Summary

Configuração para a avaliação quantitativa do movimento e da atividade muscular durante um teste virtual modificado de caixa e bloco

Published: January 12, 2024
doi:

Summary

O protocolo aqui descrito visa aprimorar a avaliação quantitativa dos déficits dos membros superiores, com o objetivo de desenvolver tecnologia adicional para avaliação remota tanto na clínica quanto no domicílio. As tecnologias de realidade virtual e biossensores são combinadas com técnicas clínicas padrão para fornecer informações sobre o funcionamento do sistema neuromuscular.

Abstract

A capacidade de nos movermos nos permite interagir com o mundo. Quando essa habilidade é prejudicada, pode reduzir significativamente a qualidade de vida e a independência de uma pessoa e pode levar a complicações. A importância da avaliação e reabilitação remota de pacientes cresceu recentemente devido ao acesso limitado a serviços presenciais. Por exemplo, a pandemia de COVID-19 resultou inesperadamente em regulamentações rígidas, reduzindo o acesso a serviços de saúde não emergentes. Além disso, o atendimento remoto oferece uma oportunidade de abordar as disparidades de saúde em áreas rurais, carentes e de baixa renda, onde o acesso aos serviços permanece limitado.

Melhorar a acessibilidade por meio de opções de atendimento remoto limitaria o número de visitas hospitalares ou especializadas e tornaria os cuidados de rotina mais acessíveis. Finalmente, o uso de eletrônicos de consumo comerciais prontamente disponíveis para atendimento domiciliar pode melhorar os resultados dos pacientes devido à melhor observação quantitativa dos sintomas, eficácia do tratamento e dosagem da terapia. Embora o atendimento remoto seja um meio promissor de abordar essas questões, há uma necessidade crucial de caracterizar quantitativamente o comprometimento motor para tais aplicações. O protocolo a seguir procura abordar essa lacuna de conhecimento para permitir que médicos e pesquisadores obtenham dados de alta resolução sobre movimentos complexos e atividade muscular subjacente. O objetivo final é desenvolver um protocolo para administração remota de testes clínicos funcionais.

Aqui, os participantes foram instruídos a realizar uma tarefa Box and Block (BBT) de inspiração médica, que é frequentemente usada para avaliar a função da mão. Esta tarefa exige que os sujeitos transportem cubos padronizados entre dois compartimentos separados por uma barreira. Implementamos um BBT modificado em realidade virtual para demonstrar o potencial de desenvolvimento de protocolos de avaliação remota. A ativação muscular foi capturada para cada sujeito usando eletromiografia de superfície. Esse protocolo permitiu a aquisição de dados de alta qualidade para melhor caracterizar o comprometimento do movimento de maneira detalhada e quantitativa. Em última análise, esses dados têm o potencial de serem usados para desenvolver protocolos para reabilitação virtual e monitoramento remoto de pacientes.

Introduction

O movimento é como interagimos com o mundo. Embora as atividades cotidianas, como pegar um copo d’água ou caminhar para o trabalho, possam parecer simples, mesmo esses movimentos dependem de sinalização complexa entre o sistema nervoso central, músculos emembros. Como tal, a independência pessoal e a qualidade de vida estão altamente correlacionadas ao nível de função dos membros de um indivíduo 2,3. Danos neurológicos, como na lesão medular (LM) ou lesão de nervos periféricos, podem resultar em déficits motores permanentes, diminuindo assim a capacidade de executar até mesmo atividades simples da vida diária 4,5. De acordo com o Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, mais de 100 milhões de pessoas nos Estados Unidos apresentam déficits motores, sendo o AVC uma das principais causas 6,7,8. Devido à natureza dessas lesões, os pacientes geralmente requerem cuidados prolongados nos quais a avaliação motora quantitativa e o tratamento remoto podem ser benéficos.

As práticas atuais para o tratamento de distúrbios do movimento geralmente exigem avaliação clínica inicial e contínua da função por meio da observação por especialistas treinados, como fisioterapeutas ou terapeutas ocupacionais. Os testes clínicos validados padrão geralmente exigem profissionais treinados para administrá-los, com restrições de tempo específicas e pontuação subjetiva de movimentos ou tarefas funcionais predefinidas. No entanto, mesmo em indivíduos saudáveis, movimentos idênticos podem ser realizados com combinações variadas de ângulos articulares. Este conceito é denominado redundância musculoesquelética.

Os testes clínicos funcionais muitas vezes não levam em conta a redundância individual subjacente à variabilidade entre os sujeitos. Para médicos e pesquisadores, distinguir entre variabilidade normal causada por redundância e alterações patológicas no movimento continua sendo um desafio. Avaliações clínicas padronizadas realizadas por avaliadores bem treinados utilizam sistemas de pontuação de baixa resolução para reduzir a variabilidade entre avaliadores e melhorar a validade do teste. No entanto, isso introduz efeitos teto, diminuindo a sensibilidade e a validade preditiva para indivíduos que podem ter déficits leves de movimento 9,10. Além disso, esses testes clínicos não podem diferenciar se os déficits são causados pela mecânica corporal passiva ou coordenação muscular ativa, o que pode ser importante durante o diagnóstico inicial e ao projetar um plano de reabilitação específico para o paciente. Ensaios clínicos randomizados revelaram eficácia inconsistente de planos de tratamento formulados com base em evidências fornecidas por esses testes clínicos 11,12,13. Vários estudos enfatizaram a necessidade de métricas clínicas quantitativas e fáceis de usar que possam ser usadas para orientar o desenho de intervenções futuras14,15.

Em estudos anteriores, demonstramos a implementação da avaliação automatizada do movimento usando dispositivos de captura de movimento do consumidor prontamente disponíveis no comprometimento do braço pós-AVC, bem como a avaliação da função do ombro após cirurgia torácica em pacientes com câncer de mama16,17. Além disso, mostramos que o uso de momentos articulares ativos para estimar momentos musculares de movimentos ativos específicos é uma medida mais sensível de déficits motores após AVC em comparação com ângulos articulares18. A captura de movimento e a eletromiografia de superfície (EMG) podem, portanto, ser de importância crítica na avaliação de pacientes diagnosticados como assintomáticos por testes clínicos padrão, mas que ainda podem estar apresentando dificuldades de movimento, fadiga ou dor. Este artigo descreve um sistema que pode permitir a caracterização detalhada e quantitativa do movimento durante testes clínicos padrão para o desenvolvimento futuro de métodos para avaliação e reabilitação em casa em populações de pacientes com deficiência motora.

A realidade virtual (VR) pode ser usada para construir uma experiência de usuário imersiva enquanto modela tarefas diárias. Normalmente, os sistemas de RV rastreiam os movimentos das mãos do usuário para permitir interações simuladas com o ambiente virtual. O protocolo que descrevemos aqui usa produtos de RV de consumo para captura de movimento para quantificar a avaliação de déficits motores, semelhante a outros estudos que demonstram o uso de controladores de videogame prontos para uso na avaliação quantitativa do comprometimento após acidente vascular cerebral ou cirurgia no ombro16,17. Além disso, a EMG é uma medida não invasiva da atividade neural subjacente à contração muscular19. Como tal, a EMG pode ser usada para avaliar indiretamente a qualidade do controle neural do movimento e fornecer uma avaliação detalhada da função motora. Danos musculares e nervosos podem ser detectados pela EMG, e distúrbios como distrofia muscular e paralisia cerebral são comumente monitorados por essa técnica20,21. Além disso, a EMG pode ser usada para rastrear alterações na força muscular ou espasticidade, o que pode não ser evidente nas avaliações cinemáticas22,23, bem como fadiga e coativação muscular. Métricas como essas são críticas para considerar o progresso da reabilitação 23,24,25.

O paradigma experimental descrito aqui busca alavancar uma combinação de RV e EMG para abordar as limitações das ferramentas tradicionais de avaliação clínica. Aqui, os participantes foram solicitados a realizar uma tarefa de Caixa e Bloco modificada (BBT)26 usando objetos reais e em RV. A TCB padrão é uma ferramenta clínica usada na avaliação geral da função macroscópica dos membros superiores, na qual os indivíduos são solicitados a mover o maior número possível de blocos de 2,5 cm de um compartimento, sobre uma partição, para um compartimento adjacente em um minuto. Embora frequentemente usado para avaliar de forma confiável os déficits em pacientes com acidente vascular cerebral ou outras condições neuromusculares (por exemplo, paresia dos membros superiores, hemiplegia espástica), dados normativos também foram relatados para crianças e adultos saudáveis, com idades entre 6 e 89anos 26. Uma avaliação virtual do movimento é usada para simular aspectos funcionais do teste clínico validado realizado na vida real. A RV é usada aqui para diminuir o hardware necessário, permitindo o fornecimento de instruções padronizadas e pontuação programada e automatizada. Dessa forma, a supervisão constante por profissionais treinados não seria mais necessária.

O BBT neste estudo foi simplificado para se concentrar em capturar o alcance e a preensão de um bloco de cada vez que aparece no mesmo local. Isso maximizou a reprodutibilidade dos movimentos e minimizou a variabilidade intersujeito nos dados registrados. Por fim, os fones de ouvido de realidade virtual podem ser adquiridos por apenas US$ 300 e têm o potencial de abrigar várias avaliações. Uma vez programado, isso diminuiria significativamente o custo associado à avaliação profissional típica e permitiria maior acessibilidade desses testes clínicos padrão e validados em ambientes clínicos e remotos/domésticos.

Protocol

Os procedimentos experimentais foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional da West Virginia University (IRB), protocolo # 1311129283, e aderiram aos princípios da Declaração de Helsinque. Os riscos deste protocolo são menores, mas é necessário explicar todos os procedimentos e riscos potenciais para os participantes e o consentimento informado por escrito foi adquirido com documentação aprovada pelo conselho de ética institucional. 1. Características e design do sis…

Representative Results

Os dados de EMG, cinemática e força obtidos de indivíduos que usam este protocolo podem ser usados para caracterizar movimentos em repetições da mesma tarefa, bem como durante diferentes tarefas. Os dados mostrados aqui representam resultados de participantes de controle saudáveis para demonstrar a viabilidade dessa configuração. Perfis EMG representativos registrados de um indivíduo saudável realizando a TCB modificada em RV são mostrados na Figura 3. Pode-se observar alta ativa?…

Discussion

Sistema EMG
O hardware do sistema EMG consiste em 15 sensores EMG usados para obter dados de ativação muscular. Uma Interface de Programação de Aplicativos (API) disponível comercialmente foi usada para gerar um software de gravação EMG personalizado. O hardware do sistema de RV consiste em um fone de ouvido de realidade virtual usado para exibir o ambiente imersivo de RV e um cabo para conectar o fone de ouvido ao computador dedicado onde a tarefa de avaliação virtual está armazenada. O sof…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pelo Gabinete do Secretário Adjunto de Defesa para Assuntos de Saúde por meio do Programa de Pesquisa de Restauração de Combatentes com Lesões Neuromusculoesqueléticas (RESTORE) sob o Prêmio nº W81XWH-21-1-0138. Opiniões, interpretações, conclusões e recomendações são de responsabilidade dos autores e não são necessariamente endossadas pelo Departamento de Defesa.

Materials

Armless Chair N/A A chair for subjects to sit in should be armless so that their arms are not interfered with.
Computer Dell Technologies Three computers were used to accompany the data acquisition equipment.
Leap Motion Controller Ultraleap Optical hand tracking module that captures the hand and finger movement. The controller has two 640 x 240-pixel near-infrared cameras (120 Hz), which are capable of tracking movement up to 60 cm from the device and in a 140 x 120° field of view. This device was attached to the VR headset or secured above the head during movement.
MATLAB MathWorks, Inc.  Programming platform used to develop custom data acquisition software
Oculus Quest 2 Meta Immersive virtual reality headset equipped with hand tracking ability through 4 infrared build-in cameras (72-120 Hz). Can be substituted with other similar devices (ex. HTC Vive, HP Reverb, Playstation VR).
Oculus Quest 2 Link cable Meta Used to connect the headset to the computer where the VR game was stored
PhaseSpace Motion Capture PhaseSpace, Inc. Markered motion capture system, consisting of a server, cameras with 60° field of view, red light emitting diode (LED) as markers, and a calibration object
Trigno Wireless System Delsys, Inc. By Delsys Inc., includes EMG, accelerometer, force sensors, a base station, and collection software. The Trigno-MATLAB Application Programming Interface (API) was used to develop custom recording software.
UnReal Engine 4 Epic Games Software used to create and run the modified Box and Block Task in VR

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Taitano, R. I., Yough, M. G., Hanna, K., Korol, A. S., Gritsenko, V. Setup for the Quantitative Assessment of Motion and Muscle Activity During a Virtual Modified Box and Block Test. J. Vis. Exp. (203), e65736, doi:10.3791/65736 (2024).

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