Установка для количественной оценки движений и мышечной активности во время виртуального модифицированного бокс-теста и теста Block

Движение – это то, как мы взаимодействуем с миром. В то время как повседневные действия, такие как поднятие стакана воды или прогулка на работу, могут показаться простыми, даже эти движения основаны на сложной передаче сигналов между центральной нервной системой,^{мышцами и} конечностями. Таким образом, личная независимость и качество жизни сильно коррелируют с уровнем функции конечностей человека ^2,3. Неврологические повреждения, такие как травма спинного мозга (ТСМ) или повреждение периферических нервов, могут привести к постоянному двигательному дефициту, тем самым снижая способность выполнять даже простые повседневные действия ^4,5. По данным Национального института неврологических расстройств и инсульта, более 100 миллионов человек в Соединенных Штатах испытывают двигательный дефицит, причем инсульт является одной из ведущих причин ^6,7,8. Из-за характера этих травм пациенты часто нуждаются в длительном уходе, при котором количественная оценка моторики и дистанционное лечение могут быть полезными.

Современные методы лечения двигательных расстройств часто требуют как первоначальной, так и постоянной клинической оценки функции путем наблюдения со стороны обученных экспертов, таких как физиотерапевты или эрготерапевты. Стандартные валидированные клинические тесты часто требуют проведения обученных специалистов с определенными временными ограничениями и субъективной оценкой заранее определенных движений или функциональных задач. Тем не менее, даже у здоровых людей идентичные движения могут быть выполнены с различными комбинациями углов суставов. Эта концепция называется скелетно-мышечной избыточностью.

Функциональные клинические тесты часто не учитывают индивидуальную избыточность, лежащую в основе межсубъектной вариабельности. Как для клиницистов, так и для исследователей различие между нормальной изменчивостью, вызванной избыточностью, и патологическими изменениями в движении остается проблемой. Стандартизированные клинические оценки, проводимые хорошо обученными оценщиками, используют системы оценки с низким разрешением, чтобы снизить вариабельность между оценщиками и повысить валидность тестов. Тем не менее, это приводит к потолочным эффектам, тем самым снижая чувствительность и прогностическую валидность для субъектов, которые могут иметь умеренный двигательный дефицит ^9,10. Кроме того, эти клинические тесты не могут дифференцировать, вызваны ли дефицит пассивной механикой тела или активной координацией мышц, что может иметь значение при первичной диагностике и при разработке индивидуального плана реабилитации пациента. Рандомизированные клинические испытания выявили противоречивую эффективность планов лечения, сформулированных на основе данных, полученных в результате этих клинических тестов 11,12,13. В нескольких исследованиях подчеркивается необходимость количественных, удобных для пользователя клинических показателей, которые могут быть использованы для руководства разработкой будущих вмешательств^14,15.

В предыдущих исследованиях мы продемонстрировали реализацию автоматизированной оценки движений с использованием легкодоступных потребительских устройств захвата движений при постинсультном нарушении плеча, а также оценку функции плеча после операции на грудной клетке у пациентов с раком молочной железы^16,17. Кроме того, мы показали, что использование активных моментов в суставах для оценки мышечных моментов конкретных активных движений является более чувствительной мерой двигательного дефицита после инсульта по сравнению с углами суставов¹⁸. Таким образом, захват движения и поверхностная электромиография (ЭМГ) могут иметь решающее значение для оценки пациентов, у которых по стандартным клиническим тестам диагностировано бессимптомное, но которые все еще могут испытывать трудности с движением, усталость или боль. В данной статье описывается система, которая может обеспечить детальную и количественную характеристику движений во время стандартных клинических испытаний для будущей разработки методов оценки и реабилитации в домашних условиях у пациентов с нарушениями движения.

Виртуальную реальность (VR) можно использовать для создания иммерсивного пользовательского опыта при моделировании повседневных задач. Как правило, системы виртуальной реальности отслеживают движения рук пользователя, чтобы смоделировать взаимодействие с виртуальной средой. В протоколе, который мы описываем здесь, используются потребительские продукты виртуальной реальности для захвата движения для количественной оценки двигательного дефицита, аналогично другим исследованиям, демонстрирующим использование готовых контроллеров видеоигр для количественной оценки нарушений после инсульта или операции на плече^16,17. Кроме того, ЭМГ является неинвазивной мерой нейронной активности, лежащей в основе мышечного сокращения¹⁹. Таким образом, ЭМГ может быть использована для косвенной оценки качества нейронного контроля движения и обеспечения детальной оценки двигательной функции. Повреждение мышц и нервов может быть обнаружено с помощью ЭМГ, а такие расстройства, как мышечная дистрофия и церебральный паралич, обычно контролируются с помощью этой техники^20,21. Кроме того, ЭМГ может быть использована для отслеживания изменений мышечной силы или спастичности, которые могут не проявляться при кинематических оценках^22,23, а также усталости и коактивации мышц. Такие показатели имеют решающее значение при рассмотрении прогресса реабилитации 23,24,25.

Описанная здесь экспериментальная парадигма направлена на использование комбинации виртуальной реальности и ЭМГ для устранения ограничений традиционных инструментов клинической оценки. Здесь участникам было предложено выполнить модифицированную задачу «Коробка и блок» (BBT)²⁶ с использованием реальных объектов и в виртуальной реальности. Стандартная БТТ является клиническим инструментом, используемым для общей оценки грубой функции верхних конечностей, при которой испытуемым предлагается переместить как можно больше блоков по 2,5 см из одного отсека через перегородку в соседний отсек в течение одной минуты. Несмотря на то, что нормативные данные часто используются для надежной оценки дефицита у пациентов с инсультом или другими нервно-мышечными заболеваниями (например, парезом верхних конечностей, спастической гемиплегией), они также были представлены для здоровых детей и взрослых в возрасте от 6 до 89^лет. Виртуальная оценка движений используется для моделирования функциональных аспектов валидированного клинического теста, проводимого в реальной жизни. Виртуальная реальность используется здесь для уменьшения требуемого оборудования, позволяя при этом предоставлять стандартизированные инструкции и запрограммированный, автоматизированный подсчет очков. Таким образом, больше не будет необходимости в постоянном контроле со стороны обученных специалистов.

ББТ в этом исследовании была упрощена, чтобы сосредоточиться на захвате и захвате одного блока за раз, который появляется в одном и том же месте. Это максимизировало воспроизводимость движений и свело к минимуму межсубъектную вариабельность записанных данных. Наконец, гарнитуры виртуальной реальности можно приобрести всего за 300 долларов, и они могут вместить несколько оценок. После программирования это значительно снизит затраты, связанные с типичной профессиональной оценкой, и обеспечит более широкую доступность этих стандартных, валидированных клинических тестов как в клинических, так и в удаленных/домашних условиях.