valós idejű esési kockázatértékelés funkcionális Reach teszt segítségével
absztrakt
az esések gyakoriak és veszélyesek a stroke túlélői számára a gyógyulás minden szakaszában. A széles körben elterjedt igény az esés kockázatának valós időben történő felmérésére a stroke utáni egyének számára megbízható, olcsó, számszerűsíthető és távoli klinikai intézkedés/eszköz iránti kéréseket generált. Ezen igények kielégítése érdekében feltárjuk a funkcionális Reach tesztet (frt) a valós idejű esési kockázatértékeléshez, és megvalósítjuk az FRT funkciót az mStroke-ban, amely egy valós idejű és automatikus mobil egészségügyi rendszer a stroke utáni helyreállításhoz és rehabilitációhoz. az mStroke-ot olyan alkalmazásként (App) tervezték, fejlesztették és szállították, amely egy iPadből és egy vagy két vezeték nélküli test mozgásérzékelőből álló hardverplatformon fut, amely különböző mobil egészségügyi funkciókon alapul. Az FRT funkciót az mStroke-ban széles körben tesztelik egészséges embereken, hogy ellenőrizzék annak koncepcióját és megvalósíthatóságát. Előzetes teljesítményt mutatnak be, hogy igazolják az FRT funkció további feltárását az mStroke-ban a stroke utáni egyéneken végzett klinikai vizsgálatokon keresztül, amelyek a közeljövőben mindenütt jelen lehetnek kiaknázása.
1. Bevezetés
az esések gyakoriak a stroke túlélőinél a gyógyulás minden szakaszában . A krónikus stroke-ban szenvedő közösségben élő egyének esési gyakorisága a legmagasabb . Következésképpen a csípőtáji törések négyszer nagyobb valószínűséggel fordulnak elő a stroke utáni túlélőknél az Általános idős populációhoz képest . Az esések progresszív aktivitási és részvételi korlátokat, fokozott függőséget, fokozott eséstől való félelmet és depressziót eredményeznek . Ezenkívül az esések jelentősen nagyobb stresszt okoznak a stroke utáni személyek gondozói számára .
az esésmegelőzési stratégiák akkor a leghatékonyabbak, ha a veszélyeztetett személy a sérülés bekövetkezése előtt értékelhető/azonosítható . Számos klinikai eszköz létezik, amelyek pontosan felmérik az állandó egyensúlyhoz kapcsolódó funkcionális paramétereket, és megjósolják a stroke utáni egyének esési kockázatát. A releváns klinikai eszközök közé tartozik a Berg Balance Scale (BBS), az időzített Up and Go (TUG) teszt, a számítógépes dinamikus Posturográfia (CDP) és az erőlemezek, valamint az FRT . A BBS 14 funkcionális mozgásra sorszámos besorolási skálát alkalmaz . A vontató egy funkcionális gyalogos teszt, amely a feladat befejezési idejét méri . A CDP és az erőlemezek mérik az egyén Nyomásközpontját (COP), és a COP korrelál a rossz egyensúlygal és a megnövekedett esési kockázattal . A korábban felsorolt klinikai eszközök szükségessé tehetik a klinikus beadását és / vagy drága vagy mozdulatlan berendezéseket. Ezért alkalmasak klinikai alkalmazásra, de nem tudják hosszirányban monitorozni a közösségben élő egyéneket klinikus és/vagy drága berendezés jelenléte nélkül.
a gyorsulásmérő és a giroszkóp alkalmazását tanulmányozták az álló egyensúly kvantitatív értékelésére . Ezek a tanulmányok bizonyítják a mozgásérzékelők hasznosságát a funkcionális egyensúly mérésében. Mindkét tanulmány azonban a klinikus mérési érzékenységének javítására összpontosít, ahelyett, hogy távoli mérési rendszert állítana elő a mobil egészség számára. Ezekben a vizsgálatokban a módszerek nem alkalmazhatók otthon klinikus jelenléte nélkül, a teszt összetettsége (4-lépés, illetve 6-lépés) és a követelmény (pl. a felhasználó szeme csukva) miatt.
ebben a cikkben Hordható technológiákat (azaz valós idejű mozgásérzékelést) vizsgálunk az esés kockázatának frt segítségével történő felmérésére. Az FRT egy gyors, egyfeladatos dinamikus teszt, amelyet úgy határoznak meg, mint a maximális távolságot, amelyet a kar hosszán túl előre lehet elérni, miközben rögzített támaszpontot tart fenn álló helyzetben . Fontos, hogy van egy módosított változata az ülő egyensúlyhoz, vagyis a módosított FRT, amely várhatóan hasznosnak bizonyul az ülésmérés fejlesztése szempontjából . Az FRT-t Duncan et al. 1990-ben aránymérési skálaként az idős népesség állandó egyensúlyának elülső határainak meghatározására . Megalakulása óta ez az intézkedés érvényes és megbízható tesztnek bizonyult a stroke túlélőinek egyensúlyhiányának azonosítására, és az esés kockázatának erőteljes előrejelzője más időigényesebb klinikai funkcionális intézkedésekhez képest . Pontosabban szólva, az FRT becslése szerint a felhasználó milyen messzire juthat előre lépések nélkül . A különböző életkorú férfiak és nők esetében az elérhető távolság normáit az 1. táblázat foglalja össze . Az FRT elérési távolsága alapján azonosítható az a személy, akinek nagy az esés kockázata (azaz pozitív teszt): I.negatív tesztet kell figyelembe venni 25,40 cm-nél nagyobb előremenetel esetén.(ii) a 15,24 cm-nél kisebb hatótávolság a következő 6 hónapban négyszer nagyobb esési kockázattal jár.(iii) a reach belül 15.24–25.A 40 cm-t kétszer nagyobb esési kockázattal társítják a következő 6 hónapban.
|
|||||||||||||||||||||
a valós idejű FRT a javasolt mStroke egyik funkciója, egy valós idejű és automatikus mobil egészségügyi rendszer, amely képes értékelni a motoros kontrollt és megbecsülni a betegek járási sebességét a stroke után. Itt az FRT funkcióra összpontosítunk az mStroke-ban, és három ingyenes problémát kezelünk: (I) olyan jelfeldolgozó algoritmusok tervezése, amelyek pontosan és hűen becsülik meg az frt-ben elért távolságot, (ii) egy interaktív, felhasználóbarát alkalmazás megvalósítása a hardverplatformunkon, és (iii) az FRT funkció használhatóságának és megbízhatóságának értékelése mstroke-ban egészséges felnőtt alanyokon.
amint az FRT funkció az mStroke-ban bizonyítja használhatóságát és megbízhatóságát egészséges felnőtt populációban, további fejlesztést és értékelést hajtanak végre a stroke utáni egyéneknél. Végső célunk az, hogy a stroke utáni egyének könnyen valós idejű esési kockázatértékelést hajtsanak végre ennek az FRT funkciónak a kihasználásával a klinikán (pl. bármilyen akut ellátás/posztakut ellátás/rehabilitációs létesítmény) és otthon, bármikor szükség szerint, egészségügyi szakemberek segítsége nélkül. Más szavakkal, az FRT átállítható a képzett klinikai alkalmazásról a független betegkezelésre. az mStroke, beleértve az FRT funkciót, elősegítheti a betegek viselkedésének és gyógyulásának átfogó, számszerűsíthető és folyamatos monitorozását,amely a jelenlegi akut klinikai rendszeren túl is támogathatja a hatékony és hosszú távú stroke-kezelést.
2. Anyagok és módszerek
2.1. A hardver és felhasználóbarát jellege
az energia és a késleltetés két fő korlátja minden vezeték nélküli vagy mobil egészségügyi eszköznek. Az 1. ábrán látható csomópontot választottuk az mStroke vezeték nélküli testérzékelőjeként . Ez az alacsony fogyasztású és alacsony késleltetésű kézi eszköz egy új moduláris érzékelőplatform, amely a Bluetooth Low Energy (ble) protokollt használja a bázisállomással (pl. okostelefon, iPad vagy számítógép) való kommunikációhoz. Több csomópont is csatlakozhat egyetlen bázisállomáshoz. A NODE alapmodulja az MPU-9150, az InvenSense által gyártott 9 tengelyes MotionTracking eszköz, amely lényegében egy inerciális Mozgásegység (IMU), amely gyorsulásmérőt, giroszkópot és magnetométert tartalmaz . A gyorsulásmérő programozható úgy, hogy a g, g, g vagy g teljes skálatartománya legyen, érzékenysége pedig LSB/g . Az MPU-9150-et a fogyasztói elektronika alacsony fogyasztású, alacsony költségű és nagy teljesítményű követelményeinek megfelelően tervezték, beleértve a Hordható érzékelőket is . NODE küldhet mozgás adatokat egy iPad akár 120 minta másodpercenként egy sor akár 50 m. NODE egy 25,4 mm átmérőjű henger hossza 83,8 mm, és lehet nyírni a ruházat. A csomópont mindkét vége elfogadhat egy további cserélhető érzékelő egységet. Ezek az érzékelő egységek különféle funkciókat szolgálhatnak, például hőmérsékletet, nedvességszintet, oximétert vagy ultrahangos megfigyelést/mérést. E cikk alkalmazásában, a csomópontot csak IMU-val alkalmazzuk.
az elmúlt években jelentős figyelmet kapott az a gondolat, hogy érzékelőket (például gyorsulásmérőt, giroszkópot, magnetométert és elektromiográfiát) alkalmazzanak az emberi mozgásadatok megszerzésére rehabilitációs tanulmányokhoz és gyakorlatokhoz . A gyorsulásmérők gyorsulási vektort mérnek; a giroszkópok szögforgási sebességet biztosítanak; a magnetométerek pedig mérik a mágneses mezők erősségét és bizonyos esetekben irányát. E három érzékelő 9 tengelyes érzékelő fúziója lehetővé teszi az mStroke számára, hogy legyőzze az egyes mozgásérzékelőkben rejlő hibákat.
az FRT funkció végrehajtásához egy csomópontot mellkasi hevederen keresztül kell viselni, amelyet a 2.ábra mutat. A heveder felvételét és feltöltését fizikoterápiás hallgatók tesztelték képzett emulációval. Az eredmények azt sugallják, hogy egy ilyen hevederrendszert lefordítanak a betegek használatára. Továbbá, ha a csomópontot nem megfelelően viselik (pl., Csomópont elforgatva vagy fejjel lefelé fordítva), az alkalmazás figyelmeztető értesítést küld.
2.2. Szoftver és Felhasználóbarátsága
a szoftver funkcionalitását tekintve az mStroke FRT funkciója magában foglalja az esés kockázatértékelését és a hibák észlelését. A hibák közé tartozik a hibás álló testtartás és a leesés. Az FRT elején az alkalmazás arra kéri a felhasználót, hogy vállaljon kényelmes, felálló álláspontot. Az alkalmazás értesíti a felhasználót, ha a mellkasi csomópont helytelen testtartást észlel. A stroke utáni egyének elszámolása, akiknek károsodott az álló testtartása, a törzs hajlítása akár 30-ig is elfogadható . Az alkalmazás ezután utasítja a felhasználót, hogy hajlítsa meg a domináns felső végtag vállát (azaz a stroke utáni túlélők kevésbé érintett felső végtagját) körülbelül 90-re. Ha a kar megfelelően van elhelyezve, a felhasználó a lehető legnagyobb mértékben előre nyúl, anélkül, hogy lépést tenne. Végül az FRT távolságot a javasolt algoritmusunk alapján becsüljük meg.
az frt funkció mStroke személyre szabott minden egyes felhasználó beírja a felhasználó törzs hossza, váll szélessége, comb hossza az App előtt az FRT kezdeményezett. Miután az algoritmus megbecsülte az FRT távolságot, az eredményt valós időben jelentik be a Felhasználónak a megállapított FRT normák alapján (1.táblázat). A biztonság érdekében az mStroke esésérzékelő algoritmussal van felszerelve, és úgy programozható, hogy esés esetén automatikus sürgősségi orvosi értesítést nyújtson. Erre a célra, megvalósítottuk a Li et al által javasolt 3 lépéses esésérzékelő algoritmust. .
2.3. Az FRT távolság becslése
2.3.1. Szögbecslés
az IMU csomópontban gyorsulásmérő, giroszkóp és magnetométer található. A három érzékelő leolvasása alapján kiszámított kvaterniont használjuk a pontos szögbecsléshez. A kvaternion egy négydimenziós komplex szám, amely felhasználható egy merev test tájolásának ábrázolására egy háromdimenziós térben . A kvaternion ábrázolásban leírja a keret tájolását a kerethez képest . A keretnek a kerethez viszonyított bármilyen tájolása a keretben meghatározott tengely körüli szög elforgatásával érhető el . Az ezt a tájolást leíró kvaterniont a következőképpen definiáljuk: ahol,, és meghatározzuk az egységvektor összetevőit a keret -, -, illetve-tengelyeiben .
tegyük fel, hogy a referencia kvaternion van ; a jelenlegi kvaternion van ; és a tájolás között van . Ezután a kapcsolat között , , és a következőképpen ábrázolható :hol jelöli a kvaternion termék, amely meghatározható a Hamilton-szabály :
a kvaternion konjugátum, amelyet jelölünk , felhasználható az orientációval leírt relatív keretek cseréjére :
a (2) és (4) alapján könnyen megkaphatjuk a következőket:
egy háromdimenziós vektor elforgatható Egy kvaternionnal . Ha ugyanaz a vektor van leírva a keretben, illetve a keretben, akkor a következőket kapjuk: hol és tartalmaz, mint az első elem, hogy négydimenziós vektorokká váljanak .
az ilyen forgásnak megfelelő szög két vektor szögéből nyerhető, azaz és ahol ugyanazok a matematikai kifejezések vannak, de különböző vektorokat képviselnek:
azonban a (6) és (7) alapján kiszámítva két probléma van a gyakorlati megvalósításhoz. Az egyik probléma az, hogy mindig pozitív, a másik probléma az, hogy bármilyen forgási irányban lehet. Ezt a két problémát a 3. ábrán látható szemléltető példákkal magyarázzuk. A 3.A) és a 3. b) ábra a tengely mentén a keretből a keretbe történő előre -, illetve hátrafordulást mutatja. A 3(c) ábra a tengely mentén történő forgást mutatja. Tegyük fel, hogy a szögek abszolút értékei minden forgatásnál vannak . Alapján (6), megfelel és megfelel. Továbbá, ha a(7) – et alkalmazzuk, akkor a következőket kapjuk:hol és jelöljük a 3(a) és 3 (b) ábrán látható forgásokat. Így nem tudjuk megkülönböztetni az előre és hátra forgatást az ÉS-től . Figyelembe véve a 3(c) ábrát, ha csak a keret síkjában történő forgás érdekel , akkor 0-ot kell kapnunk 6 (C) az ilyen forgás szögére. A (6) és a (7) használatával azonban még mindig a 0 (6) helyett kapunk.
(a) előre forgás tengely mentén, a síkba vetítve
(b) hátrafelé forgás tengely mentén, a síkba vetítve
(c) forgás tengely mentén
síkba vetítve (a) tengely mentén előre történő forgás, a síkba vetítve
b) A tengely mentén hátrafelé történő forgás, a síkba vetítve
c) tengely mentén történő forgás
e két probléma megoldása érdekében a következő megoldást javasoljuk a várt módon. A (6) mellett a második vektorforgatást a következőképpen alkalmazzuk:tegyük fel, hogy megfelel a keretben , illetve a keretben. Ezután megtaláljuk a szöget a (7) kissé frissítésével az alábbiak szerint:Ily módon,
összefoglalva, a javasolt megoldás a 3 .ábrán bemutatott, fent említett problémákat kezelheti:(i)a 3. ábrán(a) az előremeneti forgásra, és.(ii) a 3. ábra B) a hátrafelé forgatás, és .(iii) a 3.ábrán(c) a tengely mentén történő forgásra, ami azt jelenti , hogy az ilyen forgás szöge a keret síkjában vetítve 0 db.
2.3.2. Funkcionális elérés a csomagtartó hajlítása miatt
a klinikai megfigyelés alapján az frt elérése elsősorban a csomagtartó hajlításán keresztül történik. Ha a 2.3.1. szakaszban bemutatott javasolt algoritmus alapján meg tudjuk becsülni a csomagtartó hajlítási szögét, akkor a trigonometrikus függvénynek megfelelően a következő módon számíthatjuk ki a megfelelő elérési távolságot:ahol a csomagtartó manuálisan mért hosszát, az mstroke által automatikusan becsült csomagtartó hajlítási szöget jelöli. A mellkasi csomópontban található IMU biztosítja a szükséges kvaternion információkat a csomagtartó hajlítási szögének becsléséhez.
2.3.3. A törzs csavarásának hatása
csak a csomagtartó hajlítása miatti funkcionális elérést veszi figyelembe. Az emberi test azonban nem szigorúan merev test. Az FRT végrehajtásakor elkerülhetetlen a törzs csavarása. A törzs csavarása szintén hozzájárul a funkcionális eléréshez. A mellkas csomópontjában lévő 3 tengelyes IMU-val megbecsülhetjük a törzs csavarodási szögét a törzs hajlítási szögével egyidejűleg. Így frissíthető: ahol a kézzel mért vállszélességet, a törzs csavarodási szögét pedig az mStroke által automatikusan becsült érték jelöli.
2.3.4. A Combmozgás hatása
amikor az egyén elvégzi az FRT – t, az alsó test nem marad merőleges a talajra. Az alsó test néha hátrafelé tolódhat, hogy a személy tömegközéppontja a támaszpontján belül maradjon. Az alsó test eredeti függőleges helyzetétől való bármilyen eltérése befolyásolhatja az FRT eredményét. Ezért kifejezetten figyelembe kell vennünk egy ilyen hatást. Lehetetlen, hogy a mellkasi csomópontban lévő IMU rögzítse az alsó test mozgását az FRT-ben. Így kihasználunk egy második csomópontot a combon a comb mozgásának szögének becsléséhez. Ezen szög alapján számszerűsíthetjük az alsó test mozgását, amely hozzájárul a funkcionális eléréshez, mivel ahol a kézzel mért combhosszt, az mstroke által automatikusan becsült combmozgási szöget jelöli. Végül a harmadik elérési távolságmérést javasoljuk a következőképpen:
3. Eredmények és vita
3.1. Az FRT megbízhatósági módszer
az FRT megbízhatósági vizsgálatot egészséges felnőtt alanyokon végezték kutatási környezetben, megfelelő IRB jóváhagyással. Az alanyok a részvétel előtt tájékozott beleegyezést adtak. Az életkor és a nem az alany demográfiájaként került rögzítésre. A kényelem, az egészséges főiskolai hallgatók mintája miatt a legtöbb alanyunk normális testtömeg-indexgel rendelkezik. Bármilyen kiugró lenne tekinthető túlsúlyos, nem elhízott.
minden alany esetében a törzs hosszát, a váll szélességét és a comb hosszát manuálisan mértük, és az frt megkezdése előtt bevittük az alkalmazásba. Mérőszalagot rögzítettek a falhoz az egyes alanyok vállmagasságánál.
a klinikus cueing segítségével az alany a falra szerelt mérőszalag mellett állt, hogy elérhetősége ne haladja meg a mérőszalag hosszát. Az alanyt ezután arra utasították, hogy emelje fel felső végtagját 90-re 6db. A kiindulási helyzetet a klinikus értékelte az alany disztális harmadik falán. A témát később arra kérték, hogy lépjen előre, amennyire csak lehetséges, anélkül, hogy lépést tenne. Az alany elérésének csúcsán a klinikus megjelölte az elérés végét. A mérőszalagon e két megjelölt pozíció közötti abszolút távolságot használták az mStroke becsült elérési távolságának összehasonlító referenciaértékeként. Teszteltük az FRT funkciót mStroke-ban két alanycsoporton, hogy ellenőrizze annak teljesítményét. Minden alany ötször hajtotta végre az FRT-t.
3.2. Az FRT Performance
1. csoportba 17 egészséges felnőtt alany tartozik. A 2. táblázat az 1. csoport demográfiai adatait mutatja be. Az 1. csoportban egy (a mellkason elhelyezett) csomópontot használnak a törzs hajlításának és a törzs csavarodási szögének becslésére, amint azt a 4.ábra mutatja. A törzs csavarási szögeinek hisztogramja az 5. ábrán látható. Az 5. ábrából könnyen megfigyelhető, hogy a törzs legtöbb csavarási szöge nem egyenlő , ami nem triviális hatást gyakorol a funkcionális elérés eredményére. Az átlagos abszolút hiba (Mean Absolute Error, Mae) és a korrelációs együttható tekintetében a reach-távolság becslésének teljesítményét a 3.táblázat tartalmazza, ahol a klinikus által manuálisan mért reach-távolságot jelöli, és az frt-függvény teljesítmény-referenciaértékeként szolgál az mStroke-ban. és a 2.3.2.szakasz (12), illetve a 2.3.3. szakasz (13) bekezdésében vannak leírva. MAE figyelembevételével, felülmúlja . A Bland Altman ábrákat a 6., illetve a 7. ábra mutatja. A különbségek átlaga a mérés és a referenciaérték közötti torzítást/eltérést mutatja. A különbségek +1,96 szórása (SD), a különbségek -1,96 SD értéke pedig a 95 egyetértési határ tartományát adja. A legtöbb különbség ilyen tartományba esik.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
(a) Start FRT
(b) végre FRT
a) frt indítása
b) frt végrehajtása
a 2. csoportba 23 egészséges felnőtt tartozik, akiknek demográfiai adatait a 4. táblázat mutatja. Az 1. csoporttal ellentétben a 2.csoportban két csomópontot használnak a törzs hajlításának, a törzs csavarodásának és a comb mozgási szögeinek becslésére (lásd a 8. ábrát). A törzs csavarodási és combmozgási szögének hisztogramjait a 9., illetve a 10. ábra mutatja. Mindkét ábra egyértelműen azt mutatja, hogy a törzs csavarodásának és a comb mozgásának nem nulla szögei dominálnak a tesztekben. A megfelelő teljesítményeket az 5.táblázat mutatja. leírása a (14) 2.3.4.szakaszban található. Figyelembe véve a MAE, felülmúlja által, és tovább javítja a teljesítményt.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
(a) Start FRT
(b) végre FRT
a) frt indítása
b) frt végrehajtása
bár a kísérleti eredmények ígéretesek, még mindig van lehetőség a teljesítmény javítására. Tanulmányaink egyértelműen azt sugallják, hogy több mozgásérzékelőt (például a vállon vagy a karon lévő érzékelőt) kell figyelembe venni az FRT funkció teljesítményének további javítása érdekében az mStroke-ban azáltal, hogy részletesebb testmozgásokat rögzít az FRT gyakorlatban.
4. Következtetések
megterveztünk és kifejlesztettünk egy mobil egészségügyi rendszert (azaz mStroke-ot), amely képes elvégezni az FRT-t, egy pontos egyfeladatos klinikai eszközt a valós idejű esési kockázatértékeléshez. Három különböző távolságmérőt (azaz,,, és) adtak meg. Az mStroke FRT funkciójának megbízhatóságát egészséges felnőtt alanyok két csoportján tesztelték. A kísérleti eredmények igazolják annak koncepcióját és megvalósíthatóságát. A stroke utáni egyéneken végzett klinikai vizsgálat a következő lépés az FRT funkció továbbfejlesztéséhez az mStroke – ban.
közzététel
A tartalom kizárólag a szerzők felelőssége, és nem feltétlenül képviseli a Nemzeti Egészségügyi Intézetek hivatalos nézeteit.
versengő érdekek
a szerzők kijelentik, hogy nincs versengő érdekek tekintetében a kiadvány.
elismerések
az ebben a cikkben közölt kutatásokat a Nemzeti Egészségügyi Intézetek Nemzeti Orvosbiológiai képalkotó és Biomérnöki Intézete támogatta a Díjszám alatt. R15EB015700. Ezt a munkát részben a Tennessee felsőoktatási Bizottság is finanszírozta.