仮想修正ボックスおよびブロックテスト中の運動と筋肉活動の定量的評価のためのセットアップ

動きとは、私たちが世界とどのように相互作用するかです。コップ一杯の水を拾ったり、歩いて通勤したりするなどの日常的な活動は簡単に思えるかもしれませんが、これらの動きでさえ、中枢神経系、筋肉、手足の間の複雑なシグナル伝達に依存しています¹。そのため、個人の自立と生活の質は、個人の四肢機能のレベルと高い相関関係があります^2,3。脊髄損傷(SCI)や末梢神経損傷のような神経学的損傷は、永続的な運動障害を引き起こし、それによって日常生活の単純な活動さえも実行する能力を低下させる可能性があります^4,5。国立神経疾患・脳卒中研究所によると、米国では1億人以上が運動障害を経験しており、脳卒中が主な原因の1つとなっています^6,7,8。これらの怪我の性質上、患者はしばしば長期のケアを必要とし、定量的な運動評価と遠隔治療が有益である可能性があります。

運動障害を治療するための現在の実践では、理学療法士や作業療法士などの訓練を受けた専門家による観察を通じて、機能の初期評価と継続的な臨床評価の両方が必要になることがよくあります。標準で検証された臨床検査では、多くの場合、訓練を受けた専門家が実施する必要があり、特定の時間的制約と、事前定義された動きや機能的なタスクの主観的な採点が必要です。しかし、健康な人でも、関節角度をさまざまに組み合わせることで、同じ動きをすることができます。この概念は、筋骨格系の冗長性と呼ばれます。

機能的な臨床試験では、被験者間のばらつきの根底にある個々の冗長性が考慮されていないことがよくあります。臨床医にとっても研究者にとっても、冗長性によって引き起こされる正常な変動性と運動の病理学的変化を区別することは依然として課題です。十分に訓練された評価者によって実施される標準化された臨床評価は、低解像度のスコアリングシステムを利用して、評価者間のばらつきを減らし、テストの有効性を向上させます。しかし、これにより天井効果が生じ、軽度^{の動きに障害}を持つ可能性のある被験者の感度と予測妥当性が低下する^9,10。さらに、これらの臨床検査では、欠損が受動的な身体力学によって引き起こされているのか、それとも能動的な筋肉協調によって引き起こされているのかを区別することはできません。これは、初期診断や患者固有のリハビリテーション計画を設計する際に重要になる可能性があります。無作為化臨床試験では、これらの臨床試験11,12,13によって提供される証拠に基づいて策定された治療計画の有効性に一貫性がないことが明らかになりました。いくつかの研究では、将来の介入の設計を導くために使用できる定量的でユーザーフレンドリーな臨床指標の必要性が強調されています^14,15。

以前の研究では、脳卒中後の腕の障害において、すぐに利用できる消費者向けモーションキャプチャデバイスを使用した自動動作評価の実装と、乳がん患者の胸部手術後の肩の機能の評価を実証しました^16,17。さらに、特定の活動的な動きの筋肉のモーメントを推定するためにアクティブな関節モーメントを使用することは、関節角度¹⁸と比較して、脳卒中後の運動障害のより感度の高い尺度であることを示しました。したがって、モーションキャプチャと表面筋電図検査(EMG)は、標準的な臨床検査で無症候性と診断されたが、まだ運動困難、疲労、または痛みを経験している可能性のある患者の評価において非常に重要である可能性があります。この論文では、運動障害のある患者集団における在宅評価とリハビリテーションの方法の将来の開発のために、標準的な臨床検査中の運動の詳細かつ定量的な特性評価を可能にする可能性のあるシステムについて説明します。

バーチャルリアリティ(VR)は、日常のタスクをモデル化しながら、没入感のあるユーザー体験を構築するために使用できます。通常、VR システムはユーザーの手の動きを追跡して、仮想環境とのシミュレートされたインタラクションを可能にします。ここで説明するプロトコルは、脳卒中または肩の手術後の障害の定量的評価における既製のビデオゲームコントローラーの使用を実証する他の研究と同様に、モーションキャプチャ用の消費者向けVR製品を使用して運動障害の評価を定量化する^16,17。さらに、EMGは、筋肉収縮の根底にある神経活動の非侵襲的な尺度^である19。そのため、EMGは、運動の神経制御の質を間接的に評価し、運動機能の詳細な評価を提供するために使用できます。筋電図や神経の損傷はEMGによって検出される可能性があり、筋ジストロフィーや脳性麻痺などの障害は、この手法を使用して一般的に監視されます^20,21。さらに、筋電図は、運動学的評価^22,23では明らかではないかもしれない筋力または痙縮の変化、ならびに疲労および筋肉の共活性化を追跡するために使用され得る。このような指標は、リハビリテーションの進行状況23,24,25を考慮する上で重要です。

ここで説明する実験パラダイムは、VRとEMGの組み合わせを活用して、従来の臨床評価ツールの限界に対処しようとしています。ここでは、参加者は、実際のオブジェクトとVRを使用して、修正されたボックスアンドブロックタスク(BBT)²⁶ を実行するように求められました。標準 BBT は、肉眼的上肢機能の一般的な評価に使用される臨床ツールであり、被験者は 1 つのコンパートメントからパーティションを越えて、隣接するコンパートメントにできるだけ多くの 2.5 cm ブロックを 1 分以内に移動するように求められます。脳卒中やその他の神経筋疾患(上肢麻痺、痙性片麻痺など)の患者の欠損を確実に評価するためによく使用されますが、6〜89歳の健康な子供や大人についても規範的なデータが報告され^{ています。}仮想動作評価は、実生活で実施された検証済みの臨床テストの機能的側面をシミュレートするために使用されます。ここでは、VRを使用して必要なハードウェアを減らしながら、標準化された命令とプログラムされた自動スコアリングの提供を可能にします。そのため、訓練を受けた専門家による継続的な監督はもはや必要ありません。

この研究のBBTは、同じ場所に現れる一度に1つのブロックの到達と把持を捉えることに焦点を当てるために簡略化されています。これにより、動きの再現性が最大化され、記録されたデータの被験者間のばらつきが最小限に抑えられました。最後に、バーチャルリアリティヘッドセットはわずか300ドルで購入でき、複数の評価を収容できる可能性があります。プログラム化すれば、一般的な専門家による評価に関連するコストが大幅に削減され、臨床およびリモート/在宅環境の両方で、これらの標準的で検証済みの臨床検査へのアクセス性を高めることができます。