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A patient-specific measurement technique to model shoulder joint kinematics - 29/10/14

Doi : 10.1016/j.otsr.2014.06.015 
C. Charbonnier a, , S. Chagué a, F.C. Kolo b, J.C.K. Chow c, A. Lädermann d, e
a Artanim Foundation, Medical Research Department, Geneva, Switzerland 
b Rive Droite Radiology Center, Geneva, Switzerland 
c Department of Geomatics Engineering, University of Calgary, Calgary, Canada 
d Division of Orthopaedics and Trauma Surgery, La Tour Hospital, Geneva, Switzerland 
e Faculty of Medicine, University of Geneva, Geneva, Switzerland 

Corresponding author. Medical Research Department, Artanim Foundation, 41b, Route des Jeunes, 1227 Carouge, Switzerland. Tel.: +41 22 596 45 40; fax: +41 22 320 07 76.

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Abstract

Background

Measuring dynamic in vivo shoulder kinematics is crucial to better understanding numerous pathologies. Motion capture systems using skin-mounted markers offer good solutions for non-invasive assessment of shoulder kinematics during dynamic movement. However, none of the current motion capture techniques have been used to study translation values at the joint, which is crucial to assess shoulder instability. The aim of the present study was to develop a dedicated patient-specific measurement technique based on motion capture and magnetic resonance imaging (MRI) to determine shoulder kinematics accurately.

Hypothesis

Estimation of both rotations and translations at the shoulder joint using motion capture is feasible thanks to a patient-specific kinematic chain of the shoulder complex reconstructed from MRI data.

Materials and methods

We implemented a patient-specific kinematic chain model of the shoulder complex with loose constraints on joint translation. To assess the effectiveness of the technique, six subjects underwent data acquisition simultaneously with fluoroscopy and motion capture during flexion and empty-can abduction. The reference 3D shoulder kinematics was reconstructed from fluoroscopy and compared to that obtained from the new technique using skin markers.

Results

Root mean square errors (RMSE) for shoulder orientation were within 4° (mean range: 2.0°–3.4°) for each anatomical axis and each motion. For glenohumeral translations, maximum RMSE for flexion was 3.7mm and 3.5mm for empty-can abduction (mean range: 1.9–3.3mm). Although the translation errors were significant, the computed patterns of humeral translation showed good agreement with published data.

Discussion

To our knowledge, this study is the first attempt to calculate both rotations and translations at the shoulder joint based on skin-mounted markers. Results were encouraging and can serve as reference for future developments. The proposed technique could provide valuable kinematic data for the study of shoulder pathologies.

Level of evidence

Basic Science Study.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Shoulder kinematics, Glenohumeral translation, Global optimization, Motion capture, Fluoroscopy


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Vol 100 - N° 7

P. 715-719 - novembre 2014 Retour au numéro
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