Summary

Kinematisk analys med hjälp av 3D Motion Capture dricka uppgift i personer med och utan övre-extremitet nedskrivningar

Published: March 28, 2018
doi:

Summary

Det här protokollet beskriver en objektiv metod för att utvärdera rörelse prestanda och sensomotorisk funktion i övre extremiteten tillämpas för personer med stroke och friska kontroller. Ett standardiserat testförfarande, kinematisk analys och resultatet variabler för tredimensionella motion capture av dricka uppgift tillhandahålls.

Abstract

Kinematisk analys är en kraftfull metod för objektiv bedömning av övre extremiteten rörelser i en tredimensionell (3D)-rymd. Tredimensionell rörelse fånga med en optoelektronisk kamerasystem är ansedd som golden standard för kinematiska rörelsen analys och används alltmer som resultaten åtgärd för att utvärdera rörelse prestanda och kvalitet efter en skada eller sjukdom som omfattar övre extremiteten rörelser. I artikeln beskrivs ett standardiserat protokoll för kinematisk analys av dricka uppgift tillämpas hos individer med funktionsnedsättningar övre extremiteten efter stroke. Dricka uppgiften inlemmar når, greppa och lyfta en kopp från en tabell att ta en drink, placera koppen tillbaka och flytta handen tillbaka till kanten av bordet. Sittande ställning är standardiserat till individens kroppsstorlek och uppgiften utförs i en bekväm självstudier hastighet och kompensatoriska rörelser hindras inte. Avsikten är att hålla aktiviteten naturligt och nära en verklig situation att förbättra ekologiska giltigheten av protokollet. Ett 5-kamera motion capture system används för att samla 3D samordna ståndpunkter från 9 reflex markörer placerad på anatomiska landmärken av arm, bål och ansikte. En enkel enda markör placering används för att säkerställa genomförbarheten av protokollet i kliniska inställningar. Skräddarsydda Matlab-programvaran ger automatiserad och snabba analyser av rörelse data. Temporal kinematik av rörelse tid, hastighet, maximal hastighet, tid för maximal hastighet och jämnhet (antal enheter för dataflytt) tillsammans med rumsliga kantiga kinematik av axeln och armbågen gemensamma samt stammen rörelser beräknas. Dricka uppgift är en giltig bedömning för individer med måttlig och mild övre extremiteten njurfunktion. De konstruera, diskriminerande och samtidig validitet tillsammans med lyhördhet (känslighet ändra) kinematisk variabler erhållits från dricka uppgiften har fastställts.

Introduction

Kinematisk analys beskriver rörelserna i kroppen genom tid och rum, inklusive linjär och kantiga förskjutningar, hastigheter och accelerationer. De optoelektroniska motion capture system använder flera höghastighets kameror som antingen skicka ut infraröda ljussignaler att fånga reflektionerna från passiva markörer placeras på kroppen eller överföra rörelsen data från aktiva markörer som innehåller infraröd lysdioder. Dessa system betraktas som ‘gold standard’ för förvärvet av kinematiska data1. Dessa system är uppskattade för sin höga noggrannhet och flexibilitet i mätningar av olika uppgifter. Kinematisk åtgärder har visat sig vara effektiva för att fånga mindre förändringar i rörelse prestanda och kvalitet som kan vara oupptäckt med traditionella kliniska skalor2,3. Det har föreslagits att kinematik bör användas för åtskillnad mellan sant återhämtning (återställande av premorbid rörelse egenskaper) och användningen av kompensatoriska (alternativa) rörelsemönster under prestationen av en uppgift4, 5.

Övre extremiteten rörelser kan kvantifieras med slutpunkten kinematik, allmänt erhålls från en markör för hand och kantiga kinematik från lederna och segment (dvs., stammen). Slutpunkten kinematik ger information om banor, hastighet, temporal rörelse strategier, precision, rakhet och jämnhet, medan kantiga kinematik karakterisera rörelsemönster i form av tids- och rumsupplösning gemensamma och segmentet vinklar, vinkelupplösning hastigheter och interjoint samordning. Slutpunkten kinematik, såsom rörelse tid, hastighet och smidighet är effektiva för att fånga underskott och förbättringar i rörelse prestanda efter stroke6,7,8 och kantiga kinematik Visa huruvida de rörelser i lederna och kroppen segment är optimala för en viss uppgift. Kinematik från personer med funktionsnedsättningar ofta jämförs med rörelse prestanda hos individer utan nedskrivningar8,9. Slutpunkten och kantiga kinematik är korrelerade på sätt att en rörelse utförs med effektiv hastighet, jämnhet, och precision kräver bra rörelsekontroll, samordning och användning av effektiva och optimala rörelsemönster. Om exempelvis en patient med stroke som rör sig långsamt vanligtvis visar minskade också jämnhet (ökat antal enheter för dataflytt), lägre maximal hastighet och ökade stammen förskjutning8. Å andra kan förbättringar i endpoint kinematik, såsom rörelsehastighet och jämnhet förekomma självständigt från ändringarna av kompensatoriska rörelsen strategier av stammen och arm10. Det har fastställts att kinematisk analys kan ge ytterligare och mer detaljerad information om hur uppgiften sker efter en skada eller sjukdom, som i sin tur är väsentligt för individualiserad effektiv behandling för att nå optimal motor återhämtning 11. kinematisk analys används alltmer i kliniska studier för att beskriva rörelserna i personer med funktionsnedsättningar i övre extremiteten efter stroke8,9, för att utvärdera motorisk återhämtning7, 12,13 eller för att bestämma effektiviteten av terapeutiska interventioner10,14.

Rörelse uppgifter ofta studerade i stroke pekar och att nå, även om användningen av funktionella uppgifter som införlivar manipulation av verkliga vardagliga föremål ökar1. Eftersom kinematik nå beror på de experimentella begränsningarna, till exempel val av objekt och målet för den uppgift15, är det viktigt att bedöma rörelser under målmedveten och funktionella uppgifter där de verkliga svårigheterna i individens dagliga livet återspeglas närmare.

Således, syftet med denna uppsats är att ge en detaljerad beskrivning av en enkel standardiserade protokoll som används för kinematisk analys av en målmedveten och funktionell aktivitet, dricka uppgift, tillämpas för personer med övre extremiteter nedskrivningar i akuta och kroniska stadier efter stroke. Resultat från valideringen av detta protokoll för individer med måttlig och mild stroke njurfunktion sammanfattas.

Protocol

Alla metoderna som beskrivs här har varit en del av de studier som godkänts av den regionala etikprövningsnämnden i Göteborg (318-04, 225-08). 1. ställa in Motion Capture systemet Montera 4 kameror på väggen ca 1,5-3 m från området mätning på höjden av 1,5-2,5 m fasadbeklädnad området mätning. Montera en kamera på taket precis ovanför området mätning (figur 1). Starta kamerasystemet. Placera ramen L-form kalibrering på tabe…

Representative Results

Protokollet beskrivs i denna artikel har tillämpats till personer med stroke och friska kontroller2,6,8,19,20,21. Totalt har kinematiska data från 111 personer med stroke och 55 friska kontroller analyserats i olika studier. Nedskrivning övre extremiteten efter stroke var definieras som må…

Discussion

Protokollet kan framgångsrikt användas för att kvantifiera rörelse prestanda och kvalitet hos individer med måttlig och mild övre extremiteten sensomotoriska funktionsnedsättningar alla skeden efter stroke. Genomförbarheten av detta protokoll har visat i en klinisk miljö så tidigt som 3 dagar efter stroke, och visade att systemet kan användas av utbildad vårdpersonal utan särskilda tekniska kvalifikationer. Teknisk expertis, dock behövs för att skapa och utveckla ett program för dataanalys. Från denna as…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Speciellt tack till Bo Johnels, Nasser Hosseini, Roy Tranberg och Patrik Almström för hjälp med inledandet av detta projekt. Forskning uppgifterna i detta protokoll samlades på Sahlgrenska Universitetssjukhuset.

Materials

5 camera optoelectronic ProReflex Motion capture system (MCU 240 Hz) Qualisys AB, Gthenburg, Sweden N/A Movement analysis system with passive retroreflective markers
Markers  Qualisys AB, Gthenburg, Sweden N/A Retroleflective passive circular markers, diameter of 12 mm
Calibration frame and wand Qualisys AB, Gthenburg, Sweden N/A L-shape calibration frame (defines the origin and orientation of the coordinate system); T-shape wand (300 mm)
Qualisys Track Manager Qualisys AB, Gthenburg, Sweden N/A 3D Tracking software
Matlab Mathworks, Inc, Natick, Ca N/A Data analysis software

Referências

  1. Alt Murphy, M., Häger, C. K. Kinematic analysis of the upper extremity after stroke – how far have we reached and what have we grasped?. Physical Therapy Reviews. 20 (3), 137-155 (2015).
  2. Bustren, E. L., Sunnerhagen, K. S., Alt Murphy, M. Movement Kinematics of the Ipsilesional Upper Extremity in Persons With Moderate or Mild Stroke. Neurorehab Neural Re. 31 (4), 376-386 (2017).
  3. Sivan, M., O’Connor, R. J., Makower, S., Levesley, M., Bhakta, B. Systematic review of outcome measures used in the evaluation of robot-assisted upper limb exercise in stroke. J Rehabil Med. 43 (3), 181-189 (2011).
  4. Demers, M., Levin, M. F. Do Activity Level Outcome Measures Commonly Used in Neurological Practice Assess Upper-Limb Movement Quality?. Neurorehab Neural Re. 31 (7), 623-637 (2017).
  5. Levin, M. F., Kleim, J. A., Wolf, S. L. What do motor “recovery” and “compensation” mean in patients following stroke?. Neurorehab Neural Re. 23 (4), 313-319 (2009).
  6. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Responsiveness of Upper Extremity Kinematic Measures and Clinical Improvement During the First Three Months After Stroke. Neurorehab Neural Re. 27 (9), 844-853 (2013).
  7. van Dokkum, L., et al. The contribution of kinematics in the assessment of upper limb motor recovery early after stroke. Neurorehab Neural Re. 28 (1), 4-12 (2014).
  8. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Kinematic variables quantifying upper-extremity performance after stroke during reaching and drinking from a glass. Neurorehab Neural Re. 25 (1), 71-80 (2011).
  9. Subramanian, S. K., Yamanaka, J., Chilingaryan, G., Levin, M. F. Validity of movement pattern kinematics as measures of arm motor impairment poststroke. Stroke. 41 (10), 2303-2308 (2010).
  10. Michaelsen, S. M., Dannenbaum, R., Levin, M. F. Task-specific training with trunk restraint on arm recovery in stroke: randomized control trial. Stroke. 37 (1), 186-192 (2006).
  11. Kwakkel, G., et al. Standardized measurement of sensorimotor recovery in stroke trials: Consensus-based core recommendations from the Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable. Int J Stroke. 12 (5), 451-461 (2017).
  12. Wagner, J. M., Lang, C. E., Sahrmann, S. A., Edwards, D. F., Dromerick, A. W. Sensorimotor impairments and reaching performance in subjects with poststroke hemiparesis during the first few months of recovery. Phys Ther. 87 (6), 751-765 (2007).
  13. van Kordelaar, J., van Wegen, E., Kwakkel, G. Impact of time on quality of motor control of the paretic upper limb after stroke. Arch Phys Med Rehab. 95 (2), 338-344 (2014).
  14. Thielman, G., Kaminski, T., Gentile, A. M. Rehabilitation of reaching after stroke: comparing 2 training protocols utilizing trunk restraint. Neurorehab Neural Re. 22 (6), 697-705 (2008).
  15. Armbruster, C., Spijkers, W. Movement planning in prehension: do intended actions influence the initial reach and grasp movement?. Motor Control. 10 (4), 311-329 (2006).
  16. Qualisys. . Qualisys Track Manager user manual. , (2008).
  17. Alt Murphy, M., Banina, M. C., Levin, M. F. Perceptuo-motor planning during functional reaching after stroke. Exp Brain Res. , (2017).
  18. Sint Jan, S. V. . Color atlas of skeletal landmark definitions : guidelines for reproducible manual and virtual palpations. , (2007).
  19. Alt Murphy, M., Sunnerhagen, K. S., Johnels, B., Willen, C. Three-dimensional kinematic motion analysis of a daily activity drinking from a glass: a pilot study. J Neuroeng Rehabil. 3, 18 (2006).
  20. Alt Murphy, M., Willen, C., Sunnerhagen, K. S. Movement kinematics during a drinking task are associated with the activity capacity level after stroke. Neurorehab Neural Re. 26 (9), 1106-1115 (2012).
  21. Alt Murphy, M. . Development and validation of upper extremity kinematic movement analysis for people with stroke. Reaching and drinking from a glass. , (2013).
  22. Persson, H. C., Alt Murphy, M., Danielsson, A., Lundgren-Nilsson, A., Sunnerhagen, K. S. A cohort study investigating a simple, early assessment to predict upper extremity function after stroke – a part of the SALGOT study. BMC Neurol. 15, 92 (2015).
  23. Hoonhorst, M. H., et al. How Do Fugl-Meyer Arm Motor Scores Relate to Dexterity According to the Action Research Arm Test at 6 Months Poststroke?. Arch Phys Med Rehab. 96 (10), 1845-1849 (2015).
  24. Pang, M. Y., Harris, J. E., Eng, J. J. A community-based upper-extremity group exercise program improves motor function and performance of functional activities in chronic stroke: a randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehab. 87 (1), 1-9 (2006).
  25. Alt Murphy, M., et al. SALGOT – Stroke Arm Longitudinal study at the University of Gothenburg, prospective cohort study protocol. BMC Neurol. 11, 56 (2011).

Play Video

Citar este artigo
Alt Murphy, M., Murphy, S., Persson, H. C., Bergström, U., Sunnerhagen, K. S. Kinematic Analysis Using 3D Motion Capture of Drinking Task in People With and Without Upper-extremity Impairments. J. Vis. Exp. (133), e57228, doi:10.3791/57228 (2018).

View Video