大域的最適化を用いた皮膚マーカーからの下肢運動学推定における関節拘束の影響

Influence of joint constraints on lower limb kinematics estimation from skin markers using global optimization.

抄録

皮膚マーカーから下肢運動量を求めるためには、軟部組織アーティファクト（STA）を補正する必要があります。大域的最適化（GO）手法は、事前に定義された運動学モデルに依存し、モデル予測位置と皮膚ベースのマーカー位置の差を最小化することでSTAを制限しようとします。したがって、GO法の信頼性は選択されたモデルに直接依存するが、その影響はまだよく知られていない。本研究では、歩行中の下肢運動学への影響を評価するために、様々な関節拘束条件を簡単に実装できるGO法を開発した。セグメントの定義は、線形または二次的な関節拘束のみを与える一般化座標に基づいて行った。足首、膝、股関節の異なる運動モデルに対応する7つの関節拘束セットを評価した：SSS、USS、PSS、SHS、SPS、UHS、PPS（ここで、S、U、Hは球関節、ユニバーサル関節、ヒンジ関節を表し、Pはパラレルメカニズムを表す）。GOを健常男性5名の歩行データに適用した。その結果、股関節運動学、膝関節および足関節の屈曲-伸展を除く下肢運動学は、選択された足関節および膝関節の拘束条件に大きく依存することが示された。膝のパラレルメカニズムでは、これまで下肢運動学研究で観察されてきた典型的な膝回転パターンがいくつか生成された。さらに、パラレルメカニズムのみが関節変位を生成した。したがって、パラレルメカニズムを用いたGOは有望であると思われる。また、被験者特有の関節拘束の観点も提供する。

In order to obtain the lower limb kinematics from skin-based markers, the soft tissue artefact (STA) has to be compensated. Global optimization (GO) methods rely on a predefined kinematic model and attempt to limit STA by minimizing the differences between model predicted and skin-based marker positions. Thus, the reliability of GO methods depends directly on the chosen model, whose influence is not well known yet. This study develops a GO method that allows to easily implement different sets of joint constraints in order to assess their influence on the lower limb kinematics during gait. The segment definition was based on generalized coordinates giving only linear or quadratic joint constraints. Seven sets of joint constraints were assessed, corresponding to different kinematic models at the ankle, knee and hip: SSS, USS, PSS, SHS, SPS, UHS and PPS (where S, U and H stand for spherical, universal and hinge joints and P for parallel mechanism). GO was applied to gait data from five healthy males. Results showed that the lower limb kinematics, except hip kinematics, knee and ankle flexion-extension, significantly depend on the chosen ankle and knee constraints. The knee parallel mechanism generated some typical knee rotation patterns previously observed in lower limb kinematic studies. Furthermore, only the parallel mechanisms produced joint displacements. Thus, GO using parallel mechanism seems promising. It also offers some perspectives of subject-specific joint constraints.