiança entre o dia do método acromion para garantir que ele fornece uma medida estável de cinemática escapular. Garantir que as medições são confiáveis ​​permitirá alterações na cinemática escapular, devido a uma intervenção, por exemplo, a ser medido e analisado. Os métodos utilizados para medir cinemática escapular foram descritos em outros lugares ^29,33; o objetivo do presente estudo foi o de fornecer um guia e referência ferramenta passo-a-passo para a aplicação destes métodos, utilizando um sistema de captura de movimento marcador passiva, tendo em consideração as potenciais fontes de erro, e para examinar a confiabilidade do método de medição .

Protocolo

NOTA: O uso de participantes humanos foi aprovado pelo Comitê de Ética da Faculdade de Ciências da Saúde da Universidade de Southampton. Todos os participantes assinaram o termo de consentimento antes da coleta de dados. Para os dados apresentados neste estudo cinemática foram gravados usando um sistema de captura de movimento passivo marcador composto por 12 câmeras; seis câmeras de 4 megapixels e seis câmeras de 16 megapixels operando na freqüência de amostragem de 120 Hz.

1. Participante Preparação

1. Peça temas para remover suas roupas parte superior do corpo ou para vestir um sutiã esportivo, colete, ou top sem alças. É importante que a roupa não interfira com o movimento dos marcadores ou marcadores de ocluir o ponto de vista das câmaras.
2. Construir um cluster marcador acrômio consistindo de um 'L' peça em forma de plástico de 70 mm de comprimento ao longo de cada aspecto. Anexar três marcadores retro-reflectores para o AMC, um na extremidade de cada uma das extremidades de cada aspecto e uma em que each aspecto meet (Figura 1).
3. Anexar o cluster marcador acrômio (AMC) para a porção posterior do acrômio onde o acrômio atende a espinha da escápula, usando fita adesiva dupla face. Um aspecto da placa deve seguir a espinha da escápula apontando medialmente, o outro deve apontar anterior ao plano escapular (Figura 1).
4. Anexar um marcador conjunto definido para o braço superior utilizando cintas (Figura 2).
5. Anexar marcadores retro-reflectores para os seguintes pontos anatômicos na recomendados pela Sociedade Internacional de Biomecânica ³³ (Figuras 1 e 2): Sternal entalhe (IJ; Deepest conjunta do manúbrio), apêndice xifóide (PX; mais caudal ponto no esterno), C7 (processo espinhoso da vértebra C7), T8 (processo espinhoso da vértebra T8), esterno clavicular joint (SC; A maioria ventral ponto da articulação esterno-clavicular), Radial estilóide (Most poi caudalnt na estilóide radial), e estilóide da ulna (Most ponto de caudal no estilóide da ulna).

Figura 1:. Posição do cluster marcador acrômio, C7 e T8 marcadores anatômicos Este valor foi modificado a partir Warner, MB, Chappell, PH & Stokes, MJ medição cinemática escapular durante braço redução usando o cluster marcador acrômio Hum.. Mov. Sci 31, 386-396, doi:. Http: //dx.doi.org/10.1016/j.humov.2011.07.004 (2012).

Figura 2: locais marcador para o manúbrio esternal (IJ), apêndice xifóide (PX), sternoclavicular (SC), conjunto de braço, estilóide da ulna (US), estilóide radial (RS).

2. PARTICIPANt Calibração

NOTA: A localização dos pontos anatômicos da escápula precisa ser determinado com relação ao cluster marcador acrômio. Calibragem dos marcos é necessário para cada participante.

1. Construir uma varinha de calibração consiste em quatro marcadores reflexivos colocados em formação um 'T' (Figura 3). Medir a distância entre a ponta da varinha de calibração para o primeiro marcador de varinha.
2. Apalpe e localize os seguintes pontos anatômicos, como recomendado pela Sociedade Internacional de Biomecânica ^33. Colocar a ponta da varinha de calibração no ponto de referência (Figura 3). Captura de três segundos de dados com o sistema de captura de movimento garantindo os marcadores na varinha, a AMC e cluster de braço são todos visível para as câmeras.
   1. Articulação acromioclavicular (AC) - Coloque uma mão na clavícula, então mover-se lateralmente até o ponto onde a clavícula atinge o acrômio.Coloque a ponta da varinha na articulação entre a clavícula e acrômio.
   2. Ângulo acrômio (AA) - Apalpe ao longo da espinha da escápula até o ponto mais lateral. Coloque a ponta da varinha no dorso do acrômio no ponto mais lateral (Figura 3).
   3. Coluna medial da escápula (TS) - Apalpe ao longo da espinha da escápula até o ponto mais medial. Colocar a ponta da varinha para o ponto em que a coluna vertebral se encontra com o bordo medial da escápula.
   4. Ângulo inferior da escápula (AI) - Apalpe inferiormente ao longo da borda medial da escápula. Coloque a ponta da varinha no ponto mais caudal da escápula.
   5. Epicondyle Medial (EM) - Com o cotovelo do participante em 90 ° de flexão apontando para a frente, com o polegar apontando para cima, coloque uma mão na face medial do cotovelo para localizar o epicôndilo medial. Coloque a ponta da varinha no ponto mais caudal do epicôndilo medial.
   6. Epicôndilos lateral (EL) - com o cotovelo do participante em 90º de flexão apontando para a frente, com o polegar apontando para cima, coloque uma mão na face lateral do cotovelo para localizar o epicôndilo lateral. Coloque a ponta da varinha no ponto mais caudal do epicôndilo lateral.
3. Para determinar o centro da articulação glenoumeral, peça ao participante para executar um movimento de circundução com o seu braço com o cotovelo totalmente estendida, a partir de zero graus a elevação do braço para aproximadamente 40 ° a elevação do braço. Eles devem realizar esse movimento, enquanto com o objetivo de minimizar protraction / retração e elevação / depressão do complexo do ombro; o investigador pode fornecer assistência, se necessário. Grave este movimento por cerca de 30 segundos.

Figura 3: Calibração varinha usadopara localizar anatômica óssea marco no que diz respeito ao cluster marcador acrômio (AMC).

3. Experiência Protocol

1. Peça ao participante para realizar a elevação do braço de zero a 120 ° a elevação do braço, e em seguida, abaixe o braço de volta para baixo para descansar ao seu lado no plano sagital, frontal e escapular. O plano escapular é de aproximadamente 40 ° anterior ao plano frontal.

4. Pós-processamento de dados cinemáticos

NOTA: Os seguintes passos detalham o procedimento necessário para calcular a cinemática escapular durante os ensaios movimento dinâmico. Estes passos têm sido descritos e explorou amplamente na literatura ^21,33,34 e da finalidade da seção seguinte é fornecer uma síntese e passo-a-passo para implementar as etapas de modelagem necessários para obter a cinemática escapular. A aplicação destes passos é realizado em software de modelagem cinemática relevante. A Conta softwarecomandos ins para permitir a criação de sistemas locais de coordenadas, a conversão de coordenadas a partir de um global ao local do sistema de coordenadas, a conversão de coordenadas do local ao global sistemas e o cálculo de rotações ângulo Euler de coordenadas. Estas medidas permitirão que a escápula, úmero e tórax para ser definido como corpos rígidos. Subsequentemente rotação da escápula com respeito ao tórax, e do úmero, com respeito tórax pode então ser determinada.

1. Utilizando as coordenadas de marcadores no AMC, definem um sistema local de coordenadas arbitrário para o AMC (Figura 4a). Para cada ensaio de calibração marco anatómica escapular, determinar a localização da ponta da varinha, que representa a localização anatómica do marco, no que diz respeito ao sistema de coordenadas local do AMC usando os seguintes passos.
   NOTA: O software de modelagem cinemática contêm comandos para permitir a criação de sistemas de coordenadas local e conversão de coordenadas a partir de um mundiala um coordenadas locais, consulte a Figura 4 para os comandos de exemplo.
   1. Use os marcadores sobre a varinha para criar um sistema de coordenadas local para a varinha (Figura 4-A) usando o seguinte comando no software de modelagem cinemática: AMC = [AMCO, AMCA-AMCO, AMCO-AMCM, xyz] onde AMCO, AMCA e AMCM são os rótulos dados aos marcadores no AMC.
   2. Utilizando o software de modelagem cinemática, calcular a localização da ponta da varinha no sistema de coordenadas global. No exemplo dado esta é de 83 mm a partir do marcador 1 (M1) ao longo do eixo X da varinha (Figura 4b); use o comando: Wand = [M1, M1-M2, M3-M4, xyz] e Wandtip = M1 + {} * 83,0,0 ATITUDE (Wand), onde M1, M2, M3 e M4 são os rótulos dados aos marcadores sobre a varinha.
   3. Determinar a localização da ponta da varinha em relação ao sistema local de AMC ($% AA) (Figura 4c) de coordenadas usando os comandos de modelagem: $% AA = WandTip / AMC e param ($% AA).
   4. Repita os passos 4.1.1 a 4.1.3 para cada região anatômica escapular.
   5. Determinar a localização dos epicôndilos medial e lateral em relação ao cluster marcador úmero, em vez do AMC, usando o usando os passos acima descritos.
2. Utilizar o ensaio de calibragem dinâmica para calcular a localização do centro de articulação glenoumeral com respeito à escápula. Calcula-se a posição do centro da articulação GU, no que diz respeito à escápula, como o ponto de articulação entre o eixo helicoidal entre a escápula e úmero. Para mais detalhes sobre esta técnica se referem a Veeger ^35.
3. Calcule o cotovelo centro da articulação (ELJC) como a meia distância entre a lateral (EL) e medial epicôndilos (EM) do úmero; ELJC = (EM + EL) / 2.
4. Durante os ensaios dinâmicos, usar a posição conhecida das estruturas anatómicas com respeito ao AMC para determinar a localização das estruturas anatómicas no sistema de coordenadas global (Figura 5).
   NOTA: O software de modelagem contêm comandos para permitir a conversão de coordenadas do local de sistemas de coordenadas para sistemas de coordenadas globais, veja a Figura 5 para comandos de exemplo.
   1. Consulte a Figura 5a que mostra a localização do marco ângulo acrômio com respeito ao AMC ($% AA), conforme descrito no ponto 4.1.
   2. Converter a localização do marcador virtual $% AA para o sistema de coordenadas global para cada ponto de tempo durante o julgamento dinâmica para criar o ângulo acrômio marco (AA) (Figura 5b) usando o seguinte comando cinemática modelagem: AA = $% AA * AMC e OUTPUT (AA).
   3. Repita os passos 4.4.2 para cada região anatômica.
5. Definir um sistema de coordenadas local para o tórax e escápula através do cálculo dos vetores unitários entre os marcadores relevantes para representar cada um dos eixos para um determinado corpo rígido usando o seguinte comando modelagem cinemática: Scapula = [AA, TS-AA, AA-AI, ZXY] . Thorax = [IJ, MUTHX-MLTHX, IJ-C7, yzx], onde MUTHX é o ponto médio entre o IJ e C7 marco e MLTHX é o ponto médio entre os PX e T8 marcos.
   NOTA: A definição eixos são baseados na Sociedade Internacional de Biomecânica "(ISB) recomendações ³³ (Tabela 1 e Figura 6).
   1. Usando um método similar, definem um sistema de coordenadas local do úmero utilizando 'Opção 2', tal como recomendado pelo ISB ^33.
      NOTA: Opção 2 requer um plano suficiente formado pelo centro da articulação gleohumeral, cotovelo centro conjunta eo estilóide da ulna, ou seja, um grau de flexão do cotovelo é necessária. Se o participante se aproxima de extensão completa do cotovelo, os eixos do úmero pode se tornar instável e, portanto, "Opção 1" deve ser utilizado (Tabela 1). Veja Wu et al. (2005) para mais detalhes.
6. Determinar a orientação da escápula em relação ao tórax para cada ponto de tempo durante o teste dinâmicoutilizando o método de decomposição ângulo Euler com uma sequência de rotação interna (Y), rotação superior (X ') e posterior inclinação (Z' ') Rotação ³³ usando o seguinte comando cinemática modelagem: ScapularKin = - ( A Figura 7).
7. Determinar a orientação do úmero, com respeito ao tórax durante o ensaio dinâmico utilizando uma sequência não-rotação do cardan Y (plano de elevação), X '(elevação) e Y' '(rotação axial) ³⁶ utilizando o software de modelagem cinemática relevante.
   NOTA: A macro está disponível para download a partir do fabricante, a fim de determinar as sequências de rotação não-cardã dentro do software de modelagem cinemática utilizada neste manuscrito.

MUTHX = ponto médio entre IJ e C7. MLTHX = ponto médio entre PX e T8. GH = glenohumeral centro da articulação. ELJC = cotovelo centro da articulação.

Operadores matemáticos:

^ = Produto vetorial de dois vetores

|| = Valor absoluto de um vetor

Tabela 1: sistema de coordenadas local para cada segmento rígida.

5. Redução e Análise de Dados

Nota: Os passos do seguinte desconto e análise de dados são realizados em software de modelagem numérica (como MATLAB), que permite a manipulação de matrizes de dados. Os dados cinemática é dividido em elevação e reduzindo as fases do movimento do úmero, tempo normalizado para cada fase do movimento, em seguida, a cinemática escapular são expressos em relação ao ângulo de elevação do úmero.

1. Determinar a elevação e abaixamento da fase de elevação do úmero, tal como descrito abaixo (Figura 8). Estas fases são determinados a partir da velocidade angular do ângulo de elevação do úmero (Figura 8). Veja função ElevationLoweringPhases.marquivo.
   1. Determinar o início da elevação do úmero, quando a velocidade angular do úmero excede um limiar de 2% da velocidade angular máxima do úmero.
   2. Determinar o final da fase de elevação como o ponto em que a velocidade angular do úmero cai abaixo de 2% do úmero velocidade angular máxima, ou quando a elevação do úmero excede 120 °.
   3. Determinar o início da fase de abaixamento do úmero, quando a velocidade angular cai abaixo de 2% da velocidade angular mínima, ou o ponto em que a elevação do úmero cai abaixo de 120 °.
   4. Determinar o final da fase de redução, quando a velocidade angular for superior a 2% da velocidade angular mínima.
2. Normalizar os dados por interpolação dos dados cinemáticos em cada fase do movimento de 101 pontos de dados (Figura 9). Ver arquivo de função Time_normalisation.m.
3. Expresse cinemática escapular em relação à elevação do úmero traçando o ângulo do braço (graus) vs. para cima rotation (graus) (Figura 10). Ver arquivo de função PlotScapHumRhythm.m.

Resultados

Quinze participantes que não tinham conhecido histórico de lesões no ombro, pescoço ou braços foram recrutados para o estudo (Tabela 2). Para avaliar intra-avaliador (entre-dia) confiabilidade, os participantes participaram de duas sessões de recolha de dados separados por pelo menos 24 horas e um máximo de 7 dias. Durante cada sessão de coleta de dados, o mesmo examinador realizou o protocolo para a fixação de marcadores reflexivos, o cluster marcador acrômio e anatômicas calibrações marc...

Discussão

A escolha da metodologia para determinar a cinemática escapular é crucial, e deve ser dada consideração da validade, confiabilidade e sua adequação para o estudo de pesquisa. Vários métodos têm sido adoptada em toda a literatura, mas cada método tem as suas limitações. O aglomerado marcador acromion supera um certo número destas limitações, tais como erros de projecção de imagens 2D ou requerendo uma interpretação repetida da localização da escápula, fornecendo medição dinâmica cinemática não-...

Materiais

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