Evaluación del Riesgo de Caídas en Tiempo Real Utilizando la Prueba de Alcance Funcional
Resumen
Las caídas son comunes y peligrosas para los sobrevivientes de accidente cerebrovascular en todas las etapas de la recuperación. La necesidad generalizada de evaluar el riesgo de caídas en tiempo real para las personas después de un accidente cerebrovascular ha generado solicitudes emergentes de una medida/herramienta clínica confiable, económica, cuantificable y remota. Con el fin de satisfacer estas solicitudes, exploramos la Prueba de Alcance Funcional (FRT) para la evaluación del riesgo de caídas en tiempo real e implementamos la función FRT en mStroke, un sistema de salud móvil automático y en tiempo real para la recuperación y rehabilitación después de la insolación. mStroke está diseñado, desarrollado y entregado como una aplicación (App) que se ejecuta en una plataforma de hardware que consta de un iPad y uno o dos sensores inalámbricos de movimiento corporal basados en diferentes funciones de salud móviles. La función FRT en mStroke se prueba ampliamente en seres humanos sanos para verificar su concepto y viabilidad. Se presentará el rendimiento preliminar para justificar la exploración adicional de la función de la TRF en la mStroke a través de ensayos clínicos en individuos después de un accidente cerebrovascular, lo que puede guiar su explotación ubicua en el futuro cercano.
1. Introducción
Las caídas son comunes para los sobrevivientes de accidente cerebrovascular en todas las etapas de la recuperación . Las personas que viven en la comunidad con accidente cerebrovascular crónico tienen la incidencia de caídas más alta en . En consecuencia, las fracturas de cadera tienen cuatro veces más probabilidades de ocurrir en los sobrevivientes de una insolación en comparación con la población general de ancianos . Las caídas también resultan en limitaciones progresivas de actividad y participación, mayor dependencia, mayor miedo a caer y depresión . Además, las caídas llevan a un estrés significativamente mayor para los cuidadores de las personas después de la insolación .
Las estrategias de prevención de caídas son más eficaces si se puede evaluar/identificar a la persona en riesgo antes de que ocurra la lesión . Hay varias herramientas clínicas que evalúan con precisión los parámetros funcionales asociados con el equilibrio permanente y predicen el riesgo de caídas en individuos después de un accidente cerebrovascular. Las herramientas clínicas relevantes incluyen la Báscula de Equilibrio Berg (BBS), la prueba Timed Up and Go (TUG), la Posturografía Dinámica Computarizada (CDP) y las placas de fuerza, y el FRT . El BBS aplica una escala de clasificación ordinal a 14 movimientos funcionales . El REMOLCADOR es una prueba de marcha funcional que mide el tiempo de finalización de la tarea . El CDP y las placas de fuerza miden el Centro de Presión (COP) de un individuo y el COP se correlaciona con un equilibrio deficiente y un mayor riesgo de caídas . Las herramientas clínicas enumeradas anteriormente pueden requerir la administración de un médico y / o equipo costoso o inmóvil. Por lo tanto, son adecuados para uso clínico, pero no pueden monitorear longitudinalmente a las personas que viven en la comunidad sin la presencia de un médico y/o equipo costoso.
Se ha estudiado la aplicación del acelerómetro y el giroscopio para evaluar cuantitativamente el equilibrio permanente . Estos estudios demuestran la utilidad de los sensores de movimiento en la medición de equilibrio funcional. Sin embargo, ambos estudios se centran en mejorar la sensibilidad de medición del médico en lugar de producir un sistema de medición remota para la salud móvil. Los métodos de estos estudios no se pueden aplicar en casa sin la presencia de un médico, debido a la complejidad de la prueba (4 pasos y 6 pasos, respectivamente) y los requisitos (por ejemplo, cerrar los ojos del usuario).
En este artículo, exploramos tecnologías ponibles (es decir, detección de movimiento en tiempo real) para evaluar el riesgo de caídas utilizando el FRT. El FRT es una prueba dinámica rápida de una sola tarea definida como la distancia máxima que se puede alcanzar hacia adelante más allá de la longitud del brazo, mientras se mantiene una base fija de soporte en la posición de pie . Es importante destacar que tiene una versión modificada para el equilibrio de sentado, es decir, el FRT modificado, que anticipamos que resultará útil para el desarrollo de la medición de sentado . El FRT fue desarrollado por Duncan et al. en 1990 como una escala de medición de razón para determinar los límites anteriores de equilibrio permanente en la población de ancianos . Desde su creación, esta medida ha demostrado ser una prueba válida y confiable para identificar déficits en el equilibrio de los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares y un poderoso predictor de riesgo de caídas en comparación con otras medidas funcionales clínicas que consumen más tiempo . Específicamente hablando, el FRT estima hasta dónde puede llegar el usuario sin tomar medidas . Las normas de distancia de alcance para hombres y mujeres de diferentes edades se resumen en la Tabla 1 . Sobre la base de la distancia de alcance en el FRT, se puede identificar a una persona con alto riesgo de caídas (es decir, prueba positiva): (i)Se considera una prueba negativa para un alcance hacia adelante de más de 25,40 cm.ii) Un alcance de menos de 15,24 cm se asocia con un riesgo cuatro veces mayor de caídas durante los 6 meses siguientes.iii) Un alcance entre 15,24 y 25 años.40 cm se encuentra asociado con un riesgo dos veces mayor de caídas durante los siguientes 6 meses.
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La TRF en tiempo real es una de las funciones de nuestra propuesta mStroke, un sistema de salud móvil automático y en tiempo real, que también puede evaluar el control motor y estimar la velocidad de marcha de los pacientes después de un accidente cerebrovascular. Aquí, nos centramos en la función FRT en mStroke y abordamos tres problemas complementarios: (i) diseñar algoritmos de procesamiento de señales que puedan estimar con precisión y fidelidad la distancia de alcance en FRT, (ii) implementar una aplicación interactiva fácil de usar que se ejecute en nuestra plataforma de hardware, y (iii) evaluar la usabilidad y confiabilidad de la función FRT en mStroke en sujetos adultos sanos.
Una vez que la función FRT en mStroke demuestre su usabilidad y confiabilidad en una población adulta sana, se ejecutará un mayor desarrollo y evaluación en individuos poststroke. Nuestro objetivo final es que las personas después de un accidente cerebrovascular realicen fácilmente una evaluación del riesgo de caídas en tiempo real aprovechando esta función de FRT en la clínica (por ejemplo, cualquier centro de atención aguda/atención postaguda/rehabilitación) y en el hogar, en cualquier momento según sea necesario, sin ayuda de profesionales de la salud. En otras palabras, la TRF puede pasar de la administración clínica especializada al manejo independiente del paciente. La mStroke, incluida la función FRT, puede promover el monitoreo generalizado, cuantificable y continuo de los comportamientos y las recuperaciones de los pacientes, lo que puede apoyar el manejo eficiente y a largo plazo de los accidentes cerebrovasculares mucho más allá del sistema clínico agudo actual.
2. Materiales y Métodos
2.1. El hardware y su Facilidad de uso
La energía y la latencia son dos limitaciones principales en cualquier dispositivo de salud inalámbrico o móvil. Elegimos NODE, que se muestra en la Figura 1, como el sensor de cuerpo inalámbrico para mStroke . Este dispositivo portátil de baja potencia y baja latencia es una nueva plataforma de sensores modulares que utiliza el protocolo Bluetooth de baja energía (BLE) para comunicarse con una estación base (por ejemplo, un teléfono inteligente, un iPad o una computadora). Múltiples nodos se pueden conectar con una sola estación base. El módulo básico de NODE es el MPU-9150, un dispositivo de rastreo de movimiento de 9 ejes fabricado por InvenSense, que esencialmente es una Unidad de Movimiento Inercial (IMU) que contiene acelerómetro, giroscopio y magnetómetro . El acelerómetro se puede programar para tener el rango de escala completa de g, g, g o g y su sensibilidad es LSB / g . El MPU-9150 está diseñado para los requisitos de bajo consumo, bajo costo y alto rendimiento de la electrónica de consumo, incluidos los sensores portátiles . NODE puede enviar datos de movimiento a un iPad a una velocidad de hasta 120 muestras por segundo con un alcance de hasta 50 m. NODE es un cilindro de 25,4 mm de diámetro con una longitud de 83,8 mm y se puede sujetar a la ropa. Cada extremo del NODO puede aceptar una unidad de sensor intercambiable adicional. Estas unidades de sensores pueden cumplir una variedad de funciones, como temperatura, nivel de humedad, oxímetro o monitoreo/medición por ultrasonido. A los efectos de este artículo, solo empleamos el NODO con una IMU.
En los últimos años, la idea de emplear sensores (por ejemplo, acelerómetro, giroscopio, magnetómetro y electromiografía) para adquirir datos de movimiento humano para estudios y prácticas de rehabilitación ha recibido considerable atención . Los acelerómetros miden el vector de aceleración; los giroscopios proporcionan una velocidad de rotación angular; y los magnetómetros miden la fuerza y, en algunos casos, la dirección de los campos magnéticos. Una fusión de sensores de 9 ejes de estos tres sensores permite a mStroke superar los defectos inherentes que se encuentran en cada sensor de movimiento individual.
Para ejecutar la función FRT, se usa un NODO a través del arnés de pecho, que se muestra en la Figura 2. Ponerse y quitarse el arnés fueron probados por estudiantes de fisioterapia a través de una emulación experta. Los resultados sugieren la traducción de un sistema de arnés de este tipo al uso del paciente. Además, si el NODO no se usa correctamente (p. ej., NODO girado o invertido), la aplicación enviará una notificación de advertencia.
2.2. Software y Facilidad de uso
En términos de funcionalidad de software, la función FRT de mStroke incluye la evaluación del riesgo de caídas y la detección de errores. Los errores incluyen postura de pie defectuosa y caída. Al principio del FRT, la aplicación pide al usuario que asuma una postura cómoda y erguida. La aplicación notifica al usuario si el NODO torácico detecta una postura corporal incorrecta. Para tener en cuenta a las personas después de un accidente cerebrovascular que pueden tener una postura de pie deteriorada, es aceptable una flexión del tronco de hasta 30°. La Aplicación indica al usuario que flexione el hombro de la extremidad superior dominante (es decir, la extremidad superior menos afectada en sobrevivientes después de un accidente cerebrovascular) a aproximadamente 90°. Cuando el brazo está colocado correctamente, el usuario avanzará lo más lejos posible sin dar un paso. Finalmente, la distancia de FRT se estima en base a nuestro algoritmo propuesto.
La función FRT en mStroke se personaliza para cada usuario individual ingresando la longitud del tronco, el ancho de los hombros y la longitud del muslo del usuario en la aplicación antes de iniciar el FRT. Una vez que el algoritmo estima la distancia de FRT, el resultado se anuncia al usuario en tiempo real con base en las normas de FRT establecidas (Tabla 1). Para garantizar la seguridad, mStroke está equipado con un algoritmo de detección de caídas y se puede programar para proporcionar una notificación automática del servicio médico de emergencia en caso de caída. Para este propósito, hemos implementado el algoritmo de detección de caídas de 3 pasos propuesto por Li et al. .
2.3. Estimación de la Distancia FRT
2.3.1. Estimación de ángulo
Hay acelerómetro, giroscopio y magnetómetro en el NODO IMU. Explotamos el cuaternión calculado a partir de las lecturas de estos tres sensores para una estimación precisa del ángulo. Un cuaternión es un número complejo de cuatro dimensiones que se puede usar para representar la orientación de un cuerpo rígido en un espacio tridimensional . En representación de cuaterniones, describe la orientación del marco en relación con el marco . Cualquier orientación del marco en relación con el marco se puede lograr a través de una rotación del ángulo alrededor del eje definido en el marco . El cuaternión que describe esta orientación se define de la siguiente manera: donde , , y define los componentes del vector unitario en -, -, y-ejes del marco , respectivamente .
Supongamos que el cuaternión de referencia es; el cuaternión actual es; y la orientación entre y es . A continuación, la relación entre , , y se puede representar de la siguiente manera :where denota el producto cuaternión que se puede determinar utilizando la regla de Hamilton :
El conjugado cuaternión, denotado por , se puede usar para intercambiar los fotogramas relativos descritos por una orientación:
Basado en (2) y (4), podemos obtener fácilmente lo siguiente:
Un vector tridimensional se puede girar por un cuaternión . Si y son el mismo vector descrito en frame y frame , respectivamente, entonces obtenemos lo siguiente: donde y contener como el primer elemento para hacerlos vectores de cuatro dimensiones .
El ángulo correspondiente a dicha rotación se puede obtener a partir del ángulo de dos vectores, es decir, y , donde y tienen las mismas expresiones matemáticas pero representan diferentes vectores:
Sin embargo, calculado en base a (6) y (7) tiene dos problemas para nuestra implementación práctica. Un problema es que siempre es positivo y el otro problema es que puede estar en cualquier dirección de rotación. Explicaremos estos dos problemas utilizando ejemplos ilustrativos que se muestran en la Figura 3. Las figuras 3 (a) y 3 (b) representan la rotación hacia adelante y hacia atrás de un marco a otro a lo largo del eje, respectivamente. La figura 3 (c) representa una rotación a lo largo del eje. Supongamos que los valores absolutos de los ángulos para todas las rotaciones son . Basado en (6), corresponde a corresponde . Además, si se aplica(7), obtendremos lo siguiente:dónde y denotar las rotaciones que se muestran en las Figuras 3(a) y 3 (b), respectivamente. Por lo tanto, no podemos diferenciar la rotación hacia adelante y la rotación hacia atrás de y . Teniendo en cuenta la Figura 3 (c), si solo estamos interesados en una rotación en el plano del marco, debemos obtener 0° para el ángulo de dicha rotación. Sin embargo, todavía obtenemos en lugar de 0° usando (6) y (7).
a) Rotación hacia adelante a lo largo del eje, proyectada en el plano
b) Rotación hacia atrás a lo largo del eje, proyectada en el plano
(c) Rotación a lo largo del eje
(a) Rotación hacia adelante a lo largo del eje, proyectada en el plano
(b) Rotación hacia atrás a lo largo del eje, proyectada en el plano
(c) Rotación a lo largo del eje
con el fin De abordar estos dos problemas, proponemos la siguiente solución para obtener como se esperaba. Además de (6), aplicamos la rotación del segundo vector de la siguiente manera:Asumir y corresponder a in frame y frame, respectivamente. Luego, encontramos el ángulo entre y actualizando ligeramente (7) de la siguiente manera:De esta manera,
En resumen, la solución propuesta puede abordar los problemas antes mencionados ilustrados en la Figura 3:(i)En la Figura 3(a) para la rotación hacia adelante, y .(ii) En la Figura 3(b) para rotación hacia atrás, y .(iii) En la Figura 3(c) para la rotación a lo largo del eje, y , lo que significa que el ángulo de dicha rotación proyectado en el plano del marco será 0∘.
2.3.2. Alcance funcional debido a la Flexión del Tronco
Basado en la observación clínica, el alcance en la TRF se ejecuta principalmente a través de la flexión del tronco. Si podemos estimar el ángulo de flexión del tronco con base en el algoritmo propuesto presentado en la Sección 2.3.1, podemos calcular la distancia de alcance correspondiente de acuerdo con la función trigonométrica de la siguiente manera:where denota la longitud del tronco medida manualmente y denota el ángulo de flexión del tronco estimado automáticamente por mStroke. La UMI en el NODO torácico proporciona la información necesaria sobre el cuaternión para estimar el ángulo de flexión del tronco.
2.3.3. El efecto de torsión del torso
solo considera el alcance funcional debido a la flexión del tronco. Sin embargo, el cuerpo humano no es estrictamente un cuerpo rígido. Cuando se realiza el FRT, hay un giro inevitable del torso. El giro del torso también contribuirá al alcance funcional. Con la IMU de 3 ejes en el NODO torácico, podemos estimar el ángulo de torsión del torso simultáneamente con el ángulo de flexión del tronco. Por lo tanto, se puede actualizar como :donde denota la anchura de los hombros medida manualmente y denota el ángulo de torsión del torso estimado automáticamente por mStroke.
2.3.4. Efecto del movimiento del muslo
Cuando un individuo realiza el FRT, la parte inferior del cuerpo no permanece perpendicular al suelo. La parte inferior del cuerpo a veces se puede desplazar hacia atrás para mantener el centro de masa de la persona dentro de su base de apoyo. Cualquier desviación de la parte inferior del cuerpo de la posición vertical original puede afectar al resultado del FRT. Por lo tanto, necesitamos considerar explícitamente tal efecto. Es imposible que el IMU en el NÓDULO torácico capture el movimiento de la parte inferior del cuerpo en el TRF. Por lo tanto, explotamos un segundo NODO en el muslo para estimar el ángulo de movimiento del muslo. En base a este ángulo, podemos cuantificar el movimiento de la parte inferior del cuerpo que contribuye al alcance funcional, ya que where denota la longitud del muslo medida manualmente y el ángulo de movimiento del muslo estimado automáticamente por mStroke. Finalmente, proponemos la tercera medida de distancia de alcance de la siguiente manera:
3. Resultados y Discusión
3.1. El Método de Confiabilidad de FRT
El estudio de confiabilidad de FRT se realizó en sujetos adultos sanos en un entorno de investigación con la aprobación apropiada del IRB. Los sujetos dieron su consentimiento informado antes de participar. La edad y el sexo se registraron como datos demográficos de los sujetos. Debido a una muestra de estudiantes universitarios saludables y convenientes, la mayoría de nuestros sujetos tienen un índice de masa corporal normal. Cualquier valor atípico se consideraría con sobrepeso, no obeso.
Para cada sujeto, la longitud del tronco, la anchura de los hombros y la longitud de los muslos se midieron manualmente y se ingresaron en el App antes de iniciar el TRF. Se sujetó una cinta métrica a la pared a la altura de los hombros de cada sujeto.
Con la indicación del médico, el sujeto se colocaba de pie junto a la cinta métrica montada en la pared para que su alcance no excediera la longitud de la cinta métrica. Luego se instruyó al sujeto que elevara su extremidad superior a 90°. La posición inicial fue evaluada por el clínico en la tercera falange distal del sujeto. Posteriormente se pidió al sujeto que avanzara lo más cómodamente posible, sin dar un paso. En el punto máximo del alcance del sujeto, el médico marcó el final del alcance. La distancia absoluta entre estas dos posiciones marcadas en la cinta métrica se utilizó como punto de referencia de comparación para la distancia de alcance estimada de mStroke. Probamos la función FRT en mStroke en dos grupos de sujetos para verificar su rendimiento. Cada sujeto realizó el FRT cinco veces.
3.2. El Grupo 1 de rendimiento de TRF
incluye a 17 sujetos adultos sanos. En la Tabla 2 se presentan los datos demográficos del Grupo 1. En el Grupo 1 se utiliza un NODO (colocado en el pecho) para estimar los ángulos de flexión del tronco y torsión del torso, como se muestra en la Figura 4. El histograma de los ángulos de torsión del torso se presenta en la Figura 5. Se puede observar fácilmente en la Figura 5 que la mayoría de los ángulos de torsión del torso no son iguales , lo que traerá un efecto no trivial en el resultado de alcance funcional. Los resultados de la estimación de la distancia de alcance en términos de Error Absoluto Medio (MAE) y coeficiente de correlación se muestran en la Tabla 3, donde denota la distancia de alcance medida manualmente por un médico y sirve como punto de referencia de rendimiento para la función FRT en mStroke. y se describen en el punto 12 de la sección 2.3.2 y en el punto 13 de la sección 2.3.3, respectivamente. Con la consideración de MAE, supera a . Bland Altman entre y así como entre y se muestran en las Figuras 6 y 7, respectivamente. La media de las diferencias muestra el sesgo / discrepancia entre la medición y el punto de referencia. + 1,96 Desviación estándar (DE) de las diferencias y -1,96 DE las diferencias dan el rango de 95 límites de acuerdo. La mayoría de las diferencias están dentro de ese rango.
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(a) Inicio FRT
(b) Realizar FRT
(a) Inicio FRT
(b) Realizar FRT
El grupo 2 incluye 23 sujetos adultos sanos con datos demográficos mostrados en la Tabla 4. En contraste con el Grupo 1, en el Grupo 2 se utilizan dos nodos para estimar la flexión del tronco, la torsión del torso y los ángulos de movimiento del muslo (ver Figura 8). Los histogramas de los ángulos de giro del torso y de movimiento del muslo se muestran en las Figuras 9 y 10, respectivamente. Ambas figuras muestran claramente que los ángulos distintos de cero para la torsión del torso y el movimiento del muslo dominan las pruebas. Los resultados correspondientes se muestran en la Tabla 5. se describe en el punto 14 de la sección 2.3.4. Con la consideración de MAE, supera y mejora aún más el rendimiento.
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(a) Inicio FRT
(b) Realizar FRT
(a) Inicio FRT
(b) Realizar FRT
Si bien los resultados experimentales son prometedores, todavía hay margen para mejorar el rendimiento. Nuestros estudios sugieren claramente que se deben considerar más sensores de movimiento (por ejemplo, un sensor en el hombro o el brazo) para mejorar aún más el rendimiento de la función de TRF en mStroke al capturar movimientos corporales más detallados en el ejercicio de TRF.
4. Conclusiones
Hemos diseñado y desarrollado un sistema de salud móvil (es decir, mStroke) que puede realizar la TRF, una herramienta clínica precisa de una sola tarea, para evaluar el riesgo de caídas en tiempo real. Se han dado tres medidas de distancia de alcance diferentes (es decir, , , y). La fiabilidad de la función FRT de mStroke se ha probado en dos grupos de sujetos adultos sanos. Los resultados experimentales verifican su concepto y viabilidad. Un ensayo clínico en individuos después de un accidente cerebrovascular es el siguiente paso para el desarrollo posterior de la función de la TRF en la mStroke.
Divulgación
El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los Institutos Nacionales de la Salud.
Intereses en conflicto
Los autores declaran que no existen intereses en conflicto con respecto a la publicación de este artículo.
Reconocimientos
La investigación reportada en este artículo fue apoyada por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería de los Institutos Nacionales de Salud bajo el Premio no. R15EB015700. Este trabajo también fue parcialmente financiado por la Comisión de Educación Superior de Tennessee.