Artykuł metodologiczny

Trójwymiarowa charakterystyka kinematyczna zadania podnoszenia przedmiotu z wykorzystaniem systemu analizy ruchu (Motion Capture)

DOI:

10.3791/71054

⸱

15 maja 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Rehabilitation Research Institute of Singapore, Nanyang Technological University, 2Department of Rehabilitation Sciences, The Hong Kong Polytechnic University, 3Lee Kong Chian School of Medicine, Nanyang Technological University, 4Department of Orthopaedic Surgery, Woodlands Hospital, NHG Health

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół przedstawia standaryzowany, pełnocielowy podejście do rejestracji ruchu w celu oceny zadania zbierania obiektów, ilustrując, jak różne strategie ruchu i wzorce kompensacyjne mogą być ilościowo scharakteryzowane podczas tej powszechnej aktywności funkcjonalnej.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zbieranie przedmiotów to podstawowe zadanie z codziennego życia, które integruje koordynację tułowia, kończyn dolnych i górnych, równowagę oraz kontrolę wzrokowo-ruchową w jednym, ekologicznie ważnym ruchu. Pomimo jego istotności, standaryzowane protokoły do ilościowej oceny strategii zbierania przedmiotów za pomocą pełnego rejestrowania ruchu ciała są ograniczone. Celem tego protokołu jest przedstawienie standaryzowanej metody rejestrowania i analizowania zadania zbierania przedmiotów za pomocą pełnego rejestrowania trójwymiarowego ruchu ciała oraz ilustrowanie, jak różne strategie ruchowe można zidentyfikować i sklasyfikować. Protokół szczegółowo opisuje przygotowanie uczestników, kompleksowe umieszczenie markerów, wykonywanie zadania i reprezentatywne analizy kinematyczne. Trzydziestu uczestników wykonało zadanie zbierania przedmiotów, podczas którego zebrano czternaście zmiennych kinematycznych. Strategie ruchowe zostały sklasyfikowane na wzorce dominujące w przysiadzie, dominujące w zawiasie i hybrydowe, reprezentujące odrębne i pośrednie podejścia na kontinuum strategii ruchowych. Reprezentatywne wyniki pokazują wyraźne różnice w kinematycznych stawach między grupami strategii, szczególnie na kolanie i kostce, z dodatkowym wkładem z ruchu tułowia. Różnice między warunkami dominującej i niedominującej ręki dalece ilustrują wrażliwość zadania na adaptacje kompensacyjne ruchowe. Ten protokół zapewnia praktyczną i powtarzalną ramę do oceny strategii zbierania przedmiotów i koordynacji całego ciała podczas funkcjonalnego ruchu.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ocena ruchu ludzkiego jest kluczowym elementem ewaluacji klinicznych i badań dotyczących zdrowia układu mięśniowo-szkieletowego i funkcjonalnego1. Tradycyjnie ocena ruchu opierała się w dużej mierze na obserwacji wizualnej, która, choć ma wartość kliniczną, jest z natury subiektywna, wpływowana przez doświadczenie oceniającego i ograniczona w swojej zdolności do spójnego rejestrowania subtelnych wzorców koordynacji. Technologie rejestracji ruchu, w tym systemy oparte na znacznikach i bez znaczników, pozwalają na szczegółową i ilościową analizę ruchu całego ciała, z coraz większą dostępnością2,3,4,5.

Przekładając te narzędzia do środowiska klinicznego i badawczego, praktyczne ograniczenia takie jak dostępna przestrzeń, czas oceny i łatwość wykonania zadań stają się istotnymi kwestionami. Z tego powodu zadania funkcjonalne, które są krótkie, wymagają minimalnego przygotowania, a jednocześnie dostarczają bogatą informację o koordynacji ruchowej, są szczególnie cenne. W tym kontekście zadanie podnoszenia przedmiotu reprezentuje prosty i efektywny ruch czasowo, który uchwytuje zintegrowaną funkcję całego ciała. Jest to standardowy element zawarty w Skali Równowagi Berga i powiązanych obiektywnych mierników równowagi6,7,8.

W codziennym życiu podnoszenie przedmiotu z podłogi jest fundamentalnym działaniem, które wymaga zskoordynowanej kontroli tułowia, kończyn dolnych i górnych, a także równowagi i integracji wzrokowo-ruchowej. Zadanie to łączy sięgające do przodu, kontrolowane opuszczanie, zasięganie i chwytanie, manipulację przedmiotem oraz powrót do pozycji stojącej w jednej ciągłej akcji, nakładając sensowne wymagania mechaniczne na kręgosłup lędźwiowy i główne stawy kończyn dolnych, jednocześnie angażując funkcję kończyn górnych i kontrolę postawy9.

Strategie podnoszenia od dawna są centralne w zdrowiu zawodowym i ergonomii, tworząc podstawę szkoleń z gięcia i manipulacji ręcznej, i są ściśle związane ze zdrowiem układu mięśniowo-szkieletowego, szczególnie bólem lędźwiowym, poprzez mechanizmy zarówno przyczynowe jak i adaptacyjne10. Co więcej, wśród elementów Skali Równowagi Berga i powiązanych obiektywnych mierników równowagi, zadanie podnoszenia przedmiotu wykazało się najsilniejszą zdolnością do rozróżniania upadających i nieupadających osób starszych11. Jednak, mimo jego istotności dla codziennego funkcjonowania, zadanie podnoszenia jest często oceniane jakościowo lub osadzone w złożonych testach funkcjonalnych, co ogranicza jego możliwość powtarzania i interpretację ilościową w badaniach12.

Pełne rejestrowanie ruchu ciała umożliwia szczegółową charakterystykę zskoordynowanego ruchu segmentalnego podczas zadań funkcjonalnych, pozwalając na obiektywne opisanie strategii ruchowych zamiast wywnioskowania ich13. Standardy protokołów do rejestrowania i klasyfikowania strategii podnoszenia przy użyciu pełnej kinematyki ciała są ograniczone. Niniejszy artykuł pokazuje zstandaryzowane zadanie podnoszenia przedmiotu przy użyciu pełnego rejestrowania ruchu ciała i ilustruje, jak różne strategie ruchowe można zidentyfikować i sklasyfikować na podstawie pełnej kinematyki ciała.

Mimo że zadanie ma szerokie potencjalne zastosowania, niniejsza praca koncentruje się na demonstrowaniu protokołu i ilustrowaniu reprezentatywnych strategii ruchowych, a nie na ewaluacji wyników klinicznych. Ponadto demonstrujemy pełne umieszczenie znaczników ciała używane w tym zadaniu, zapewniając praktyczne odniesienie dla badaczy i klinicystów, którzy chcą wdrożyć złoty standard znacznikowego rejestrowania ruchu do pełnej analizy ruchowej funkcjonalnego ciała. Do rejestracji danych kinematycznych użyto systemu pełnego rejestrowania ruchu trójwymiarowego opartego na znacznikach z kompletnym zbiorem znaczników odbijanych (Rysunek 1).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badania (IRB-2018-04-014) zostały zatwierdzone przez komitet etyczny Nanyang Technological University w Singapurze i przeprowadzone zgodnie z normami etycznymi określonymi w Deklaracji Helsińskiej z 1964 roku lub porównywalnymi standardami etycznymi. Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną zgodę na udział w badaniu.

1. Przygotowanie uczestnika

UWAGA: Zadanie polega na podniesieniu przez uczestnika standardowego obiektu z podłogi w wygodnym tempie, powrocie do pozycji stojącej i przekazaniu obiektu, zgodnie z opisem w sekcji 7.

  1. Poproś uczestnika, aby założył trykot i lekkie szorty, aby umożliwić dokładne umieszczenie i wizualizacje refleksyjnych znaczników (Rysunek 2A).
  2. Upewnij się, że uczestnik jest boso.
  3. Poproś uczestnika o usunięcie refleksyjnych akcesoriów, takich jak zegarek.
  4. Zmierz antropometrię uczestnika zgodnie z wymaganiami systemu rejestracji ruchu (np. wzrost, waga) i udokumentuj dominację dłoni.
    UWAGA: Dla uczestników z ograniczeniami związanymi z skromnością, zamiast trykotu i szortów, można użyć kombinezonu do pełnej rejestracji ruchu ciała.

2. Przesiewowe badanie uczestnika i sprawdzenie bezpieczeństwa

  1. Poproś uczestnika, aby udał się na krótką odległość od badacza w wygodnym, samodzielnie wybranym tempie (Rysunek 2B).
  2. Poproś uczestnika, aby się obrócił i wrócił do badacza w tym samym tempie (Rysunek 2C).
  3. Obserwuj uczestnika podczas chodzenia w obu kierunkach, aby potwierdzić, że może chodzić, obracać się i utrzymywać równowagę bez pomocy.
  4. Poproś uczestnika, aby wykonał następujące ruchy w sekwencji: rozciągnij szyję poprzez spoglądanie w górę, zgięcie szyi poprzez spoglądanie w dół, obrót głowy w lewo i prawo oraz przechylenie głowy po obu stronach (Rysunek 2D).
  5. Poproś uczestnika, aby wykonał następujące ruchy w sekwencji: zgięcie ciała do przodu, zgięcie ciała do tyłu, obrót ciała w lewo i prawo oraz zgięcie boczne po obu stronach (Rysunek 2E).
  6. Obserwuj zdolność uczestnika do wykonywania instrukcji i wykonywania wszystkich ruchów bez dyskomfortu lub oczywistej ograniczoności.
  7. Jeśli zauważysz jakiekolwiek ograniczenia ruchowe lub trudności, udokumentuj to przed kontynuacją.
  8. Gdy uczestnik wykonał wszystkie ruchy wygodnie i bezpiecznie, poproś go, aby pozostał w pozycji stojącej w celu dalszego umieszczenia znaczników.
    UWAGA: To krótkie przesiewowe badanie jest przeprowadzane w celu potwierdzenia bezpieczeństwa uczestnika, jego zdolności do wykonywania instrukcji oraz zauważenia wszelkich oczywistych ograniczeń ruchowych przed wykonaniem zadania. W tej fazie nie rejestruje się żadnych danych związanych z ruchem, a badanie nie jest przeznaczone do diagnostycznej oceny lub miary wyników.

3. Pełne umieszczenie znaczników na ciele

  1. Poproś uczestnika, aby się odwrócił plecami do badacza.
  2. Upewnij się, że uczestnik stoi w wyrelaksowanej, wyprostowanej pozycji z naturalnie spoczywającymi ramionami u stron.
    UWAGA: Łącznie umieszczono 50 refleksyjnych znaczników na punktach anatomicznych i 10 klastrach segmentów, aby uchwycić pełną kinematykę ciała.
  3. Palpacja punktu anatomicznego z tyłu i sekwencyjne umieszczenie podstaw magnetycznych nad wyrostkami kolczystymi kręgów T4, T8 i T10, lewym i prawym tylnym górnym kolcem biodrowym (PSIS), oraz tylną powierzchnią grzebienia biodrowego, około 2-3 cale powyżej i bocznie od PSIS (Rysunek 3A).
  4. Po umieszczeniu tylnych podstaw magnetycznych zabezpiecz je taśmą (Rysunek 3B).
  5. Sprawdź wizualnie wyrównanie linii środkowej, symetrię dwustronną i komfort uczestnika przed kontynuacją.
  6. Poproś uczestnika, aby się obrócił i spojrzał na badacza, stojąc wyprostowanym.
  7. Palpacja lewego i prawego przedniego górnego kolca biodrowego (ASIS) i umieszczenie podstaw magnetycznych dwustronnie.
  8. Palpacja wyrostka mieczykowatego i umieszczenie podstawy magnetycznej nad tym punktem.
  9. Zabezpiecz przednie podstawy magnetyczne taśmą.
  10. Poproś uczestnika, aby założył górną część ubrania i wrócił do wyprostowanej pozycji stojącej.
  11. Palpacja uprzednio umieszczonych podstaw magnetycznych przez odzież i sekwencyjne umieszczenie refleksyjnych znaczników na podstawach magnetycznych (Rysunek 3C

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Trzydziestu uczestników wykonało zadanie podnoszenia przedmiotu, podczas którego zebrano 14 zmiennych kinematycznych. Następnie uczestników podzielono na trzy grupy strategii reprezentujące odrębne i pośrednie podejścia w obrębie kontinuum strategii ruchu, zinterpretowane jako strategie z dominacją przysiadu (Grupa 1), dominacją zgięcia w biodrach (Grupa 2) oraz strategie hybrydowe (Grupa 3). Nie zaobserwowano statystycznie istotnych różnic między grupami pod względem wieku, rozkładu płci, wzrostu lub masy ciała ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To protokoł przedstawia standaryzowany sposób rejestrowania i analizowania zadania związanego z podnoszeniem przedmiotów przy użyciu pełnej trójwymiarowej rejestracji ruchu ciała i pokazuje, jak różne strategie ruchowe można scharakteryzować ilościowo. Uczestnicy byli celowo dobierani i grupowani w celu reprezentacji różnych i pośrednich wzorców strategii ruchowych obserwowanych w próbie. Wizualna inspekcja kinematyki stawów wskazała, że główną cechą różnicującą była amplituda zginania kolan, przy czym nakładanie się obs...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chcielibyśmy wyrazić wdzięczność Prof. Wei Tech Ang oraz całemu zespołowi zaangażowanemu w gromadzenie zbioru danych ABILITY na Nanyang Technological University w Singapurze. Praca ta była wspierana przez Rehabilitation Research Institute of Singapore (Identyfikator grantu: 021099-00001), czyli trójstronną współpracę między Nanyang Technological University (NTU), Agencją ds. Nauki, Technologii i Badań (A*STAR) oraz NHG Health. ChatGPT 5.2 (OpenAI) został użyty wyłącznie jako ogólnodostępna pomoc w pisaniu. Wstępne szkice zostały napisane przez autorów, a ChatGPT został wykorzystany do poprawiania gramatyki i poprawiania spójności. Wszystkie zasugerowane poprawki zostały przeglądnięte ręcznie i selektywnie włączone przez autorów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Box for Pick up taskN/AN/A70mm x 70mm x 70mm (Lx W x H)
Drukowane 3D za pomocą żywicy polimlekowej (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Cluster markersQualisys, AB· 160146 Upper body
· 160145 Lower body
· 160149 SuperWrap for cluster		Zestawy obejmowały dwa klastry górnej części ciała (ramiona) i cztery klastry dolnej części ciała (dwa na udach i dwa na goleniach).
Cluster markers (custom)N/AN/AIndywidualnie zaprojektowane klastry do śledzenia nadgarstka (RFA, LFA) i dłoni (RHMC, LHMC) były drukowane 3D za pomocą żywicy polimlekowej (PLA) (eSUN; Shenzhen Esun Industrial Co., China).
Computer workstationGenericNAProcesor Intel Core i9, 32 GB RAM, 10 TB Harddisk, NVIDIA RTX2080
Double-sided adhesive skin tapeQualisys, AB160188 Double-sided adhesive tapeDo mocowania bazy markerów na skórze
Force plateKistlerType 9260AA6Dwie płyty (600 × 500 x 50 mm) osadzonych pod podłogą, jedna dla każdej stopy. 
Hypoallergenic adhesive skin tape3MMicropore
Marker baseOptitrackM4 Marker base
Motion capture systemQualisys, ABMiqus Video
Aqus A12		x2, Full HD / 2 MP, Rozdzielczość 1920 × 1080
x12, 12 MP 300fps, Rozdzielczość 4096 × 3072, Kąt widzenia 54 × 42 °(motoryzowane)
Neodymium MagnetsGenericN/AŚrednica 15mm, Grubość 1mm
Qualisys Track Manager (QTM)Qualisys, ABVersion 2019Oprogramowanie służy do rejestracji ruchów podczas eksperymentu i wykonywania przetwarzania danych po eksperymencie.
Retroreflective markersOptitrack12.7 mm (1/2) M4 Markers
Visual3DHAS-MotionVersion 2021Oprogramowanie służy do modelowania biomechanicznego i wytwarzania odpowiednich kątów stawów

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Stanhope SJ. Recent advancements in functional movement analysis. Connect Tissue Res. 1995;31(4):S65-S68. doi:10.3109/03008209509116837.
  2. Scataglini S, Abts E, Van Bocxlaer C, Van den Bussche M, Meletani S, Truijen S. Accuracy, validity, and reliability of markerless camera-based 3D motion capture systems versus marker-based 3D motion capture systems in gait analysis: a systematic review and meta-analysis. Sensors. 2024;24(11):3686. doi:10.3390/s24113686.
  3. Jatesiktat P, Lim GM, Lim WS, Ang WT. Anatomical-marker-driven 3D markerless human motion capture. IEEE J Biomed Health Inform. 2025;29(9):6186-6199. doi:10.1109/JBHI.2024.3424869.
  4. Lam WWT, Tang YM, Fong KNK. A systematic review of the applications of markerless motion capture (MMC) technology for clinical measurement in rehabilitation. J Neuroeng Rehabil. 2023;20(1):57. doi:10.1186/s12984-023-01186-9.
  5. OTA M. Markerless motion analysis using new digital technology. Phys Ther Res. 2025;28(2):77-84. doi:10.1298/ptr.R0037.
  6. Berg KO, Wood-Dauphinee SL, Williams JI, Maki B. Measuring balance in the elderly: validation of an instrument. Can J Public Health Rev Can Sante Publique. 1992;83(Suppl 2):S7-S11.
  7. Tinetti ME. Performance-oriented assessment of mobility problems in elderly patients. J Am Geriatr Soc. 1986;34(2):119-126. doi:10.1111/j.1532-5415.1986.tb05480.x.
  8. Miranda N, Tiu TK. Berg Balance Testing. In: StatPearls. StatPearls Publishing; 2025. Accessed January 31, 2026. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK574518/.
  9. de Looze MP, Toussaint HM, van Dieën JH, Kemper HC. Joint moments and muscle activity in the lower extremities and lower back in lifting and lowering tasks. J Biomech. 1993;26(9):1067-1076. doi:10.1016/s0021-9290(05)80006-5.
  10. van Dieën JH, Hoozemans MJ, Toussaint HM. Stoop or squat: a review of biomechanical studies on lifting technique. Clin Biomech. 1999;14(10):685-696. doi:10.1016/s0268-0033(99)00031-5.
  11. Chiu AYY, Au-Yeung SSY, Lo SK. A comparison of four functional tests in discriminating fallers from non-fallers in older people. Disabil Rehabil. 2003;25(1):45-50. doi:10.1080/dre.25.1.45.50.
  12. Strand LI. Back performance scale. J Physiother. 2017;63(4):262. doi:10.1016/j.jphys.2017.07.004.
  13. Liang P, Kwong WH, Sidarta A, et al. An Asian-centric human movement database capturing activities of daily living. Sci Data. 2020;7(1):290. doi:10.1038/s41597-020-00627-7.
  14. Cappozzo A, Catani F, Della Croce U, Leardini A. Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech. 1995;10(4):171-178. doi:10.1016/0268-0033(95)91394-T.
  15. Burgess-Limerick R. Squat, stoop, or something in between? Int J Ind Ergon. 2003;31(3):143-148. doi:10.1016/S0169-8141(02)00190-7.
  16. Gilles MA, Wild P. Grasping an object at floor-level: is movement strategy a matter of age? Appl Ergon. 2018;70:34-43. doi:10.1016/j.apergo.2018.02.002.
  17. Nishimura T, Miyachi R. Relationship between low back pain and lumbar and hip joint movement in desk workers. J Phys Ther Sci. 2020;32(10):680-685. doi:10.1589/jpts.32.680.
  18. Tsang SMH, Szeto GPY, Li LMK, Wong DCM, Yip MMP, Lee RYW. The effects of bending speed on the lumbo-pelvic kinematics and movement pattern during forward bending in people with and without low back pain. BMC Musculoskelet Disord. 2017;18:157. doi:10.1186/s12891-017-1515-3.
  19. Gombatto SP, D’Arpa N, Landerholm S, et al. Differences in kinematics of the lumbar spine and lower extremities between people with and without low back pain during the down phase of a pick up task, an observational study. Musculoskelet Sci Pract. 2017;28:25-31. doi:10.1016/j.msksp.2016.12.017.
  20. Shum GLK, Crosbie J, Lee RYW. Movement coordination of the lumbar spine and hip during a picking up activity in low back pain subjects. Eur Spine J. 2007;16(6):749-758. doi:10.1007/s00586-006-0122-z.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza kinematycznaruch tr jwymiarowykoordynacja ca ego cia arozmieszczenie marker wstrategie ruchowekinematyka staw wruch funkcjonalnykontrola wizjumotoryczna

Powiązane artykuły