Valutazione del rischio di caduta in tempo reale utilizzando il test Reach funzionale
Abstract
Le cadute sono comuni e pericolose per i sopravvissuti all’ictus in tutte le fasi del recupero. La diffusa necessità di valutare il rischio di caduta in tempo reale per gli individui dopo l’ictus ha generato richieste emergenti per una misura/strumento clinico affidabile, economico, quantificabile e remoto. Per soddisfare queste richieste, esploriamo il Functional Reach Test (FRT) per la valutazione del rischio di caduta in tempo reale e implementiamo la funzione FRT in mStroke, un sistema sanitario mobile in tempo reale e automatico per il recupero e la riabilitazione post-ictus. mStroke è progettato, sviluppato e fornito come applicazione (App) in esecuzione su una piattaforma hardware composta da un iPad e uno o due sensori di movimento del corpo wireless basati su diverse funzioni di salute mobile. La funzione FRT in mStroke è ampiamente testata su soggetti umani sani per verificarne il concetto e la fattibilità. Le prestazioni preliminari saranno presentate per giustificare l’ulteriore esplorazione della funzione FRT in mStroke attraverso studi clinici su individui dopo l’ictus, che potrebbero guidare il suo sfruttamento onnipresente nel prossimo futuro.
1. Introduzione
Le cadute sono comuni per i sopravvissuti all’ictus in tutte le fasi del recupero . Gli individui che vivono in comunità con ictus cronico hanno la più alta incidenza di caduta a . Di conseguenza, le fratture dell’anca sono quattro volte più probabili nei sopravvissuti post-ictus rispetto alla popolazione anziana generale . Le cadute comportano anche limitazioni progressive di attività e partecipazione, maggiore dipendenza, maggiore paura di cadere e depressione . Inoltre, le cadute portano a uno stress significativamente maggiore per i caregiver degli individui post-ictus .
Le strategie di prevenzione delle cadute sono più efficaci se la persona a rischio può essere valutata / identificata prima che si verifichi un infortunio . Esistono diversi strumenti clinici che valutano accuratamente i parametri funzionali associati all’equilibrio permanente e prevedono il rischio di caduta negli individui dopo l’ictus. Gli strumenti clinici rilevanti includono Berg Balance Scale (BBS), Timed Up and Go (TUG) test, Computerized Dynamic Posturography (CDP) e force plates e FRT . Il BBS applica una scala di valutazione ordinale a 14 movimenti funzionali . Il RIMORCHIATORE è un test di camminata funzionale che misura il tempo di completamento dell’attività . Le piastre CDP e force misurano il centro di pressione di un individuo (COP) e COP correla con scarso equilibrio e aumento del rischio di caduta . Gli strumenti clinici elencati in precedenza possono richiedere l’amministrazione del medico e / o attrezzature costose o immobili. Quindi, sono adatti per l’uso clinico, ma non possono monitorare longitudinalmente gli individui che vivono in comunità senza la presenza di un medico e/o di attrezzature costose.
L’applicazione dell’accelerometro e del giroscopio è stata studiata per valutare quantitativamente l’equilibrio in piedi . Questi studi dimostrano l’utilità dei sensori di movimento nella misurazione del bilanciamento funzionale. Tuttavia, entrambi gli studi si concentrano sul miglioramento della sensibilità di misurazione del clinico piuttosto che sulla produzione di un sistema di misurazione remoto per la salute mobile. I metodi in questi studi non possono essere applicati a casa senza la presenza di un medico, a causa della complessità del test (4-step e 6-step, rispettivamente) e del requisito (ad esempio, gli occhi dell’utente da chiudere).
In questo articolo, esploriamo le tecnologie indossabili (cioè il rilevamento del movimento in tempo reale) per valutare il rischio di caduta utilizzando l’FRT. Il FRT è un test dinamico rapido a compito singolo definito come la distanza massima che si può raggiungere in avanti oltre la lunghezza del braccio, mantenendo una base fissa di supporto in posizione eretta . È importante sottolineare che ha una versione modificata per l’equilibrio di seduta, cioè il FRT modificato, che prevediamo che si rivelerà utile per lo sviluppo della misurazione di seduta . Il FRT è stato sviluppato da Duncan et al. nel 1990 come scala di misurazione del rapporto per determinare i limiti anteriori di equilibrio permanente nella popolazione anziana . Sin dal suo inizio, questa misura si è dimostrata un test valido e affidabile per identificare i deficit di equilibrio per i sopravvissuti all’ictus e un potente predittore del rischio di caduta rispetto ad altre misure funzionali cliniche che richiedono più tempo . Nello specifico, il FRT stima fino a che punto l’utente può raggiungere in avanti senza prendere provvedimenti . Le norme di distanza di portata per uomini e donne di età diverse sono riassunte nella Tabella 1 . Sulla base della distanza di portata nel FRT, una persona ad alto rischio di caduta (cioè, test positivo) può essere identificata :(i)Un test negativo è considerato per una portata in avanti superiore a 25,40 cm.ii) Una portata inferiore a 15,24 cm è associata ad un rischio quattro volte maggiore di cadute nei 6 mesi successivi.(iii)Una portata entro 15.24–25.40 cm è risultato essere associato ad un rischio due volte maggiore di cadute durante i 6 mesi successivi.
|
|||||||||||||||||||||
Il FRT in tempo reale è una delle funzioni del nostro mStroke proposto, un sistema sanitario mobile in tempo reale e automatico, che può anche valutare il controllo motorio e stimare la velocità di andatura dei pazienti dopo l’ictus. Qui, ci concentriamo sulla funzione FRT in mStroke e affrontiamo tre problemi gratuiti: (i) progettare algoritmi di elaborazione del segnale in grado di stimare accuratamente e fedelmente la distanza di raggiungimento in FRT, (ii) implementare un’app interattiva user-friendly in esecuzione sulla nostra piattaforma hardware e (iii) valutare l’usabilità e l’affidabilità della funzione FRT in mStroke su soggetti adulti sani.
Una volta che la funzione FRT in mStroke dimostra la sua usabilità e affidabilità in una popolazione adulta sana, ulteriori sviluppi e valutazioni saranno eseguiti in individui poststroke. Il nostro obiettivo finale è che gli individui dopo l’ictus eseguano facilmente una valutazione del rischio di caduta in tempo reale sfruttando questa funzione FRT in clinica (ad esempio, qualsiasi cura acuta/assistenza postacuta/riabilitazione) e a casa, in qualsiasi momento, se necessario, senza l’aiuto di operatori sanitari. In altre parole, la FRT può essere trasferita dall’amministrazione clinica esperta alla gestione indipendente del paziente. mStroke, inclusa la funzione FRT, può promuovere un monitoraggio pervasivo, quantificabile e continuo dei comportamenti e dei recuperi dei pazienti, che può supportare una gestione efficiente e a lungo termine dell’ictus ben oltre l’attuale sistema basato sulla clinica acuta.
2. Materiali e metodi
2.1. Hardware e la sua facilità d’uso
Energia e latenza sono due vincoli principali su qualsiasi dispositivo sanitario wireless o mobile. Abbiamo scelto NODE, mostrato in Figura 1, come sensore del corpo wireless per mStroke . Questo dispositivo portatile a bassa potenza e bassa latenza è una nuova piattaforma di sensori modulari che utilizza il protocollo Bluetooth Low Energy (BLE) per comunicare con una stazione base (ad esempio, smartphone, iPad o computer). Più NODI possono connettersi con una singola stazione base. Il modulo di base del NODO è il MPU-9150, un dispositivo di MotionTracking di 9 assi prodotto da InvenSense, che essenzialmente è un’unità inerziale di moto (IMU) che contiene l’accelerometro, il giroscopio ed il magnetometro . L’accelerometro può essere programmato per avere la gamma completa di g, g, g o g e la sua sensibilità è LSB/g . L’MPU-9150 è progettato per i requisiti a bassa potenza, basso costo e ad alte prestazioni dell’elettronica di consumo, inclusi i sensori indossabili . NODE può inviare dati di movimento a un iPad fino a 120 campioni al secondo con una gamma fino a 50 m. NODE è un cilindro di 25,4 mm di diametro con una lunghezza di 83,8 mm e può essere agganciato agli indumenti. Ogni estremità del NODO può accettare un’unità sensore intercambiabile aggiuntiva. Queste unità del sensore possono servire varie funzioni quali la temperatura, il livello di umidità, l’ossimetro, o il monitoraggio/misura di ultrasuono. Ai fini di questo documento, impieghiamo solo il NODO con un’IMU.
Negli ultimi anni, l’idea di utilizzare sensori (ad esempio, accelerometro, giroscopio, magnetometro ed elettromiografia) per acquisire dati di movimento umano per studi e pratiche di riabilitazione ha ricevuto notevole attenzione . Gli accelerometri misurano il vettore di accelerazione; i giroscopi forniscono la velocità di rotazione angolare; e i magnetometri misurano la forza e, in alcuni casi, la direzione dei campi magnetici. Una fusione di sensori a 9 assi di questi tre sensori consente a mStroke di superare i difetti intrinseci presenti in ogni singolo sensore di movimento.
Per eseguire la funzione FRT, un NODO viene indossato tramite l’imbracatura toracica, che viene mostrata in Figura 2. Indossare e svestire l’imbracatura sono stati testati dagli studenti di terapia fisica tramite emulazione qualificata. I risultati suggeriscono la traduzione di un tale sistema di imbracatura all’uso del paziente. Inoltre, se il NODO non viene indossato correttamente (ad es., NODO ruotato o capovolto), l’Applicazione invierà una notifica di avviso.
2.2. Software e facilità d’uso
In termini di funzionalità del software, la funzione FRT in mStroke include la valutazione del rischio di caduta e il rilevamento degli errori. Gli errori includono postura eretta difettosa e caduta. All’inizio del FRT, l’App chiede all’utente di assumere una posizione comoda e eretta. L’App avvisa l’utente se il NODO del torace rileva una postura del corpo errata. Per tenere conto delle persone dopo l’ictus che possono avere una postura eretta compromessa, è accettabile una flessione del tronco fino a 30°. L’App indica quindi all’utente di flettere la spalla dell’estremità superiore dominante (cioè l’estremità superiore meno colpita nei sopravvissuti dopo l’ictus) a circa 90°. Quando il braccio è posizionato correttamente, l’utente raggiungerà in avanti il più lontano possibile senza fare un passo. Infine, la distanza FRT è stimata in base al nostro algoritmo proposto.
La funzione FRT in mStroke è personalizzata per ogni singolo utente inserendo la lunghezza del tronco dell’utente, la larghezza della spalla e la lunghezza della coscia nell’app prima che venga avviato il FRT. Dopo che l’algoritmo stima la distanza FRT, il risultato viene annunciato all’utente in tempo reale in base alle norme FRT stabilite (Tabella 1). Per garantire la sicurezza, mStroke è dotato di un algoritmo di rilevamento delle cadute e può essere programmato per fornire una notifica automatica del servizio medico di emergenza in caso di caduta. A questo scopo, abbiamo implementato l’algoritmo di rilevamento della caduta in 3 fasi proposto da Li et al. .
2.3. La stima della distanza FRT
2.3.1. Stima dell’angolo
Ci sono accelerometro, giroscopio e magnetometro nel NODO IMU. Sfruttiamo il quaternione calcolato dalle letture di questi tre sensori per una stima accurata dell’angolo. Un quaternione è un numero complesso quadridimensionale che può essere utilizzato per rappresentare l’orientamento di un corpo rigido in uno spazio tridimensionale . Nella rappresentazione quaternione, descrive l’orientamento del frame rispetto al frame . Qualsiasi orientamento del frame relativo al frame può essere ottenuto attraverso una rotazione dell’angolo attorno all’asse definito nel frame . Il quaternione che descrive questo orientamento è definito come segue: dove,, e definire i componenti del vettore unitario in -, -, e-assi del telaio, rispettivamente .
Supponiamo che il quaternione di riferimento sia ; il quaternione corrente è; e l’orientamento tra ed è . Poi il rapporto tra,, e può essere rappresentato come segue :dove denota il prodotto quaternione che può essere determinato utilizzando la regola di Hamilton :
Il coniugato quaternione, indicato da , può essere utilizzato per scambiare i relativi fotogrammi descritti da un orientamento :
Sulla base di (2) e (4), possiamo facilmente ottenere quanto segue:
Un vettore tridimensionale può essere ruotato da un quaternione . Se e sono lo stesso vettore descritto in frame e frame, rispettivamente, otteniamo quanto segue: dove e contengono come primo elemento per renderli vettori quadridimensionali .
L’angolo corrispondente a tale rotazione può essere ottenuto dall’angolo di due vettori, cioè, e , dove e hanno le stesse espressioni matematiche ma rappresentano vettori diversi:
Tuttavia, calcolato in base a (6) e (7) ha due problemi per la nostra implementazione pratica. Un problema è che è sempre positivo e l’altro problema è che può essere in qualsiasi direzione di rotazione. Spiegheremo questi due problemi utilizzando esempi illustrativi mostrati in Figura 3. Le figure 3 (a) e 3(b) rappresentano rispettivamente la rotazione in avanti e la rotazione indietro da un fotogramma all’altro lungo l’asse. Figura 3 (c) rappresenta una rotazione lungo l’asse. Assumere i valori assoluti di angoli per tutte le rotazioni sono . Sulla base di (6), corrisponde e corrisponde a . Inoltre, se si applica (7), otterremo quanto segue:dove e denotare le rotazioni mostrate nelle figure 3(a) e 3(b), rispettivamente. Pertanto, non possiamo differenziare la rotazione in avanti e la rotazione all’indietro da and . Tenendo conto della figura 3 (c), se siamo interessati solo a una rotazione nel piano del telaio, dovremmo ottenere 0° per l’angolo di tale rotazione. Tuttavia, otteniamo ancora invece di 0° usando (6) e (7).
(a) rotazione in Avanti lungo l’asse, proiettata nel piano
(b) Indietro rotazione lungo l’asse, proiettata nel piano
(c) Rotazione lungo l’asse
(a) rotazione in Avanti lungo l’asse, proiettata nel piano
(b) Indietro rotazione lungo l’asse, proiettata nel piano
(c) Rotazione lungo l’asse
Al fine di affrontare questi due problemi, proponiamo la seguente soluzione per ottenere come previsto. Oltre a (6), applichiamo la seconda rotazione vettoriale come segue:Assumere e corrispondere a in frame e frame, rispettivamente. Quindi, troviamo l’angolo tra e aggiornando leggermente (7) come segue:In questo modo,
In sintesi, la soluzione proposta può affrontare i problemi di cui sopra illustrati in Figura 3: (i) In Figura 3(a) per la rotazione in avanti, e .ii) Nella figura 3 (b) per la rotazione all’indietro, e .(iii) In Figura 3(c) per la rotazione lungo l’asse, e , il che significa che l’angolo di tale rotazione proiettata nel piano del telaio sarà 0∘.
2.3.2. Portata funzionale dovuta alla flessione del tronco
Sulla base dell’osservazione clinica, la portata nel FRT viene eseguita principalmente attraverso la flessione del tronco. Se possiamo stimare l’angolo di flessione del tronco in base all’algoritmo proposto presentato nella Sezione 2.3.1, possiamo calcolare la distanza di portata corrispondente in base alla funzione trigonometrica come segue:dove denota la lunghezza del tronco misurata manualmente e denota l’angolo di flessione del tronco stimato automaticamente da mStroke. L’IMU nel NODO del torace fornisce le informazioni necessarie quaternione per stimare l’angolo di flessione del tronco.
2.3.3. Effetto della torsione del tronco
considera solo la portata funzionale dovuta alla flessione del tronco. Tuttavia, il corpo umano non è strettamente un corpo rigido. Quando viene eseguito il FRT, c’è un’inevitabile torsione del busto. La torsione del busto contribuirà anche alla portata funzionale. Con l’IMU a 3 assi nel NODO del torace, possiamo stimare l’angolo di torsione del tronco contemporaneamente all’angolo di flessione del tronco. Così, può essere aggiornato come: dove denota larghezza della spalla misurata manualmente e denota torso angolo di torsione stimato automaticamente da mStroke.
2.3.4. Effetto del movimento della coscia
Quando un individuo esegue il FRT, la parte inferiore del corpo non rimane perpendicolare al terreno. La parte inferiore del corpo può a volte spostarsi all’indietro per mantenere il centro di massa della persona all’interno della sua base di supporto. Qualsiasi deviazione inferiore del corpo dalla posizione verticale originale può influenzare il risultato FRT. Quindi, dobbiamo considerare esplicitamente un tale effetto. È impossibile che l’IMU nel NODO del torace catturi il movimento inferiore del corpo nel FRT. Quindi, sfruttiamo un secondo NODO sulla coscia per stimare l’angolo di movimento della coscia. Sulla base di questo angolo, possiamo quantificare il movimento inferiore del corpo che contribuisce alla portata funzionale come dove denota la lunghezza della coscia misurata manualmente e denota l’angolo di movimento della coscia stimato automaticamente da mStroke. Infine, proponiamo la terza misura della distanza di reach come segue:
3. Risultati e discussione
3.1. Il metodo di affidabilità FRT
Lo studio di affidabilità FRT è stato condotto su soggetti adulti sani in un ambiente di ricerca con appropriata approvazione IRB. I soggetti hanno fornito il consenso informato prima della partecipazione. Età e sesso sono stati registrati come dati demografici soggetti. A causa di un campione di convenienza, studenti universitari sani, la maggior parte dei nostri soggetti hanno un indice di massa corporea normale. Eventuali valori anomali sarebbero considerati in sovrappeso, non obesi.
Per ciascun soggetto, la lunghezza del tronco, la larghezza della spalla e la lunghezza della coscia sono state misurate manualmente e inserite nell’app prima dell’avvio del FRT. Un nastro di misurazione è stato fissato al muro all’altezza delle spalle di ciascun soggetto.
Con cueing clinico, il soggetto è stato posizionato in piedi accanto al nastro di misurazione a parete in modo che la sua portata non superasse la lunghezza del nastro di misurazione. Il soggetto è stato quindi incaricato di alzare la sua estremità superiore a 90°. La posizione di partenza è stata valutata dal clinico alla terza falange distale del soggetto. Il soggetto è stato successivamente chiesto di andare avanti il più comodamente possibile, senza fare un passo. Al culmine della portata del soggetto, il clinico ha segnato la fine della portata. La distanza assoluta tra queste due posizioni marcate sul nastro di misurazione è stata utilizzata come riferimento di confronto per la distanza di portata stimata mStroke. Abbiamo testato la funzione FRT in mStroke su due gruppi di soggetti per verificarne le prestazioni. Ogni soggetto ha eseguito il FRT cinque volte.
3.2. La performance FRT
Gruppo 1 comprende 17 soggetti adulti sani. La tabella 2 presenta i dati demografici del Gruppo 1. Un NODO (posizionato sul petto) viene utilizzato nel gruppo 1 per stimare gli angoli di flessione del tronco e di torsione del tronco, come mostrato in Figura 4. L’istogramma degli angoli di torsione del tronco è presentato in Figura 5. Si può facilmente osservare dalla Figura 5 che la maggior parte degli angoli di torsione del tronco non sono uguali a , il che porterà un effetto non banale sul risultato funzionale della portata. Le prestazioni della stima della distanza di reach in termini di errore assoluto medio (MAE) e coefficiente di correlazione sono riportate nella Tabella 3 dove indica la distanza di reach misurata manualmente da un clinico e serve come parametro di riferimento per la funzione FRT in mStroke. e sono descritti rispettivamente al punto 2.3.2, punto 12, e al punto 2.3.3, punto 13. Con la considerazione di MAE, sovraperforma di . Blando Altman trame tra e così come tra e sono mostrati in Figure 6 e 7, rispettivamente. Media delle differenze mostra il bias / discrepanza tra la misurazione e il benchmark. + 1,96 Deviazione standard (SD) delle differenze e -1,96 SD delle differenze danno l’intervallo di 95 limiti di accordo. La maggior parte delle differenze rientra in tale intervallo.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
(a) Avviare la FRT
(b) Eseguire FRT
(a) Avviare la FRT
(b) Eseguire FRT
Il Gruppo 2 comprende 23 soggetti adulti sani con dati demografici riportati nella Tabella 4. A differenza del Gruppo 1, nel Gruppo 2 vengono utilizzati due NODI per stimare gli angoli di flessione del tronco, torsione del tronco e movimento della coscia (vedere Figura 8). Gli istogrammi degli angoli di torsione del busto e del movimento della coscia sono mostrati rispettivamente nelle figure 9 e 10. Entrambe le figure mostrano chiaramente che gli angoli diversi da zero per la torsione del busto e il movimento della coscia dominano i test. Le prestazioni corrispondenti sono riportate nella Tabella 5. è descritto al punto 14 della sezione 2.3.4. Con considerazione di MAE, sovraperforma e migliora ulteriormente le prestazioni di .
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
(a) Avviare la FRT
(b) Eseguire FRT
(a) Avviare la FRT
(b) Eseguire FRT
Mentre i risultati sperimentali sono promettenti, c’è ancora spazio per il miglioramento delle prestazioni. I nostri studi suggeriscono chiaramente che più sensori di movimento (ad esempio, sensore sulla spalla o sul braccio) dovrebbero essere considerati per migliorare ulteriormente le prestazioni della funzione FRT in mStroke catturando movimenti del corpo più dettagliati nell’esercizio FRT.
4. Conclusioni
Abbiamo progettato e sviluppato un sistema sanitario mobile (ad esempio, mStroke) in grado di eseguire l’FRT, uno strumento clinico accurato a singola attività, per la valutazione del rischio di caduta in tempo reale. Sono state fornite tre diverse misure di distanza di portata (ad esempio, , , e). L’affidabilità della funzione FRT di mStroke è stata testata su due gruppi di soggetti adulti sani. I risultati sperimentali ne verificano il concetto e la fattibilità. Uno studio clinico su individui dopo l’ictus è il passo successivo per l’ulteriore sviluppo della funzione FRT in mStroke.
Divulgazione
Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del National Institutes of Health.
Interessi concorrenti
Gli autori dichiarano che non vi sono interessi concorrenti per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.
Riconoscimenti
La ricerca riportata in questo articolo è stata sostenuta dall’Istituto Nazionale di imaging biomedico e bioingegneria del National Institutes of Health sotto il premio n. R15EB015700. Questo lavoro è stato anche parzialmente finanziato dal Tennessee Higher Education Commission.