ocena ryzyka upadku w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem funkcjonalnego testu zasięgu
Streszczenie
upadki są powszechne i niebezpieczne dla osób, które przeżyły udar mózgu na wszystkich etapach rekonwalescencji. Powszechna potrzeba oceny ryzyka upadku w czasie rzeczywistym dla osób po udarze wywołała pojawiające się prośby o wiarygodne, niedrogie, wymierne i zdalne badanie kliniczne/narzędzie. Aby spełnić te wymagania, badamy funkcjonalny Test zasięgu (FRT) do oceny ryzyka upadku w czasie rzeczywistym i wdrażamy funkcję FRT w mStroke, automatycznym mobilnym systemie opieki zdrowotnej w czasie rzeczywistym do odzyskiwania i rehabilitacji po udarze. mStroke jest zaprojektowany, opracowany i dostarczany jako aplikacja (App) działająca na platformie sprzętowej składającej się z iPada i jednego lub dwóch bezprzewodowych czujników ruchu ciała opartych na różnych funkcjach mobile health. Funkcja FRT w mStroke jest szeroko testowana na zdrowych ludziach, aby zweryfikować jej koncepcję i wykonalność. Wstępne wyniki zostaną przedstawione w celu uzasadnienia dalszej eksploracji funkcji FRT w mStroke poprzez badania kliniczne na osobach po udarze mózgu, które mogą kierować jego wszechobecną eksploatację w najbliższej przyszłości.
1. Wprowadzenie
upadki są powszechne u osób, które przeżyły udar mózgu na wszystkich etapach odzysku . Osoby mieszkające w społeczności z przewlekłym udarem mózgu mają największą częstość upadku w . W związku z tym ryzyko wystąpienia złamań szyjki kości udowej jest czterokrotnie większe u osób, które przeżyły udar w porównaniu do ogólnej populacji osób w podeszłym wieku . Upadki skutkują również postępującymi ograniczeniami aktywności i uczestnictwa, zwiększoną zależnością, zwiększonym strachem przed upadkiem i depresją . Ponadto upadki prowadzą do znacznie większego stresu dla opiekunów osób po udarze .
strategie zapobiegania upadkom są najbardziej skuteczne, jeśli osoba zagrożona może zostać oceniona/zidentyfikowana przed wystąpieniem urazu . Istnieje kilka narzędzi klinicznych, które dokładnie oceniają parametry funkcjonalne związane z równowagą stojącą i przewidują ryzyko upadku u osób po udarze. Istotne narzędzia kliniczne obejmują Berg Balance Scale (BBS), Timed Up and Go (TUG) test, Computerized Dynamic Posturography (CDP) i płyty siłowe oraz FRT . BBS stosuje porządkową skalę ocen do 14 ruchów funkcjonalnych . Holownik jest funkcjonalnym testem chodzenia, który mierzy czas wykonania zadania . Płytki CDP i force mierzą indywidualny środek ciśnienia (COP), a COP koreluje ze słabą równowagą i zwiększonym ryzykiem upadku . Wymienione wcześniej narzędzia kliniczne mogą wymagać podawania klinicysty i / lub drogiego lub nieruchomego sprzętu. W związku z tym są one odpowiednie do użytku klinicznego, ale nie mogą monitorować wzdłużnie osób mieszkających w społeczności bez obecności klinicysty i/lub drogiego sprzętu.
badano zastosowanie akcelerometru i żyroskopu w celu ilościowej oceny równowagi stojącej . Badania te pokazują przydatność czujników ruchu w czynnościowym pomiarze równowagi. Jednak oba badania koncentrują się na poprawie czułości pomiaru klinicysty, a nie na stworzeniu zdalnego systemu pomiarowego dla mobilnego zdrowia. Metody w tych badaniach nie mogą być stosowane w domu bez obecności lekarza, ze względu na złożoność testu (odpowiednio 4 i 6 kroków) i wymóg (np. oczy użytkownika powinny być zamknięte).
w niniejszym artykule badamy technologie noszenia (tj. wykrywanie ruchu w czasie rzeczywistym) w celu oceny ryzyka upadku za pomocą FRT. FRT jest szybkim, jednostopniowym testem dynamicznym zdefiniowanym jako maksymalna odległość, jaką można osiągnąć do przodu poza długość ramienia, przy zachowaniu stałej podstawy podparcia w pozycji stojącej . Co ważne, ma zmodyfikowaną wersję dla równowagi siedzącej, czyli zmodyfikowany FRT, który, jak przewidujemy, okaże się przydatny w rozwoju pomiaru siedzącego . FRT został opracowany przez Duncan et al. w 1990 jako skala pomiaru proporcji do określenia przednich granic równowagi stojącej w populacji osób starszych . Od momentu powstania środek ten okazał się ważnym i wiarygodnym testem identyfikacji deficytów w równowadze dla osób, które przeżyły udar mózgu i potężnym predyktorem ryzyka upadku w porównaniu do innych bardziej czasochłonnych klinicznych środków funkcjonalnych . Mówiąc konkretnie, FRT szacuje, jak daleko użytkownik może dotrzeć do przodu bez podejmowania kroków . Normy zasięgu dla mężczyzn i kobiet w różnym wieku są podsumowane w tabeli 1 . Na podstawie odległości zasięgu w FRT można zidentyfikować osobę o wysokim ryzyku upadku (tj. pozytywny test): (i) negatywny test jest uważany za zasięg do przodu większy niż 25,40 cm.ii) stwierdzono, że zasięg poniżej 15,24 cm wiąże się z czterokrotnie większym ryzykiem upadków w ciągu kolejnych 6 miesięcy.(iii) zasięg w granicach 15,24–25.40 cm jest związane z dwukrotnie większym ryzykiem upadków w ciągu następnych 6 miesięcy.
|
|||||||||||||||||||||
FRT w czasie rzeczywistym jest jedną z funkcji w naszym proponowanym mStroke, automatycznym mobilnym systemie opieki zdrowotnej w czasie rzeczywistym, który może również oceniać kontrolę silnika i szacować prędkość chodu pacjentów po udarze. Tutaj skupiamy się na funkcji FRT w mStroke i rozwiązujemy trzy bezpłatne problemy: (i) projektowanie algorytmów przetwarzania sygnałów, które mogą dokładnie i wiernie oszacować odległość zasięgu w FRT, (ii) wdrożenie interaktywnej aplikacji przyjaznej dla użytkownika działającej na naszej platformie sprzętowej oraz (iii) ocena użyteczności i niezawodności funkcji FRT w mStroke na zdrowych dorosłych osobach.
gdy funkcja FRT w mStroke wykaże swoją użyteczność i niezawodność w zdrowej populacji dorosłych, dalszy rozwój i ocena zostaną przeprowadzone u osób poststroke. Naszym ostatecznym celem jest, że osoby po udarze będzie łatwo przeprowadzić ocenę ryzyka upadku w czasie rzeczywistym, korzystając z tej funkcji FRT w klinice (np. każdej ostrej opieki / opieki postacute / rehabilitacji obiektu) i domu, w dowolnym momencie, w razie potrzeby, bez pomocy pracowników służby zdrowia. Innymi słowy, FRT można przejść od wykwalifikowanej administracji klinicznej do niezależnego zarządzania pacjentem. mStroke, w tym funkcja FRT, może promować wszechobecne, wymierne i ciągłe monitorowanie zachowań i odzyskiwania pacjentów, które mogą wspierać wydajne i długoterminowe zarządzanie udarem znacznie wykraczające poza obecny system ostrej kliniki.
2. Materiały i metody
2.1. Sprzęt i jego łatwość obsługi
energia i opóźnienie to dwa główne ograniczenia każdego bezprzewodowego lub mobilnego urządzenia medycznego. Wybraliśmy węzeł, pokazany na rysunku 1, jako Bezprzewodowy Czujnik Ciała dla mStroke . To ręczne urządzenie o małej mocy i niskim opóźnieniu to nowa modułowa platforma czujników, która wykorzystuje protokół Bluetooth Low Energy (BLE) do komunikacji ze stacją bazową (np. smartfonem, iPadem lub komputerem). Wiele węzłów może łączyć się z jedną stacją bazową. Podstawowym modułem węzła jest MPU-9150, 9-osiowe urządzenie do śledzenia ruchu produkowane przez InvenSense, które zasadniczo jest inercyjną jednostką ruchu (IMU) zawierającą akcelerometr, żyroskop i magnetometr . Akcelerometr można zaprogramować tak, aby miał pełen zakres g, g, g lub g, a jego czułość to LSB/g . MPU-9150 został zaprojektowany z myślą o małej mocy, niskich kosztach i wysokich wymaganiach elektroniki użytkowej, w tym czujnikach do noszenia . NODE może wysyłać dane o ruchu do iPada z prędkością do 120 próbek na sekundę z zasięgiem do 50 m. node to cylinder o średnicy 25,4 mm i długości 83,8 mm, który można przypiąć do odzieży. Każdy koniec węzła może przyjąć dodatkową wymienną jednostkę czujnika. Te jednostki czujników mogą pełnić różne funkcje, takie jak temperatura, poziom wilgotności, Pulsoksymetr lub monitorowanie/pomiar ultradźwięków. Na potrzeby tego artykułu używamy tylko węzła z IMU.
w ostatnich latach idea wykorzystania czujników (np. akcelerometru, żyroskopu, magnetometru i elektromiografii) do pozyskiwania danych o ruchu człowieka do badań i praktyk rehabilitacyjnych zyskała znaczną uwagę . Akcelerometry mierzą wektor przyspieszenia; żyroskopy zapewniają szybkość obrotu kątowego; magnetometry mierzą siłę i, w niektórych przypadkach, kierunek pól magnetycznych. 9-osiowa fuzja tych trzech czujników pozwala mStroke przezwyciężyć nieodłączne wady każdego czujnika ruchu.
aby wykonać funkcję FRT, jeden węzeł jest noszony za pomocą uprzęży klatki piersiowej, co przedstawiono na rysunku 2. Zakładanie i zdejmowanie uprzęży zostało przetestowane przez studentów fizykoterapii za pomocą wykwalifikowanej emulacji. Wyniki sugerują tłumaczenie takiego systemu uprzęży na użytek pacjenta. Dodatkowo, jeśli węzeł nie jest prawidłowo zużyty (np., Węzeł obrócony lub odwrócony do góry nogami), aplikacja wyśle powiadomienie ostrzegawcze.
2.2. Oprogramowanie i jego łatwość obsługi
jeśli chodzi o funkcjonalność oprogramowania, Funkcja FRT w mStroke obejmuje ocenę ryzyka upadku i wykrywanie błędów. Błędy obejmują wadliwą postawę stojącą i upadek. Na początku FRT aplikacja prosi użytkownika o przyjęcie wygodnej, wyprostowanej pozycji. Aplikacja powiadamia użytkownika, jeśli węzeł klatki piersiowej wykryje nieprawidłową postawę ciała. Aby uwzględnić osoby po udarze, które mogą mieć upośledzoną postawę stojącą, dopuszczalne jest zgięcie tułowia do 30°. Następnie aplikacja instruuje użytkownika, aby zgiąć ramię dominującej kończyny górnej (tj. mniej dotkniętej kończyny górnej u osób, które przeżyły po udarze mózgu)do około 90°. Gdy ramię jest prawidłowo ustawione, użytkownik sięgnie do przodu tak daleko, jak to możliwe, bez robienia kroku. Wreszcie, odległość FRT jest szacowana na podstawie naszego proponowanego algorytmu.
funkcja FRT w mStroke jest spersonalizowana dla każdego użytkownika, wprowadzając długość tułowia użytkownika, szerokość ramion i długość uda do aplikacji przed zainicjowaniem FRT. Po oszacowaniu przez algorytm odległości FRT, wynik jest ogłaszany użytkownikowi w czasie rzeczywistym na podstawie ustalonych norm FRT (Tabela 1). Aby zapewnić bezpieczeństwo, mStroke jest wyposażony w algorytm wykrywania upadku i może być zaprogramowany tak, aby zapewnić automatyczne powiadamianie pogotowia medycznego w przypadku upadku. W tym celu wdrożyliśmy 3-stopniowy algorytm wykrywania upadku zaproponowany przez Li et al. .
2.3. Oszacowanie odległości FRT
2.3.1. Oszacowanie kąta
w węźle IMU znajdują się akcelerometr, żyroskop i magnetometr. Wykorzystujemy czwartorzędu obliczone z odczytów tych trzech czujników do dokładnego oszacowania kąta. Kwaternion to czterowymiarowa liczba zespolona, która może być użyta do reprezentowania orientacji ciała sztywnego w przestrzeni trójwymiarowej . W reprezentacji czwartorzędu opisuje orientację ramki względem ramki . Dowolna orientacja ramy względem ramy może być osiągnięta poprzez obrót kąta wokół osi zdefiniowanej w ramie . Kwaternion opisujący tę orientację definiuje się następująco: gdzie,, i definiują odpowiednio składowe wektora jednostkowego w osiach -, – i-ramki.
Przyjmijmy, że kwaternionem odniesienia jest; bieżącym kwaternionem jest; oraz orientacją pomiędzy i jest . Wtedy zależność między,, i można przedstawić w następujący sposób: gdzie oznacza iloczyn czwartorzędu, który można wyznaczyć za pomocą reguły Hamiltona :
koniugat czwartorzędu, oznaczony przez , Może być użyty do zamiany względnych ramek opisanych orientacją :
na podstawie (2) i (4), możemy łatwo uzyskać następujące informacje:
trójwymiarowy wektor może być obracany przez czwartorzędu . Jeśli i są tym samym wektorem opisanym odpowiednio w frame i frame, to otrzymujemy następujące: where I contain jako pierwszy element, aby uczynić je wektorami czterowymiarowymi .
kąt odpowiadający takiemu obrotowi można uzyskać z kąta dwóch wektorów, czyli i, gdzie i mają te same wyrażenia matematyczne, ale reprezentują różne wektory:
jednak obliczone na podstawie (6) i (7)ma dwa problemy dla naszej praktycznej realizacji. Jednym z problemów jest to, że jest zawsze pozytywny, a drugim problemem jest to, że może być w dowolnym kierunku obrotu. Wyjaśnimy te dwa problemy używając przykładowych przykładów pokazanych na rysunku 3. Rysunki 3(A) i 3(b) przedstawiają odpowiednio obrót do przodu i obrót do tyłu od ramy do ramy wzdłuż osi. Rysunek 3 (c) przedstawia obrót wzdłuż osi. Załóżmy, że wartości bezwzględne kątów dla wszystkich obrotów są . Na podstawie (6), odpowiada i odpowiada . Ponadto, jeśli zastosujemy (7), otrzymamy:gdzie i oznaczamy obroty pokazane odpowiednio na rysunkach 3(A) i 3(b). Nie możemy więc odróżnić obrotu do przodu i obrotu do tyłu od and . Biorąc pod uwagę Rysunek 3 (c), jeśli interesuje nas tylko obrót w płaszczyźnie ramy , powinniśmy otrzymać 0° dla kąta takiego obrotu. Jednak nadal otrzymujemy zamiast 0° za pomocą (6) i (7).
(a) obrót do przodu wzdłuż osi, rzutowany na płaszczyznę
(b) obrót do tyłu wzdłuż osi, rzutowany na płaszczyznę
(c) obrót wzdłuż osi
(a) obrót do przodu wzdłuż osi, rzutowany na płaszczyznę
(b) obrót do tyłu wzdłuż osi, rzutowane na płaszczyznę
(c) obrót wzdłuż osi
aby rozwiązać te dwa problemy, proponujemy następujące rozwiązanie, aby uzyskać zgodnie z oczekiwaniami. Oprócz (6), stosujemy drugi Obrót wektora w następujący sposób: Zakładamy i odpowiadamy odpowiednio w ramce i ramce. Następnie znajdujemy kąt pomiędzy i przez nieznaczną aktualizację (7) w następujący sposób:W ten sposób
w skrócie, proponowane rozwiązanie może rozwiązać wyżej wymienione problemy przedstawione na rysunku 3: (i) na rysunku 3(a) dla obrotu do przodu i .(ii) na rysunku 3 (b) Dla obrotu do tyłu, oraz .(iii) na rysunku 3(c) dla obrotu wzdłuż osi, a co oznacza, że kąt takiego obrotu rzutowany na płaszczyznę ramy będzie równy 0∘.
2.3.2. Reach funkcjonalny ze względu na zgięcie tułowia
na podstawie obserwacji klinicznych, reach w FRT jest realizowany głównie poprzez zgięcie tułowia. Jeśli możemy oszacować kąt zgięcia tułowia na podstawie proponowanego algorytmu przedstawionego w punkcie 2.3.1, możemy obliczyć odpowiednią odległość zasięgu według funkcji trygonometrycznej w następujący sposób:gdzie oznacza długość tułowia mierzoną ręcznie i oznacza kąt zgięcia tułowia szacowany automatycznie przez mStroke. IMU w węźle klatki piersiowej dostarcza informacji niezbędnych do oszacowania kąta zgięcia tułowia.
2.3.3. Efekt skręcenia tułowia
bierze pod uwagę jedynie zasięg funkcjonalny spowodowany zgięciem tułowia. Jednak ciało ludzkie nie jest ściśle sztywnym ciałem. Po wykonaniu FRT następuje nieunikniony skręt tułowia. Skręt tułowia przyczyni się również do zasięgu funkcjonalnego. Dzięki 3-osiowemu IMU w węźle klatki piersiowej możemy oszacować kąt skrętu tułowia jednocześnie z kątem zgięcia tułowia. Tak więc, może być aktualizowany jako: gdzie oznacza szerokość barku mierzona ręcznie i oznacza kąt skrętu tułowia szacowany automatycznie przez mStroke.
2.3.4. Efekt ruchu uda
gdy osoba wykonuje FRT, dolna część ciała nie pozostaje prostopadła do podłoża. Dolna część ciała może czasami przesuwać się do tyłu, aby utrzymać środek masy osoby w jego podstawie podparcia. Każde odchylenie dolnej części ciała od pierwotnej pozycji pionowej może mieć wpływ na wynik FRT. Dlatego musimy wyraźnie rozważyć taki efekt. IMU w węźle klatki piersiowej nie jest w stanie uchwycić ruchu dolnego ciała w FRT. W ten sposób wykorzystujemy drugi węzeł na udzie, aby oszacować kąt ruchu UD. Na podstawie tego kąta możemy obliczyć ruch w dolnej części ciała, co przyczynia się do zasięgu funkcjonalnego, ponieważ gdzie oznacza długość uda mierzoną ręcznie i oznacza kąt ruchu uda szacowany automatycznie przez mStroke. Ostatecznie proponujemy trzecią miarę odległości zasięgu w następujący sposób:
3. Wyniki i dyskusja
3.1. Metoda niezawodności FRT
badanie niezawodności FRT przeprowadzono na zdrowych dorosłych osobnikach w Warunkach badawczych z odpowiednią aprobatą IRB. Uczestnicy udzielili świadomej zgody przed uczestnictwem. Wiek i płeć zostały zarejestrowane jako dane demograficzne. Ze względu na próbkę wygody, zdrowych studentów, większość naszych przedmiotów ma normalny wskaźnik masy ciała. Wszelkie odstające będą uważane za nadwagę, a nie otyłość.
dla każdego testera długość tułowia, szerokość ramion i długość uda były mierzone ręcznie i wprowadzane do aplikacji przed zainicjowaniem FRT. Do ściany na wysokości ramion każdego obiektu przymocowano taśmę pomiarową.
po wykonaniu zabiegu przez klinicystę Tester był ustawiony obok taśmy pomiarowej zamontowanej na ścianie, tak aby jego zasięg nie przekraczał długości taśmy pomiarowej. Tester został następnie poinstruowany, aby podnieść kończynę górną do 90°. Pozycja wyjściowa została oceniona przez klinicystę w dystalnym trzecim paliczku testera. Tester został następnie poproszony o sięgnięcie do przodu tak daleko, jak to możliwe, bez robienia kroku. Na szczycie zasięgu testera klinicysta zaznaczył koniec zasięgu. Bezwzględna odległość między tymi dwoma zaznaczonymi pozycjami na taśmie pomiarowej została wykorzystana jako punkt odniesienia porównawczy dla szacowanej odległości zasięgu mStroke. Testowaliśmy funkcję FRT w mStroke na dwóch grupach badanych, aby zweryfikować jej działanie. Każdy Tester wykonał FRT pięć razy.
3.2. Wyniki FRT
Grupa 1 obejmuje 17 zdrowych dorosłych osób. Tabela 2 przedstawia dane demograficzne grupy 1. Jeden węzeł (umieszczony na klatce piersiowej) jest używany w Grupie 1 do oszacowania kątów zgięcia tułowia i skręcenia tułowia, jak pokazano na fig.4. Histogram kątów skrętu tułowia przedstawiono na fig. 5. 5 można łatwo zaobserwować , że większość kątów skrętu tułowia nie jest równa, co przyniesie nietrywialny wpływ na wynik działania. Wyniki estymacji odległości reach w kategoriach średniego błędu bezwzględnego (Mae) i współczynnika korelacji podano w tabeli 3, gdzie oznacza odległość reach mierzoną ręcznie przez lekarza i służy jako wskaźnik wydajności dla funkcji FRT w mStroke. i są opisane odpowiednio w (12) sekcji 2.3.2 i (13) sekcji 2.3.3. Biorąc pod uwagę MAE, przewyższa przez. Wykresy Bland Altman pomiędzy I oraz między i są pokazane odpowiednio na rysunkach 6 i 7. Średnia różnic pokazuje odchylenie / rozbieżność między pomiarem a wskaźnikiem. + 1,96 odchylenie standardowe (SD) różnic i -1,96 SD różnic dają zakres 95 granic porozumienia. Większość różnic mieści się w takim zakresie.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
(a) Uruchom FRT
(B) wykonać FRT
(a) Uruchom FRT
(B) wykonaj FRT
Grupa 2 obejmuje 23 zdrowych dorosłych pacjentów z danymi demograficznymi przedstawionymi w tabeli 4. W przeciwieństwie do grupy 1, w grupie 2 stosuje się dwa węzły do oceny zgięcia tułowia, skręcenia tułowia i kątów ruchu UD (patrz rysunek 8). Histogramy skręcenia tułowia i kątów ruchu UD przedstawiono odpowiednio na fig. 9 i 10. Obie liczby wyraźnie pokazują, że w badaniach dominują niezerowe kąty skręcania tułowia i ruchu UD. Odpowiednie wyniki przedstawiono w tabeli 5. jest opisany w (14) sekcji 2.3.4. Biorąc pod uwagę MAE, przewyższa i dalej poprawia wydajność przez .
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
(a) Uruchom FRT
(B) wykonać FRT
(a) Uruchom FRT
(B) wykonaj FRT
chociaż wyniki eksperymentalne są obiecujące, nadal jest miejsce na poprawę wydajności. Nasze badania wyraźnie sugerują, że należy rozważyć więcej czujników ruchu (np. czujnik na ramieniu lub ramieniu), aby jeszcze bardziej poprawić wydajność funkcji FRT w mStroke poprzez rejestrowanie bardziej szczegółowych ruchów ciała w ćwiczeniu FRT.
4. Wnioski
zaprojektowaliśmy i opracowaliśmy mobilny system opieki zdrowotnej (tj. mStroke), który może wykonywać FRT, dokładne jednozadaniowe narzędzie kliniczne, do oceny ryzyka upadku w czasie rzeczywistym. Podano trzy różne miary odległości zasięgu (tj.,, i). Wiarygodność funkcji FRT mStroke ’ a została przetestowana na dwóch grupach zdrowych osób dorosłych. Wyniki eksperymentów weryfikują jego koncepcję i wykonalność. Badanie kliniczne na osobach po udarze mózgu jest kolejnym krokiem do dalszego rozwoju funkcji FRT w udarze mózgu.
ujawnienie
treść jest wyłącznie obowiązkiem autorów i niekoniecznie reprezentuje oficjalne poglądy Narodowego Instytutu Zdrowia.
konkurencyjne interesy
autorzy oświadczają, że nie ma konkurencyjnych interesów dotyczących publikacji tego artykułu.
podziękowania
badania opisane w niniejszym artykule zostały wsparte przez National Institute of Biomedical Imaging and bioinżynieria National Institutes of Health pod nagrodą nr 1309. R15EB015700 Prace te zostały również częściowo sfinansowane przez Tennessee Higher Education Commission.