hodnocení rizika pádu v reálném čase pomocí funkčního testu dosahu
Abstrakt
pády jsou běžné a nebezpečné pro přeživší mrtvici ve všech fázích zotavení. Rozšířená potřeba posoudit riziko pádu v reálném čase pro jednotlivce po cévní mozkové příhodě vyvolala vznikající požadavky na spolehlivé, levné, kvantifikovatelné a vzdálené klinické opatření/nástroj. Za účelem splnění těchto požadavků, jsme se prozkoumat Funkční Reach Test (FRT) pro real-time podzim posouzení rizik a provádění FRT funkce v mStroke, v reálném čase a automatická mobilní zdravotní systém pro poststroke zotavení a rehabilitaci. mStroke je navržen, vyvinut a dodáván jako aplikace (aplikace) běžící na hardwarové platformě skládající se z iPadu a jednoho nebo dvou bezdrátových senzorů pohybu těla založených na různých funkcích mobilního zdraví. Funkce FRT v mStroke je rozsáhle testována na zdravých lidských subjektech, aby se ověřila její koncepce a proveditelnost. Předběžný výkon bude předložen k ospravedlnění další zkoumání FRT funkce v mStroke prostřednictvím klinických studií na jednotlivce po mrtvici, který může vést své všudypřítomné využívání v blízké budoucnosti.
1. Úvod
pády jsou běžné pro přeživší mrtvici ve všech fázích zotavení . Jedinci žijící v komunitě s chronickou mrtvicí mají nejvyšší výskyt pádu na . V důsledku toho jsou zlomeniny kyčle čtyřikrát pravděpodobnější u přeživších po mrtvici ve srovnání s běžnou starší populací . Pády také vedou k progresivním omezením aktivity a účasti, zvýšené závislosti, zvýšenému strachu z pádu a depresi . Navíc pády vedou k výrazně většímu stresu pro pečovatele osob po mrtvici .
strategie prevence pádu jsou nejúčinnější, pokud lze rizikovou osobu posoudit / identifikovat dříve, než dojde ke zranění . Existuje několik klinických nástrojů, které přesně vyhodnotí funkční parametry spojené se stálou rovnováhou a předpovídají riziko pádu u jedinců po mrtvici. Mezi relevantní klinické nástroje patří Berg Balance Scale (BBS), načasovaný a Go (TUG) test, počítačová dynamická Posturografie (CDP) a silové desky a FRT . BBS aplikuje pořadovou stupnici na 14 funkčních pohybů . Remorkér je funkční chůze test, který měří čas dokončení úkolu . CDP a silové desky měří střed tlaku jedince (COP) a COP koreluje se špatnou rovnováhou a zvýšeným rizikem pádu . Dříve uvedené klinické nástroje mohou vyžadovat podávání klinického lékaře a / nebo drahé nebo imobilní vybavení. Proto jsou vhodné pro klinické použití, ale nemohou podélně sledovat jednotlivce žijící v komunitě bez přítomnosti klinického lékaře a / nebo drahého vybavení.
aplikace akcelerometru a gyroskopu byla studována pro kvantitativní posouzení rovnováhy ve stoje . Tyto studie ukazují užitečnost pohybových senzorů při měření funkční rovnováhy. Obě studie se však zaměřují spíše na zlepšení citlivosti měření klinického lékaře než na výrobu vzdáleného měřicího systému pro mobilní zdraví. Metody v těchto studiích nelze použít doma bez přítomnosti klinického lékaře kvůli složitosti testu (4-krok a 6-krok) a požadavku (např. oči uživatele musí být zavřené).
v tomto článku zkoumáme nositelné technologie (tj. snímání pohybu v reálném čase) k posouzení rizika pádu pomocí FRT. FRT je rychlý dynamický test s jedním úkolem definovaný jako maximální vzdálenost, kterou lze dosáhnout dopředu za délku paže, při zachování pevné základny podpory ve stoje . Důležité je, že má upravenou verzi pro vyvážení sezení, tedy upravenou FRT, u které předpokládáme, že se ukáže jako užitečná pro vývoj měření sezení . FRT byl vyvinut Duncan et al. v roce 1990 jako měřítko měření poměru k určení předních limitů rovnováhy postavení u starší populace . Od svého vzniku, toto opatření bylo prokázáno, platný a spolehlivý test pro určování deficitů v rovnováze pro mrtvice, kteří přežili a silný prediktor pokles rizika ve srovnání s ostatními více časově náročné klinické funkční opatření . Konkrétně řečeno, FRT odhaduje, jak daleko může uživatel dosáhnout vpřed, aniž by podnikl kroky . Normy dosahu pro muže a ženy různého věku jsou shrnuty v tabulce 1 . Na základě dosažení vzdálenosti v FRT, člověk na vysoké riziko pádu (tj. pozitivní test) mohou být identifikovány :(i)negativní test je považován za dopředu dosah větší než 25.40 cm.(ii)dosažení méně než 15,24 cm je zjištěno, že být spojena s čtyřikrát větší riziko pádů během následujících 6 měsíců.(iii) dosah v rámci 15.24-25.Bylo zjištěno, že 40 cm je spojeno s dvakrát větším rizikem pádů během následujících 6 měsíců.
|
|||||||||||||||||||||
real-time FRT je jednou z funkcí v naší navrhované mStroke, v reálném čase a automatická mobilní zdravotní systém, který může také vyhodnotit, řízení motoru a odhadnout rychlost chůze pacientů po cévní mozkové příhodě. Tady, Zaměřujeme se na funkci FRT v mStroke a řešíme tři bezplatné problémy: (i) navrhování zpracování signálu algoritmy, které lze přesně a věrně odhadnout dosáhnout vzdálenosti FRT, (ii) provádění interaktivní uživatelsky přívětivé Aplikace běží na naší hardwarové platformy, a (iii) posouzení použitelnosti a spolehlivosti FRT funkce v mStroke na zdravých dospělých subjektů.
Jakmile FRT funkce v mStroke ukazuje jeho použitelnost a spolehlivost v zdravé dospělé populace, další rozvoj a hodnocení bude proveden v poststroke jedinců. Naším konečným cílem je, aby jednotlivci po cévní mozkové příhodě snadno provedli hodnocení rizika pádu v reálném čase využitím této funkce FRT na klinice (např. Jinými slovy, FRT může být převedena z kvalifikovaného klinického podání na nezávislé řízení pacientů. mStroke, včetně FRT funkce, může podporovat všudypřítomná, měřitelné a trvalé sledování pacientů chování a zpětné získávání prostředků, které mohou podporovat efektivní a dlouhodobé mrtvice řízení, které výrazně překračuje současný akutní klinika-based systému.
2. Materiály a metody
2.1. Hardware a Jeho Uživatelská Přívětivost
Energie a latence jsou dvě hlavní omezení na jakékoli bezdrátové nebo mobilní zdravotnické zařízení. Vybrali jsme uzel, znázorněno na obrázku 1, jako bezdrátový snímač těla pro mStroke . Toto ruční zařízení s nízkou spotřebou a nízkou latencí je nová modulární senzorová platforma, která používá protokol Bluetooth Low Energy (BLE) pro komunikaci se základnovou stanicí (např. Více uzlů se může spojit s jednou základnovou stanicí. Základní modul NODE je MPU-9150, 9-osa MotionTracking zařízení vyrábí InvenSense, která je v podstatě Inerciální Pohyb Jednotky (IMU), které obsahují akcelerometr, gyroskop a magnetometr . Akcelerometr lze naprogramovat tak, aby měl plný rozsah G, g, g nebo g a jeho citlivost je LSB / g. MPU-9150 je určen pro nízkoenergetické, levné a vysoce výkonné požadavky na spotřební elektroniku včetně nositelných senzorů . NODE může odesílat pohybová data do iPadu rychlostí až 120 vzorků za sekundu s dosahem až 50 m. NODE je válec o průměru 25,4 mm o délce 83,8 mm a lze jej připnout na oděv. Každý konec uzlu může přijmout další vyměnitelnou senzorovou jednotku. Tyto senzorové jednotky mohou sloužit různým funkcím, jako je teplota, Vlhkost, oxymetr nebo ultrazvukové monitorování/měření. Pro účely tohoto článku používáme uzel pouze s IMU.
V posledních letech, myšlenka zaměstnávání čidel (např. akcelerometr, gyroskop, magnetometr, a elektromyografie) k získání lidských dat pohybu pro rehabilitaci studia a praxe získala značnou pozornost . Akcelerometry měří vektor zrychlení; gyroskopy poskytují rychlost Úhlové rotace; a magnetometry měří sílu a v některých případech směr magnetických polí. 9-osy snímače fúze těchto tří senzorů umožňuje mStroke překonat vlastní nedostatky zjištěné v jednotlivých snímače pohybu.
za účelem provedení funkce FRT se jeden uzel nosí pomocí hrudního postroje, což je znázorněno na obrázku 2. Nasazení a dofing postroje byly testovány studenty fyzikální terapie pomocí kvalifikované emulace. Výsledky naznačují překlad takového systému postroje pro použití pacientem. Navíc, pokud uzel není správně opotřebovaný (např., Uzel otočený nebo obrácený vzhůru nohama), aplikace vyšle varovné upozornění.
2.2. Software a jeho uživatelská přívětivost
pokud jde o funkčnost softwaru, funkce FRT v mStroke zahrnuje hodnocení rizika pádu a detekci chyb. Chyby zahrnují vadné držení těla a pádu. Na začátku FRT, aplikace požádá uživatele, aby zaujal pohodlný, vzpřímený postoj. Aplikace upozorní uživatele, pokud uzel hrudníku zjistí nesprávné držení těla. Pro zohlednění jedinců po mrtvici, kteří mohou mít zhoršené držení těla, je přípustná flexe kmene až do 30°. Aplikace pak instruuje uživatele, aby flex rameno dominantní horní končetiny (tj. méně postižené horní končetiny v pozůstalým po mrtvici) na přibližně 90°. Když je rameno správně umístěno, uživatel dosáhne co nejdále dopředu, aniž by udělal krok. Konečně, vzdálenost FRT je odhadnuta na základě našeho navrženého algoritmu.
FRT funkce v mStroke je individuální pro každého jednotlivého uživatele zadáním uživatele kufru délka, šířka ramen a stehen do Aplikace před FRT je zahájeno. Poté, co algoritmus odhadne vzdálenost FRT, je výsledek oznámen uživateli v reálném čase na základě stanovených norem FRT (Tabulka 1). Pro zajištění bezpečnosti, mStroke je vybaven podzim algoritmus detekce a může být naprogramován tak, aby poskytovat automatické záchranné služby oznámení v případě pádu. Za tímto účelem jsme implementovali 3-krokový algoritmus detekce pádu navržený Li et al. .
2.3. Odhad FRT vzdálenosti
2.3.1. Odhad úhlu
v uzlu IMU jsou akcelerometr, gyroskop a magnetometr. Využíváme kvaternion vypočtený z odečtů těchto tří senzorů pro přesný odhad úhlu. Kvaternion je čtyřrozměrné komplexní číslo, které lze použít k reprezentaci orientace tuhého těla v trojrozměrném prostoru . V kvaternion reprezentace, popisuje orientaci rámu vzhledem k rámu . Jakékoli orientace rámu vzhledem k rámu lze dosáhnout otočením úhlu kolem osy definované v rámu . Kvaternion popisující tuto orientaci je definován následovně: kde,, a definovat komponenty jednotkového vektoru v -, -, a-osách rámu, resp.
Předpokládat, že referenční čtveřice je ; aktuální čtveřice je ; a orientace mezi a je . Pak vztah mezi ,, a může být reprezentován následovně: kde označuje kvaternionový produkt, který lze určit pomocí Hamiltonova pravidla :
čtveřice konjugát, označeny , mohou být použity k výměně relativní rámy popsal orientace :
na Základě (2) a (4), můžeme snadno získat následující:
trojrozměrný vektor lze otáčet pomocí čtveřice . Pokud a jsou stejný vektor popsaný v rámečku a rámečku , pak dostaneme následující: kde a obsahují jako první prvek, aby byly čtyřrozměrné vektory .
Úhel odpovídající na tyto rotace mohou být získány z úhlu dvou vektorů, který je, a , kde a mají stejné matematické výrazy, ale představují různé vektory:
Nicméně, vypočtené na základě (6) a (7) má dva problémy pro naše praktické provádění. Jeden problém je, že je vždy pozitivní a druhý problém je, že může být v libovolném směru otáčení. Tyto dva problémy vysvětlíme pomocí ilustrativních příkladů znázorněných na obrázku 3. Čísla 3(a) a 3(b) představují otáčení vpřed a zpět otáčení od rámu k rámu podél osy, respektive. Obrázek 3 (c) představuje rotaci podél osy. Předpokládejme, že absolutní hodnoty úhlů pro všechny rotace jsou . Na základě (6), odpovídá a odpovídá . Dále, pokud se použije (7), dostaneme následující:kde a označují rotace znázorněné na obrázcích 3(a)a 3(b). Tím pádem, nemůžeme rozlišit otáčení vpřed a otáčení vzad od A . Vezmeme-li v úvahu obrázek 3(c), pokud nás zajímá pouze rotace v rovině rámu, měli bychom získat 0° pro úhel takové rotace. Stále se však místo 0° dostaneme pomocí (6) a (7).
(a) Vpřed, otáčení podél osy, promítnuté do roviny
(b) Dozadu, otáčení podél osy, promítnuté do roviny
(c) Rotace podél osy
(a) Vpřed, otáčení podél osy, promítnuté do roviny
(b) Dozadu, otáčení podél osy, promítnuté do roviny
(c) Rotace podél osy
za účelem řešení těchto dvou problémů, navrhujeme následující řešení získat podle očekávání. Kromě (6) použijeme druhou vektorovou rotaci následujícím způsobem: předpokládáme a odpovídáme v rámečku a rámečku. Pak najdeme úhel mezi a mírnou aktualizací (7) následovně:Tímto způsobem,
Ve shrnutí, navrhované řešení může řešit výše uvedené problémy je znázorněno na Obrázku 3:(i)Na Obrázku 3(a) pro otáčení vpřed, a .(ii) na obrázku 3 (b) pro zpětné otáčení, a .(iii) na obrázku 3(c) pro otáčení podél osy, a, což znamená, že úhel takové rotace promítané v rovině rámu bude 0∘.
2.3.2. Funkční dosah v důsledku flexe kmene
na základě klinického pozorování se reach v FRT provádí hlavně flexí kmene. Pokud můžeme odhadnout trupu flexe úhlu na základě navrženého algoritmu prezentovány v kapitole 2.3.1, můžeme vypočítat odpovídající reach vzdálenost podle goniometrické funkce takto:kde označuje kufru délka se měří ručně a označuje trupu flexe úhel odhaduje automaticky mStroke. IMU v hrudním uzlu poskytuje potřebné kvaternionové informace k odhadu úhlu ohybu kmene.
2.3.3. Účinek kroucení trupu
bere v úvahu pouze funkční dosah díky flexi trupu. Lidské tělo však není přísně tuhé tělo. Když se provádí FRT, dochází k nevyhnutelnému zkroucení trupu. Kroucení trupu také přispěje k funkčnímu dosahu. S 3-osým IMU v hrudním uzlu můžeme odhadnout úhel zkroucení trupu současně s úhlem ohybu trupu. Tak, může být aktualizován jako: kde označuje šířku ramen měřenou ručně a označuje úhel zkroucení trupu odhadovaný automaticky mStroke.
2.3.4. Účinek pohybu stehna
když jedinec provádí FRT, spodní část těla nezůstává kolmá k zemi. Spodní část těla se může někdy přemístit dozadu, aby udržovala těžiště osoby v jeho základně podpory. Jakákoli odchylka dolní části těla od původní svislé polohy může ovlivnit výsledek FRT. Proto musíme takový účinek výslovně zvážit. Je nemožné, aby IMU v hrudním uzlu zachytil pohyb dolního těla v FRT. Využíváme tedy druhý uzel na stehně k odhadu úhlu pohybu stehna. Na základě tohoto úhlu můžeme kvantifikovat pohyb dolní části těla, který přispívá k funkčnímu dosahu jako kde označuje délku stehna měřenou ručně a označuje úhel pohybu stehna odhadovaný automaticky mStroke. Nakonec navrhujeme třetí měření vzdálenosti dosahu takto:
3. Výsledky a diskuse
3.1. Metoda spolehlivosti FRT
studie spolehlivosti FRT byla provedena na zdravých dospělých subjektech ve výzkumném prostředí s příslušným schválením IRB. Subjekty poskytly informovaný souhlas před účastí. Věk a pohlaví byly zaznamenány jako demografie subjektu. Vzhledem ke vzorku pohodlí, zdravých vysokoškoláků, většina našich subjektů má normální index tělesné hmotnosti. Jakékoli odlehlé hodnoty by byly považovány za nadváhu, ne obézní.
u každého subjektu byla délka kmene, šířka ramen a délka stehna měřena ručně a zadána do aplikace před zahájením FRT. Měřicí páska byla připevněna ke stěně ve výšce ramen každého subjektu.
s ošetřujícím lékařem byl subjekt umístěn vedle nástěnné měřicí pásky tak, aby jeho dosah nepřekročil délku měřicí pásky. Subjekt byl poté instruován, aby zvedl horní končetinu na 90°. Výchozí pozice byla hodnocena klinickým lékařem na distální třetí falangě subjektu. Subjekt byl následně požádán, aby se co nejpohodlněji dostal vpřed, aniž by udělal krok. Na vrcholu dosahu subjektu označil klinik konec dosahu. Absolutní vzdálenost mezi těmito dvěma vyznačenými polohami na měřicí pásce byla použita jako srovnávací měřítko pro odhadovanou vzdálenost dosahu mStroke. Testovali jsme funkci FRT v mStroke na dvou skupinách subjektů, abychom ověřili její výkon. Každý subjekt provedl FRT pětkrát.
3.2. Výkon FRT
Skupina 1 zahrnuje 17 zdravých dospělých subjektů. Tabulka 2 uvádí demografické údaje skupiny 1. Jeden uzel (umístěný na hrudi)se používá ve skupině 1 k odhadu ohybu trupu a úhlu zkroucení trupu, jak je znázorněno na obrázku 4. Histogram úhlů zkroucení trupu je uveden na obrázku 5. Z obrázku 5 lze snadno pozorovat, že většina úhlů zkroucení trupu není rovna, což přinese netriviální účinek na výsledek funkčního dosahu. Představení dosah odhad vzdálenosti, pokud jde o střední Absolutní Chyba (MAE) a korelačního koeficientu jsou uvedeny v Tabulce 3, kde označuje dosažení vzdálenosti ručně měří lékař a slouží jako referenční výkon pro PŘEDNÍ funkce v mStroke. a jsou popsány v bodě 12 oddílu 2.3.2 a bodě 13 oddílu 2.3.3. S ohledem na MAE, překonává . Nevýrazné altmanovy grafy mezi a mezi a jsou znázorněny na obrázcích 6 a 7, resp. Průměr rozdílů ukazuje zkreslení / nesoulad mezi měřením a měřítkem. + 1,96 směrodatná odchylka (SD) rozdílů a -1,96 SD rozdílů dávají rozsah 95 limitů dohody. Většina rozdílů spadá do takového rozsahu.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
(a) Začít FRT
(b) Provádět FRT
(a) Začít FRT
(b) Provádět FRT
Skupina 2 zahrnuje 23 zdravých dospělých subjektů s demografický vývoj je uveden v Tabulce 4. Na rozdíl od skupiny 1 se ve skupině 2 používají dva uzly k odhadu ohybu trupu, zkroucení trupu a úhlů pohybu stehen(viz Obrázek 8). Histogramy úhlu zkroucení trupu a úhlu pohybu stehen jsou znázorněny na obrázcích 9 a 10. Obě čísla jasně ukazují, že v testech dominují nenulové úhly pro zkroucení trupu a pohyb stehna. Odpovídající výkony jsou uvedeny v tabulce 5. je popsán v bodě 14 oddílu 2.3.4. S ohledem na MAE, překonává a dále zlepšuje výkon .
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
(a) Začít FRT
(b) Provádět FRT
(a) Začít FRT
(b) Provádět FRT
zatímco experimentální výsledky jsou slibné, stále existuje prostor pro zlepšení výkonu. Naše studie jasně naznačují, že více pohybových senzorů (např. senzor na rameno nebo paži), by měly být považovány za dále zlepšit výkon FRT funkce v mStroke tím, že zachytí více detailní pohyby těla v FRT cvičení.
4. Závěry
navrhli Jsme a vyvinul mobilní systém zdravotní péče (tj. mStroke), které mohou provádět FRT, přesné single-task klinický nástroj pro real-time pádu hodnocení rizika. Byly uvedeny tři různé míry dosahu (tj., , , a). Spolehlivost funkce FRT společnosti mStroke byla testována na dvou skupinách zdravých dospělých subjektů. Experimentální výsledky ověřují jeho koncepci a proveditelnost. Klinická studie na jednotlivcích po cévní mozkové příhodě je dalším krokem pro další vývoj funkce FRT v mStroke.
zveřejnění
obsah je výhradně v odpovědnosti autorů a nemusí nutně představovat oficiální názory Národních institutů zdraví.
konkurenční zájmy
autoři prohlašují, že neexistují žádné konkurenční zájmy týkající se zveřejnění tohoto příspěvku.
Poděkování
Výzkum hlášeny v tomto článku byla podpořena Národní Institut pro Biomedicínské Zobrazování a Bioinženýrství z National Institutes of Health, za Cenu ne. R15EB015700. Tato práce byla také částečně financována Tennessee Higher Education Commission.