Mätning av Dynamic Scapular kinematik Använda en acromion Marker Cluster att Minimera Skin Move Artifact
Summary
Denna rapport presenterar information om hur man anta acromion markör kluster metod för att få skulderblad kinematik vid användning av en passiv markör motion capture enhet. Såsom har beskrivits i litteraturen, ger denna metod en robust, icke-invasiv, tre-dimensionell, dynamisk och giltig mätning av skulderblad kinematik, minimera hud rörelse artefakt.
Abstract
Mätningen av dynamiska skulderblad kinematik är komplex på grund av den glidande typen av scapula under hudytan. Syftet med studien var att tydligt beskriva acromion markör klustret (AMC) metod för bestämning av skulderblad kinematik vid användning av en passiv markör motion capture-system, med hänsyn till de felkällor som kan påverka giltigheten och tillförlitligheten i mätningarna. AMC-metoden innebär att placera ett kluster av markörer över den bakre acromion och genom kalibrering av anatomiska landmärken med avseende på markör klustret är det möjligt att erhålla giltiga mätningar av skulderblad kinematik. Tillförlitligheten av metoden undersöktes mellan två dagar i en grupp av 15 friska individer (åldrarna 19-38 år, åtta män) som de utförda armen höjd, till 120 °, och sänker i frontala, skulderblad och sagittala plan. Resultaten visade att mellan-dagars tillförlitlighet var bra för uppåt skulderblad rotation (koefficient Multiple Korrelation; CMC = 0,92) och bakre lutning (CMC = 0,70) men rättvis för inåtrotation (CMC = 0,53) under armen höjd fasen. Felet vågformen var lägre för uppåtrotation (2,7 ° till 4,4 °) och posterior lutning (1,3 ° till 2,8 °), jämfört med inåtrotation (5,4 ° till 7,3 °). Tillförlitlig under sänkningen fasen var jämförbar med resultaten som observerats under höjdfasen. Om det protokoll som beskrivs i denna studie följs, ger AMC en tillförlitlig mätning av uppåtrotation och bakre lutning under höjd och sänk faser av armrörelse.
Introduction
Mål, kvantitativ mätning av skulderblad kinematik kan ge en bedömning av onormala rörelsemönster i samband med skulderdysfunktion 1, såsom minskad uppåt rotation och bakre lutning under armen höjd observerats i axel impingement 2-8. Mätning av skulderblad kinematik är emellertid svårt på grund av benets djupa position och glida natur under hudytan 1. Typiska kinematiska mätteknik för att fästa reflekterande markörer över anatomiska landmärken inte adekvat spåra skulderblad som det glider under huden ytan 9. Olika metoder har antagits i hela litteraturen för att övervinna dessa svårigheter, inklusive; imaging (röntgen eller magnetisk resonans) 10-14, goniometrar 15,16, benstift 17-22, manuell palpation 23,24, och acromion metod 3,5,19,25. Varje metod har emellertid sina begränsningar vilka inkluderar: exexponering för strålning, projektions fel i fallet med tvådimensionell bild baserad analys, kräver upprepade subjektiv tolkning av platsen för skulderbladet, är statiska till sin natur eller är mycket invasiva (t.ex. benstift).
En lösning för att övervinna några av dessa svårigheter är att använda acromion metod där en elektromagnetisk sensor är ansluten till den platta delen av acromion 25, en plan del av ben som sträcker sig anteriort på den mest laterala delen av scapula leder från ryggraden av skulderbladet. Principen Tanken bakom att använda acromion metoden är att minska hudens rörelse artefakt, som acromion har visat sig ha den minsta mängden hud rörelse artefakt jämfört med andra platser på skulderbladet 26. Acromion Metoden är icke-invasiv och tillhandahåller dynamisk tredimensionell mätning av skulderblad kinematik. Valideringsstudier har visat acromion metoden att gälla upp till 120 ° under armen elevation fas vid användning elektromagnetiska sensorer 17,27. Vid användning av markörbaserad rörelse inspelningsenheter en rad markörer arrangerade i ett kluster, acromion markör klustret (AMC), krävs och har visat sig vara giltig när du använder en aktiv-markör motion capture-system 28 och samtidigt använder en passiv-markör motion capture-system under armen höjd och arm sänkning 29.
Användningen av AMC med en passiv markör motion capture enhet för mätning av skulderblad kinematik har använts för att bedöma förändringar i skulderblad kinematik efter ett ingripande för att ta itu skuldra impingement 30. Den giltiga användningen av denna metod, dock beror på förmågan att korrekt tillämpa kluster av markörer, varav har visat den position att påverka resultat 31, kalibrera anatomiska landmärken 32 och säkerställer armrörelser är inom ett giltigt rörelseomfång (dvs. under 120 ° armen höjd) 29. Dethar också föreslagits att återapplicering av markör klustret, när du använder en aktiv markör baserad motion capture-system, befanns vara källan till ökad felet för skulderblad posterior tilt 28. Det är därför viktigt att fastställa mellan dagars tillförlitlighet acromion metod för att säkerställa att det ger en stabil mått på skulderblad kinematik. Att säkerställa att mätningarna är tillförlitliga kommer att möjliggöra förändringar i skulderblad kinematik, på grund av en intervention, till exempel, som ska mätas och undersökas. De metoder som används för att mäta skulderblad kinematik har beskrivits på annat håll 29,33; Syftet med föreliggande studie var att ge en steg-för-steg-guide och referensverktyg för att tillämpa dessa metoder använder en passiv-markör motion capture-system, med hänsyn till de potentiella felkällor, och att undersöka tillförlitligheten i mätmetoden .
Protocol
Representative Results
Discussion
Valet av metod för att fastställa skulderblad kinematik är avgörande, och hänsyn till giltigheten, tillförlitlighet och dess lämplighet för forskningsstudie bör ges. Olika metoder har antagits i hela litteraturen men varje metod har sina begränsningar. Acromion markör klustret vinner ett antal av dessa begränsningar, såsom projektions fel från 2D eller kräver upprepad tolkning av platsen för skulderbladet genom att tillhandahålla icke-invasiv dynamiska kinematisk mätning av skulderbladet. Dock är AMC-…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work lies within the multidisciplinary Southampton Musculoskeletal Research Unit (Southampton University Hospitals Trust/University of Southampton) and the Arthritis Research UK Centre for Sport, Exercise and Osteoarthritis. The authors wish to thank their funding sources; Arthritis Research UK for funding of laboratory equipment (Grant No: 18512) and Vicon Motion System, Oxford UK for providing funding for a PhD studentship (M.Warner). The authors also wish to thank the participants, and Kate Scott and Lindsay Pringle for their help with participant recruitment.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 | |
| 6.5mm 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 |
Riferimenti
- Kibler, W. B., et al. Clinical implications of scapular dyskinesis in shoulder injury: the 2013 consensus statement from the ‘scapular summit’. British Journal of Sports Medicine. 47, 877-885 (2013).
- Luckasiewicz, A. C., McClure, P. W., Michener, L. A., Pratt, N., Sennett, B. Comparison of 3-dimensional scapular position and orientation between subjects with and without shoulder impingement. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 29, 574-586 (1999).
- Ludewig, P. M., Cook, T. M. Alterations in shoulder kinematics and associated muscle activity in people with symptoms of shoulder impingement. Physical Therapy. 80, 276-291 (2000).
- McClure, P. W., Bialker, J., Neff, N., Williams, G., Karduna, A. R. Shoulder function and 3-dimensional kinematics in people with shoulder impingement syndrome before and after a 6-week exercise program. Physical Therapy. 84, 832-848 (2004).
- Lin, J. J., et al. Functional activity characteristics of individuals with shoulder dysfunctions. Journal of Electromyography and Kinesiology. 15, 576-586 (2005).
- Tate, A. R., McClure, P. W., Kareha, S., Irwin, D., Barbe, M. F. A clinical method for identifying scapular dykinesis, Part 2: Validity. Journal of Athletic Training. 44, 165-173 (2009).
- Timmons, M. K., et al. Scapular kinematics and subacromial-impingement syndrome: a meta-analysis. Journal of Sports Rehabilitation. 21, 354-370 (2012).
- Endo, K. Y. K., Yasui, N. Influence of age on scapulo-thoracic orientation. Clinical Biomechanics. 16, 1009-1013 (2004).
- Lovern, B., Stroud, L. A., Evans, R. O., Evans, S. L., Holt, C. A. Dynamic tracking of the scapula using skin-mounted markers. Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers. 223, 823-831 (2009).
- Inman, V. T., Sanders, J. B., Abbott, L. C. Observations on the function of the shoulder joint. Journal of Bone and Joint Surgery (Am). 26, 1-30 (1944).
- Saha, A. K. Mechanics of elevation of the glenohumeral joint. Acta Orthopaedica Scandanavia. 44, 668 (1973).
- Freedman, L., Munro, R. R. Abduction of the arm in the scapular plane: scapular and glenohumeral movements. A roentgenographic study. Journal of Bone and Joint Surgery (Am). 48, 1503-1510 (1966).
- Poppen, N. K., Walker, P. S. Normal and abnormal motion of the shoulder. Journal of Bone and Joint Surgery (Am). 58, 195-201 (1976).
- Graichen, H., et al. Magnetic resonance-based motion analysis of the shoulder during elevation). Clinical Orthopedic Related Research. 370, 154-163 (2000).
- Youdas, J. W., Carey, J. R., Garrett, T. R., Suman, V. J. Reliability of goniometric measurements of active arm elevation in the scapula plane obtained in a clinical setting. Arch. Phys. Med. Rehabil. 75, 1137-1144 (1994).
- Doody, S. G., Freedman, L., Waterland, J. C. Shoudler movement during abduction in the scapula plane. Arch. Phys. Med. Rehabil. 51, 595-604 (1970).
- Karduna, A. R., McClure, P. W., Michener, L. A., Sennett, B. Dynamic measurements of three-dimensional scapular kinematics: a validation study. Journal of Biomechanical Engineering. 123, 184-191 (2001).
- McClure, P. W., Michener, L. A., Sennett, B., Karduna, A. R. Direct 3-dimensional measurement of scapular kinematics during dynamic movements in vivo. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 10, 269-277 (2001).
- Bourne, D. A., Choo, A. M. T., Regan, W. D., MacIntyre, D. L., Oxland, T. R. Three-dimensional rotation of the scapula during functional movements: an in vivo study in healthy volunteers. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 16, 150-162 (2007).
- Braman, J. P., Engel, S. C., LaPrade, R. F., Ludewig, P. M. In vivo assessment of scapulohumeral rhythm during unconstrained overhead reaching in asymptomatic subjects. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 16, 960-967 (2009).
- Ludewig, P. M., Hassett, D. R., LaPrade, R. F., Camargo, J. A., Braman, J. P. Comparison of scapular local coordinate systems. Clinical Biomechanics. 25, 415-421 (2010).
- Ludewig, P. M., et al. Motion of the shoulder complex during multiplanar humeral elevation. The Journal of Bone and Joint Surgery. 91, 378-389 (2009).
- Johnson, G. R., Stuart, P. R., Mitchell, S. A method for the measurement of three-dimensional scapular movement. Clinical Biomechanics. 8, 269-274 (1993).
- Helm, F. C., Pronk, G. M. Three-dimensional recording and description of motions of the shoulder mechanism. Journal of Biomechanical Engineering. 117, 27-40 (1995).
- McQuade, K. J., Smidt, G. L. Dynamic Scapulohumeral rhythm: The effects of external resistance during elevation of the arm in the scapular plane. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 27, 9 (1998).
- Matsui, K., Shimada, K., Andrew, P. D. Deviation of skin marker from bone target during movement of the scapula. Journal of Orthopaedic Science. 11, 180-184 (2006).
- Meskers, C. G. M., Jvan de Sande, M. A., de Groot, J. H. Comparison between tripod and skin-fixed recording of scapular motion. J. Biomech. 40, 941-948 (2007).
- Andel, C. J., van Hutten, K., Eversdijk, M., Veeger, D. J., Harlaar, J. Recording scapular motion using an acromion marker cluster. Gait and Posture. 29, 123-128 (2009).
- Warner, M. B., Chappell, P. H., Stokes, M. J. Measuring scapular kinematics during arm lowering using the acromion marker cluster. Hum. Mov. Sci. 31, 386-396 (2012).
- Worsley, P., et al. Motor control retraining exercises for shoulder impingement: effects on function, muscle activation, and biomechanics in young adults. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 22, e11-e19 (2013).
- Shaheen, A. F., Alexander, C. M., Bull, A. M. J. Effects of attachment position and shoulder orientation during calibration on the accuracy of the acromial tracker. J. Biomech. 44, 1410-1413 (2011).
- Prinold, J. A. I., Shaheen, A. F., Bull, A. M. J. Skin-fixed scapula trackers: A comparison of two dynamic methods across a range of calibration positions. J. Biomech. 44, 2004-2007 (2011).
- Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of the various joints for the reporting of human joint motion – Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. J. Biomech. 38, 981-992 (2005).
- Karduna, A. R., McClure, P. W., Michener, L. A. Scapular kinematics: effects of altering the Euler angle sequence of rotations. J. Biomech. 33, 1063-1068 (2000).
- Veeger, H. E. J. The position of the rotation center of the glenohumeral joint. J. Biomech. 33, 1711-1715 (2000).
- Doorenbosch, C. A. M., Harlaar, J., Veeger, H. E. J. The globe system: an unambiguous description of shoulder positions in daily life movements. J. Rehabil. Res. Dev. 40, 147-156 (2003).
- Kadaba, M. P., et al. Repeatability of kinematic, kinetic, and electromyographic data in normal adult gait. Journal of Orthopaedic Research. 7, 849-860 (1989).
- Schwartz, M. H., Trost, J. P., Wervey, R. A. Measurement and management of errors in quantitative gait data. Gait and Posture. 20, 196-203 (2004).
- Jaspers, E., et al. The reliability of upper limb kinematics in children with hemiplegic cerebral palsy. Gait and Posture. 33, 568-575 (2011).
- Thigpen, C. A., Gross, M. T., Karas, S. G., Garrett, W. E., Yu, B. The repeatability of scapular rotations across three planes of humeral elevation. Research in Sports Medicine. 13, 181-198 (2005).
- Groot, J. H. The variability of shoulder motions recorded by means of palpation. Clinical Biomechanics. 12, 461-472 (1997).
