avaliação do risco de queda em tempo Real utilizando o ensaio Reach funcional
resumo
as quedas são comuns e perigosas para os sobreviventes de acidente vascular cerebral em todas as fases de recuperação. A necessidade generalizada de avaliar o risco de queda em tempo real para os indivíduos após acidente vascular cerebral gerou pedidos emergentes para uma medida/ferramenta clínica confiável, barata, quantificável e remota. Para atender a estes pedidos, exploramos o teste funcional Reach (FRT) para avaliação de risco de queda em tempo real e implementamos a função FRT em mStroke, um sistema de saúde móvel em tempo real e automático para recuperação e reabilitação pós-choque. mStroke é projetado, desenvolvido e entregue como uma aplicação (App) rodando em uma plataforma de hardware que consiste de um iPad e um ou dois sensores de movimento corporal sem fio com base em diferentes funções móveis de saúde. A função FRT em mStroke é amplamente testada em indivíduos humanos saudáveis para verificar o seu conceito e viabilidade. O desempenho preliminar será apresentado para justificar a continuação da exploração da função FRT no mStroke através de ensaios clínicos em indivíduos após acidente vascular cerebral, que podem guiar a sua exploração onipresente num futuro próximo.
1. Introdução
as quedas são comuns para sobreviventes de acidente vascular cerebral em todas as fases de recuperação . Os indivíduos da comunidade com AVC crônico têm a maior incidência de queda em . Consequentemente, as fracturas da anca são quatro vezes mais prováveis de ocorrer em sobreviventes pós-choque, em comparação com a população idosa em geral . As quedas também resultam em limitações progressivas de atividade e participação, aumento da dependência, aumento do medo de queda, e depressão . Além disso, as quedas levam a um estresse significativamente maior para os cuidadores dos indivíduos pós-choque .As estratégias de prevenção de quedas são mais eficazes se a pessoa em risco puder ser avaliada/identificada antes de ocorrer a lesão . Existem várias ferramentas clínicas que avaliam com precisão os parâmetros funcionais associados ao equilíbrio de pé e preveem o risco de queda em indivíduos após o AVC. Ferramentas clínicas relevantes incluem escala de balanceamento Berg( BBS), teste Timed Up And Go (TUG), Posturografia dinâmica computadorizada (CDP) e placas de força, e o FRT . O BBS aplica uma escala de classificação ordinal a 14 movimentos funcionais . O TUG é um teste de marcha funcional que mede o tempo de conclusão da tarefa . A CDP e as placas de força medem o centro de pressão de um indivíduo (COP) e COP correlaciona-se com o mau equilíbrio e aumento do risco de queda . As ferramentas clínicas previamente listadas podem requerer administração clínica e / ou equipamento caro ou imóvel. Por conseguinte, são adequados para uso clínico, mas não podem monitorizar longitudinalmente os indivíduos residentes na comunidade sem a presença de um clínico e/ou equipamento dispendioso.
a aplicação do acelerómetro e do giroscópio foi estudada para avaliar quantitativamente o equilíbrio de pé . Estes estudos demonstram a utilidade dos sensores de movimento na medição do equilíbrio funcional. No entanto, ambos os estudos se concentram em melhorar a sensibilidade de medição do médico, em vez de produzir um sistema de medição remota para a saúde móvel. Os métodos destes estudos não podem ser aplicados em casa sem a presença de um clínico, devido à complexidade do teste (4-passo e 6-passo, respectivamente) e exigência (por exemplo, os olhos do usuário devem ser fechados).
neste artigo, exploramos tecnologias wearable (ou seja, sensores de movimento em tempo real) para avaliar o risco de queda usando a FRT. O FRT é um teste dinâmico rápido de tarefa única definido como a distância máxima que se pode alcançar para frente além do comprimento do braço, mantendo uma base fixa de suporte na posição de pé . É importante que tenha uma versão modificada para o equilíbrio sentado, ou seja, a FRT modificada, que prevemos que venha a ser útil para o desenvolvimento da medição sentada . A FRT foi desenvolvida por Duncan et al. em 1990, como uma escala de medição da razão para determinar os limites anteriores do equilíbrio de pé na população idosa . Desde o seu início, esta medida tem sido comprovada como um teste válido e confiável para identificar déficits em equilíbrio para sobreviventes de AVC e um poderoso preditor de risco de queda em comparação com outras medidas clínicas funcionais mais demoradas . Especificamente falando, a FRT estima até onde o usuário pode chegar sem tomar medidas . As normas de distância de alcance para homens e mulheres de diferentes idades são resumidas na Tabela 1 . Com base na distância percorrida na TRF, pode identificar-se uma pessoa com elevado risco de queda (isto é, um teste positivo): i)considera-se um teste negativo para um alcance para a frente superior a 25,40 cm.- um alcance inferior a 15,24 cm é associado a um risco quatro vezes maior de quedas durante os seis meses seguintes.iii)um reach entre 15.24 e 25.Verifica-se que 40 cm estão associados a um risco duas vezes maior de quedas durante os 6 meses seguintes.
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o FRT em tempo real é uma das funções do nosso proposto mStroke, um sistema de saúde móvel em tempo real e automático, que também pode avaliar o controle motor e estimar a velocidade de marcha dos pacientes após o acidente vascular cerebral. Aqui, nos concentramos na função FRT em mStroke e abordamos três problemas complementares: (i) concepção de algoritmos de processamento de sinais que possam estimar com precisão e fielmente a distância na FRT, (II) implementação de um aplicativo interativo de fácil utilização, rodando em nossa plataforma de hardware, e (iii) avaliação da usabilidade e confiabilidade da função FRT em mstroke em assuntos adultos saudáveis.Uma vez que a função FRT no mStroke demonstra sua usabilidade e confiabilidade em uma população adulta saudável, o desenvolvimento e a avaliação serão realizados em indivíduos pós-Roke. Nosso objetivo final é que os indivíduos após o acidente vascular cerebral irão facilmente realizar uma avaliação de risco de queda em tempo real, aproveitando esta função FRT na clínica (por exemplo, qualquer clínica de cuidados agudos/pós-traumas/reabilitação) e em casa, a qualquer momento que necessário, sem a ajuda dos profissionais de saúde. Em outras palavras, a FRT pode ser transicionada da administração clínica especializada para a gestão independente do paciente. o mStroke, incluindo a função FRT, pode promover a monitorização generalizada, quantificável e contínua dos comportamentos e recuperações dos pacientes, o que pode apoiar uma gestão de AVC eficiente e de longo prazo muito além do atual sistema clínico agudo.
2. Materiais e métodos
2.1. O Hardware e a sua facilidade de Utilização
energia e latência são duas restrições importantes para qualquer dispositivo de saúde sem fios ou móvel. Nós escolhemos o nó, mostrado na Figura 1, como o sensor de corpo sem fio para mStroke . Este dispositivo portátil de baixa potência e baixa latência é uma nova plataforma modular de sensores que usa o Protocolo Bluetooth Low Energy (BLE) para se comunicar com uma estação base (por exemplo, smartphone, iPad, ou computador). Múltiplos nós podem se conectar com uma única estação base. O módulo básico do nó é o MPU-9150, um dispositivo de Motionracking de 9 eixos fabricado pela InvenSense, que é essencialmente uma unidade de movimento inercial (IMU) contendo acelerômetro, giroscópio e magnetômetro . O acelerômetro pode ser programado para ter a escala completa de g, g, g ou g e sua sensibilidade é LSB/G. O MPU-9150 foi projetado para os requisitos de baixa potência, baixo custo e alto desempenho da eletrônica de consumo, incluindo sensores usáveis . NODE pode enviar dados de movimento para um iPad A até 120 amostras por segundo com um intervalo de até 50 m. NODE é um cilindro de 25,4 mm de diâmetro com um comprimento de 83,8 mm e pode ser cortado em roupas. Cada extremidade do nó pode aceitar uma unidade de sensor intercambiável adicional. Estas unidades de sensor podem servir uma variedade de funções, tais como temperatura, nível de umidade, oximeter, ou monitoramento/medição ultrassom. Para os propósitos deste artigo, nós apenas empregamos o nó com um IMU.
Nos últimos anos, a idéia de empregar sensores (e.g., acelerômetro, giroscópio, magnetômetro, e a eletromiografia) para adquirir movimento humano de dados para estudos de reabilitação e práticas tem recebido considerável atenção . Os acelerómetros medem o vector de Aceleração; os giroscópios fornecem a taxa de rotação angular; e magnetômetros medem a força e, em alguns casos, a direção dos campos magnéticos. Uma fusão de sensores de 9 eixos desses três sensores permite que o mStroke supere as falhas inerentes encontradas em cada sensor de movimento individual.
para executar a função FRT, um nó é usado através do arnês torácico, que é mostrado na Figura 2. O donning e o doffing do arnês foram testados por estudantes de fisioterapia através de emulação qualificada. Os resultados sugerem a tradução de tal sistema de arnês para o uso do paciente. Além disso, se o nó não é usado corretamente (ex., Nó girado ou virado de cabeça para baixo), o aplicativo irá enviar uma notificação de aviso.
2.2. Software e sua facilidade de Uso
em termos de funcionalidade de software, a função FRT no mStroke inclui avaliação de risco de queda e detecção de erros. Erros incluem postura errônea e queda. No início do FRT, o aplicativo pede ao Usuário para assumir uma postura confortável e erecta. O aplicativo notifica o Usuário se o nó do tórax detectar uma postura corporal incorreta. Para ter em conta os indivíduos após o acidente vascular cerebral que possam ter dificuldade na postura de pé, a flexão do tronco até 30° é aceitável . O App então instrui o usuário a flexionar o ombro da extremidade superior dominante (ou seja, a extremidade superior menos afetada em sobreviventes após o acidente vascular cerebral) para aproximadamente 90°. Quando o braço está devidamente posicionado, o usuário vai chegar para a frente, tanto quanto possível, sem dar um passo. Finalmente, a distância FRT é estimada com base no nosso algoritmo proposto.
a função FRT no mStroke é personalizada para cada usuário individual, inserindo o comprimento do tronco, largura do ombro e comprimento da coxa do usuário no aplicativo antes da FRT ser iniciada. Depois que o algoritmo estima a distância FRT, o resultado é anunciado ao usuário em tempo real com base em normas estabelecidas FRT (Tabela 1). Para garantir a segurança, o mStroke está equipado com um algoritmo de detecção de queda e pode ser programado para fornecer notificação automática de emergência médica em caso de queda. Para este fim, implementamos o algoritmo de detecção de queda de 3 passos proposto por Li et al. .
2.3. Estimativa da distância FRT
2.3.1. Estimativa do ângulo
há acelerômetro, giroscópio e magnetômetro no IMU do nó. Exploramos o quaternião calculado a partir das leituras destes três sensores para uma estimativa precisa do ângulo. Um quaternião é um número complexo de quatro dimensões que pode ser usado para representar a orientação de um corpo rígido em um espaço tridimensional . Na representação do quaternião, descreve a orientação do quadro em relação ao quadro . Qualquer orientação do quadro em relação ao quadro pode ser alcançada através de uma rotação de ângulo em torno do eixo definido no quadro . O quaternião que descreve esta orientação é definido da seguinte forma: Onde, e definir os componentes do vetor unitário em -, -, e-eixos do frame, respectivamente .
assumir que o quaternião de referência é ; o quaternião atual é ;e a orientação entre e é. Em seguida, a relação entre,, e pode ser representado como segue :Onde Denota o produto quaternião que pode ser determinado usando a regra Hamilton :
O quaternion conjugado, denotado por , pode ser usado para trocar a relativa quadros descritos por uma orientação :
em (2) e (4), podemos facilmente obter a seguinte:
três-dimensional vetor pode ser girado por um quaternion . Se e são o mesmo vetor descrito em frame e frame , respectivamente, então nós obtemos o seguinte: onde e conter como o primeiro elemento para torná-los vetores de quatro dimensões .
Ângulo correspondente a um tal de rotação pode ser obtida a partir do ângulo de dois vetores, que é, e , sempre e ter as mesmas expressões matemáticas, mas representam diferentes vetores:
no Entanto, calculada com base em (6) e (7) tem dois problemas para a nossa implementação prática. Um problema é que é sempre positivo e o outro problema é que pode estar em qualquer direção de rotação. Explicaremos estes dois problemas usando exemplos ilustrativos mostrados na Figura 3. As figuras 3 (a) e 3(b) representam a rotação para a frente e a rotação para trás do quadro para o quadro ao longo do eixo, respectivamente. A figura 3 (C) representa uma rotação ao longo do eixo. Assume-se que os valores absolutos dos ângulos para todas as rotações são . Baseado em (6), Corresponde a e corresponde a . Além disso, se(7) for aplicado, obteremos o seguinte:onde e denote as rotações mostradas nas Figuras 3(a) e 3 (b), respectivamente. Assim, não podemos diferenciar rotação para frente e rotação para trás de e . Tendo em conta a Figura 3(C), se estamos interessados apenas em uma rotação no plano da moldura, devemos obter 0° para o ângulo de tal rotação. No entanto, nós ainda obter em vez de 0° usando (6) e (7).
(a) rotação de Avanço ao longo do eixo, projetada no plano
(b) para Trás rotação ao longo do eixo, projetada no plano
(c) de Rotação ao longo do eixo
(a) rotação de Avanço ao longo do eixo, projetada no plano
(b) para Trás rotação ao longo do eixo, projetada no plano
(c) de Rotação ao longo do eixo
a fim de resolver estes dois problemas, propomos a seguinte solução para obter como esperado. Além de (6), aplicamos a segunda rotação vetorial da seguinte forma:assumir e corresponder a frame e frame, respectivamente. Em seguida, encontramos o ângulo entre e atualizando ligeiramente (7) Como segue:Desta forma,
em resumo, a solução proposta pode resolver os problemas acima mencionados ilustrados na Figura 3:(i)na Figura 3(a) para a rotação para a frente, e .ii) Na Figura 3, alínea b), para a rotação para trás, eiii) na Figura 3(C) para a rotação ao longo do eixo, e , o que significa que o ângulo de tal rotação projectado no plano do quadro será 0∘.
2.3.2. Alcance funcional devido à flexão do tronco
com base na observação clínica, o alcance na FRT é executado principalmente através da flexão do tronco. Se podemos estimar o ângulo de flexão do tronco com base na proposta de algoritmo apresentado na Seção 2.3.1, podemos calcular a correspondente alcançar uma distância de acordo com a função trigonométrica da seguinte forma:onde denota o comprimento do tronco, medido manualmente e denota o ângulo de flexão do tronco estimados automaticamente pelo mStroke. O IMU no nó torácico fornece a informação necessária do quaternião para estimar o ângulo de flexão do tronco.
2.3.3. Efeito da torção do tronco
apenas considera o alcance funcional devido à flexão do tronco. No entanto, o corpo humano não é estritamente um corpo rígido. Quando a FRT é realizada, há uma inevitável torção do tronco. A torção do tronco contribuirá também para o alcance funcional. Com o IMU de 3 eixos no nó torácico, podemos estimar o ângulo de torção do tronco simultaneamente com o ângulo de flexão do tronco. Assim, pode ser atualizado como: onde indica a largura do ombro medida manualmente e indica o ângulo de torção do tronco estimado automaticamente por mStroke.
2.3.4. Efeito do Movimento Da Coxa
quando um indivíduo executa o FRT, o corpo inferior não permanece perpendicular ao solo. O corpo inferior pode às vezes deslocar para trás para manter o centro de massa da pessoa dentro de sua base de suporte. Qualquer desvio do corpo inferior em relação à posição vertical original pode afectar o resultado da FRT. Por conseguinte, temos de considerar explicitamente esse efeito. É impossível para o IMU no nó do tórax capturar o movimento do corpo inferior na FRT. Assim, exploramos um segundo nó na coxa para estimar o ângulo de movimento da coxa. Com base neste ângulo, podemos quantificar o movimento do corpo inferior que contribui para o alcance funcional como Onde Denota o comprimento da coxa medido manualmente e denota o ângulo de movimento da coxa estimado automaticamente por mStroke. Eventualmente, propomos a terceira medida de distância de alcance da seguinte forma:
3. Resultados e discussão
3.1. O método de fiabilidade FRT
o estudo de fiabilidade FRT foi realizado em indivíduos adultos saudáveis num ambiente de investigação com a aprovação adequada do IRB. Os sujeitos deram consentimento informado antes da participação. A idade e o Sexo foram registados como dados demográficos dos indivíduos. Devido a uma amostra de conveniência, estudantes universitários saudáveis, a maioria dos nossos sujeitos têm um índice de massa corporal normal. Quaisquer anómalos seriam considerados acima do peso, não obesos.
para cada indivíduo, o comprimento do tronco, a largura do ombro e o comprimento da coxa foram medidos manualmente e introduzidos no aplicativo antes do FRT ser iniciado. Uma fita de medição foi fixada à parede na altura do ombro de cada sujeito.
com a coloração clínica, o sujeito foi posicionado ao lado da fita métrica montada na parede de modo que seu alcance não excedesse o comprimento da fita métrica. O sujeito foi então instruído a elevar a sua extremidade superior para 90°. A posição inicial foi avaliada pelo clínico na terceira falange distal do sujeito. O assunto foi posteriormente solicitado a avançar o mais confortavelmente possível, sem dar um passo. No pico do alcance do sujeito, o clínico marcou o fim do reach. A distância absoluta entre estas duas posições marcadas na fita de medição foi utilizada como referência de comparação para a distância de alcance estimada pelo mStroke. Testamos a função FRT em mStroke em dois grupos de sujeitos para verificar o seu desempenho. Cada assunto realizou o FRT cinco vezes.
3.2. O desempenho em FRT
Grupo 1 inclui 17 indivíduos adultos saudáveis. O quadro 2 apresenta os dados demográficos do Grupo 1. Um nó (posicionado no tórax) é utilizado no Grupo 1 para estimar os ângulos de flexão do tronco e de torção do tronco, conforme ilustrado na Figura 4. O histograma dos ângulos de torção do tronco é apresentado na Figura 5. Pode observar-se facilmente , a partir da Figura 5, que a maioria dos ângulos de torção do tronco não são iguais, o que provocará um efeito não trivial sobre o resultado funcional do alcance. Os desempenhos da estimativa da distância de alcance em termos de Erro absoluto médio (MAE) e coeficiente de correlação são apresentados na Tabela 3, Onde Denota a distância de alcance medida manualmente por um clínico e serve como referência de desempenho para a função FRT em mStroke. e são descritos no ponto 12 da secção 2.3.2 e no ponto 13 da secção 2.3.3, respectivamente. With consideration of MAE, outperforms by . As parcelas Bland Altman entre e, bem como entre e são mostradas nas figuras 6 e 7, respectivamente. A média das diferenças mostra o viés/discrepância entre a medição e a referência. + 1,96 desvio padrão (DP) das diferenças e -1,96 DP das diferenças dão o intervalo de 95 limites de concordância. A maioria das diferenças estão dentro de tal intervalo.
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(a) Iniciar FRT
(b) Realizar FRT
(a) Iniciar FRT
(b) Realizar FRT
o Grupo 2 inclui 23 adultos saudáveis, com dados demográficos apresentados na Tabela 4. Em contraste com o Grupo 1, dois nós são utilizados no Grupo 2 para estimar a flexão do tronco, torção do tronco e ângulos de movimento da coxa (ver Figura 8). Os histogramas dos ângulos de torção do tronco e dos ângulos de deslocação da coxa são apresentados nas figuras 9 e 10, respectivamente. Ambas as figuras mostram claramente que os ângulos não-zero para o torção do tronco e o movimento da coxa dominam os ensaios. Os desempenhos correspondentes são apresentados no quadro 5. é descrito no ponto 14 da secção 2.3.4. With consideration of MAE, outperforms by and further improves the performance by .
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(a) Iniciar FRT
(b) Realizar FRT
(a) Iniciar FRT
(b) Realizar FRT
embora os resultados experimentais sejam promissores, ainda há margem para melhorias de desempenho. Nossos estudos sugerem claramente que mais sensores de movimento (por exemplo, sensor no ombro ou braço) devem ser considerados para melhorar ainda mais o desempenho da função FRT em mStroke, capturando movimentos corporais mais detalhados no exercício FRT.
4. Conclusões
concebemos e desenvolvemos um sistema de saúde móvel (isto é, mStroke) que pode executar a FRT, uma ferramenta clínica única precisa, para a avaliação do risco de queda em tempo real. Três medidas diferentes de distância de alcance (i.e.,,,, e ) foram dadas. A fiabilidade da função FRT do mStroke foi testada em dois grupos de indivíduos adultos saudáveis. Os resultados experimentais verificam o seu conceito e viabilidade. Um ensaio clínico em indivíduos após acidente vascular cerebral é o próximo passo para o desenvolvimento da função FRT em mStroke.
divulgação
o conteúdo é da exclusiva responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais dos Institutos Nacionais de saúde.
interesses concorrentes
os autores declaram que não há interesses concorrentes relativamente à publicação deste artigo.
reconhecimentos
a investigação relatada neste artigo foi apoiada pelo National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health under Award no. R15EB015700. Este trabalho também foi parcialmente financiado pela Comissão de Educação Superior do Tennessee.