تقييم كمي للقدرات الحركية الإجمالية للرضيع باستخدام جهاز متعدد أجهزة الاستشعار يمكن ارتداؤه
Summary
توضح هذه الورقة تقييم الأداء الحركي الإجمالي للرضع من خلال جهاز متعدد المستشعرات يمكن ارتداؤه وخط أنابيب التحليل القائم على التعلم العميق المؤتمت بالكامل. تحدد الطريقة أنماط الموقف والحركة للرضع من الاستلقاء حتى يتقنوا المشي بشكل مستقل.
Abstract
يعد تطوير طرق موضوعية وكمية للتقييم الحركي الإجمالي المبكر أمرا ضروريا لفهم النمو العصبي بشكل أفضل ودعم التدخلات العلاجية المبكرة. هنا ، نقدم طريقة لقياس الأداء الحركي الإجمالي باستخدام جهاز متعدد المستشعرات يمكن ارتداؤه ، MAIJU (تقييم الحركة للرضع باستخدام بدلة JUmpsuit) ، والذي يقدم تقييما آليا وقابلا للتطوير وكميا وموضوعيا باستخدام خط أنابيب مؤتمت بالكامل قائم على السحابة. تم تجهيز هذه البدلة القابلة للارتداء بأربعة مستشعرات للحركة تسجل البيانات المتزامنة على الهاتف المحمول باستخدام اتصال Bluetooth منخفض الطاقة. يؤدي التحليل غير المتصل في الخادم السحابي إلى إنشاء نتائج تم تحليلها بالكامل في غضون دقائق لكل تسجيل. تتضمن هذه النتائج تقريرا رسوميا لجلسة التسجيل ومصفوفة نتائج مفصلة تعطي تصنيفات ثانية بثانية للوضعية والحركة وحمل الرضع ووقت اللعب الحر. تظهر نتائجنا الأخيرة فضيلة مثل هذا التقييم الحركي الكمي الذي يوفر طريقة فعالة محتملة لتمييز الاختلافات في النمو الحركي الإجمالي للرضيع.
Introduction
يعد التطور الحركي الإجمالي المبكر ضروريا للأداء المعرفي العصبي عالي المستوى الذي يظهر لاحقا من خلال دعم استكشاف الرضع للبيئة. لذلك ، فإن الأطباء والباحثين على حد سواء لديهم اهتمام كبير بتقييم التطور الحركي الإجمالي المبكر1،2،3. لتقديم الدعم للطب القائم على الأدلة أو الدراسات العلمية ، من الضروري أن تكون التقييمات الحركية الإجمالية كمية وموثوقة وموضوعية وصالحة بيئيا. ومع ذلك ، هناك ندرة في هذه الأساليب المتاحة إما للبحوث العلمية السريرية أو الأساسية.
يتقدم التطور الحركي الإجمالي المبكر النموذجي من خلال تسلسل يمكن التنبؤ به من المهارات المكتسبة حديثا. يتم ملاحظتها بشكل شائع عند الرضع على أنها تصل إلى معالم حركية منفصلة4 ، حيث غالبا ما يعتبر الوقوف والمشي معالم مهمة في طريقها إلى ذخيرة سلوكية أكثر تعقيدا5. بالإضافة إلى الملاحظة المباشرة أو المسوحات الأبوية حول المعالم الحركية ، تم تطوير العديد من البطاريات القياسية المستخدمة على نطاق واسع6،7،8،9 لإجراء تقييمات الرضع في بيئة المختبر أو المستشفى. ومع ذلك ، فإن هذه التقييمات تعاني من محاذير متعددة: فهي تحتاج إلى خبرة كبيرة من المهنيين المدربين ، وهي ذاتية وقاطعة جزئيا ، وتقيم أداء الرضع في بيئة (مستشفى أو مختبر) غير طبيعية من منظور الرضع.
يتيح تسجيل النشاط الحركي التلقائي للرضع على مدى فترات أطول في البيئة الأصلية ، مثل منزلهم ، مقاييس أكثر صلة بالقدرات الحركية. في إحدى هذه الطرق الممكنة ، يتم إجراء التقييم للتسلسل الكامل لتطور القدرة الحركية للرضيع من الاستلقاء إلى المشي بطلاقة باستخدام نظام يمكن ارتداؤه ، مثل MAIJU القابل للارتداء (التقييم الحركي للرضع باستخدام بدلة JUmpsuit)10،11،12. يتضمن نظام MAIJU القابل للارتداء (الشكل 1) ثوبا نسيجيا لكامل الجسم مزودا بأجهزة استشعار للحركة للسماح بإجراء تقييمات وتسجيلات خارج المستشفى / المختبر دون إشراف يتم تحليلها باستخدام خط أنابيب آلي ، مما يوفر تقييما ثانيا بثانية لأنماط الموقف والحركة. يمكن استخدام هذه الاكتشافات الخوارزمية لكل وضعية ونوع حركة على حدة ، أو يمكن دمجها لإجراء تقييم شامل للمستوى العقلاني للقدرات الحركية للرضيع. التعبير المنشور مؤخرا والخالي من الوحدة لمقياس النضج الحركي هذا هو BIMS (Baba Infant Motor Score)10,12.
سوف تصف هذه المقالة تقييم الأداء الحركي الإجمالي للرضع باستخدام بدلة متعددة أجهزة الاستشعار يمكن ارتداؤها. الأساس المنطقي والأداء العملي وخط أنابيب التحليل والمنظورات المستقبلية المحتملة لاستخدام المقاييس التي يمكن الحصول عليها من خط أنابيب التحليل الآلي المتاح للتسجيلات باستخدام جهاز متعدد المستشعرات يمكن ارتداؤه10،11،12. هذه الطريقة مناسبة للقياس الكمي التفصيلي للأنشطة الحركية الإجمالية التلقائية في جميع الرضع الذين يظهرون قدرات حركية بين الاستلقاء والمشي بطلاقة.
يتكون النظام القابل للارتداء متعدد المستشعرات من ثلاثة مكونات: 1) الثوب العام لكامل الجسم المجهز بأربعة مستشعرات للحركة ، 2) جهاز محمول يستخدم تطبيق iOS مصمم خصيصا ، و 3) خط أنابيب تحليل قائم على السحابة (Babacloud يمكن الحصول على بيانات الاعتماد الخاصة به من المؤلفين)11. تقوم مستشعرات وحدة القياس بالقصور الذاتي المقاومة للماء (IMU) ببث البيانات المتزامنة (مقياس التسارع ثلاثي المحاور والجيروسكوب) بتردد أخذ عينات 13-52 هرتز إلى هاتف محمول باستخدام اتصال Bluetooth منخفض الطاقة. يتم تخزين البيانات في البداية في ذاكرة (المستشعر أو) الجهاز المحمول ، متبوعا بتحليل غير متصل بالإنترنت في الخادم السحابي بعد إيقاف التسجيل.
Protocol
Representative Results
Discussion
يعد التقييم الكمي والتتبع التنموي للأداء الحركي للرضع باستخدام حل يمكن ارتداؤه ، مثل MAIJU ، أمرا بسيطا من الناحية الفنية للتعلم والأداء ، ويمكن تنفيذه بسهولة في الرعاية الصحية أو ممارسة البحث السريري10،11،12. بالمقارنة مع طرق التقييم الحركي الأخرى الموجودة ، فإن هذا النوع من التسجيل في المنزل للنشاط الحركي التلقائي للرضع يحسن الصلاحية البيئية للتقييم. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر تحليلا كميا وشفافا ومؤتمتا بالكامل للأداء الحركي للرضع. الأهم من ذلك ، أن المقاييس المستخدمة في التحليل بديهية وقابلة للتفسير ، مما يتيح مقارنتها بسهولة مع التقييمات السريرية والبحثية الأخرى ، مثل العوامل البيئية أو التطور المعرفي أو التقييمات النفسية الاجتماعية. يوفر التقييم الشامل للتطور الحركي دقة تقارن جيدا بمقاييس النمو البدني التقليدية12.
تشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول الإعداد الدقيق للبدلة القابلة للارتداء. عند التحضير للتسجيل ، يعد اختيار الحجم الصحيح للبدلة أمرا بالغ الأهمية ، حيث يلزم وجود مرفقات المستشعر في الأكمام والساقين للجلوس بإحكام للحصول على تسجيل موثوق لحركات الجسم. أيضا ، من أجل تسجيل ناجح ، من الضروري وضع المستشعرات في الجيوب بالاتجاه الصحيح ، كما هو موضح في البروتوكول. لن تسمح حوامل المستشعر بتدوير المستشعرات أثناء التسجيل. ومع ذلك ، يسجل المستشعر الموجه بشكل غير صحيح البيانات التي يصعب إصلاحها ، إن لم يكن من المستحيل ، إصلاحها بعد ذلك. يجب تشجيع الرضيع على التحرك بحرية واستقلالية أثناء التسجيل. قد يختلف طول التسجيل وفقا لأسئلة الدراسة المحددة. يتم دمج عصور الحركة التلقائية المتعددة لتجميع حركة تلقائية كافية لكل جلسة تسجيل.
يسمح التشغيل المرن والعملي لحل MAIJU القابل للارتداء باستخدامه في سياقات متغيرة في كل من الإعدادات الخاضعة للإشراف وغير الخاضعة للإشراف ، مثل مختبرات الأبحاث أو المنازل. تظهر النتائج الحديثة من تجاربنا السريرية أن التسجيلات غير الخاضعة للإشراف بالكامل التي يتم إجراؤها في المنزل قد توفر نتائج مماثلة مع التسجيلات التي تتم تحت إشراف كامل أو جزئي12. ومع ذلك ، من المحتمل أن يتأثر السلوك الحركي التلقائي للطفل بعدة عوامل ، مثل البيئة المحيطة (على سبيل المثال ، اللعب في الخارج مقابل الداخل ، وتخطيط المساحة ، والأثاث ، والألعاب) ، ومستوى يقظة الطفل ، ومشاركة الوالدين أثناء التسجيل المنزلي. عندما يتم إجراء التسجيلات في أماكن غير خاضعة للإشراف في المنزل ، من المهم تشجيع الطفل على اللعب بشكل عفوي ، أي اللعب أو التحرك بشكل مستقل ، دون أن يحمل شخص آخر الطفل أو يحمله إذا لم يكن ذلك ضروريا ، والحفاظ على تسجيل الهاتف المحمول في نطاق Bluetooth (في نفس الغرفة)10. تحدث غالبية حالات استكشاف الأخطاء وإصلاحها الحالية أثناء التسجيلات بسبب فقدان اتصال Bluetooth. ستعمل التطورات المستقبلية في تكنولوجيا المستشعر على تحسين اتصال Bluetooth ، وسيسمح الإدخال القادم لذاكرة مستشعر أكبر بالتسجيل في وضع عدم الاتصال عن طريق تخزين بيانات الحركة مباشرة في ذاكرة المستشعر.
التسجيلات خارج المستشفى مع حل يمكن ارتداؤه من هذا النوع قابلة للتطوير بسهولة وقد تحسن سلامة الرضع ، على سبيل المثال ، من خلال تمكين المراقبة عن بعد أثناء ظروف مثل الوباء. تم تدريب خوارزميات المصنف الحالية لدينا للتعرف على وجه التحديد على القدرات الحركية والمواقف والحركات الموضحة في مخطط وصف الحركة (الشكل 2 أ). تم تحديد هذه الظواهر على أنها سمة من سمات حركة الرضع خلال العامين الأولين من الحياة. ستتطلب الأنواع الأخرى من الحركات أو المواقف التي تظهر عند الأطفال الأكبر سنا ، مثل الجري أو القفز ، مخططات وصف الحركة المعدلة والخوارزميات ذات الصلة ليتم تدريبها على التعرف عليها. التحليل المعتمد على سياق الموقف هو نهج مثمر محتمل حيث يتم تحليل النشاط الحركي للرضيع بشكل منفصل في أوضاع مختلفة لدعم الدراسة ، على سبيل المثال ، الارتباطات التنموية لسلوك الرضيع5،6،7،8،9،13. بدلا من ذلك ، يمكن أن يدعم تحليل الحركة المعتمد على السياق أيضا تقييم عدم التماثل في الوظيفة الحركية عند التنبؤ بتطور الشلل الدماغي أحادي الجانب10،12،14،15. علاوة على ذلك ، يمكن دمج تقييم القدرات الحركية باستخدام نظام MAIJU مع طرق الدراسة الأخرى ، على سبيل المثال ، تتبع العين أو التصوير أو تسجيل الفيديو ، لتوفير بيانات متعددة الوسائط ، تمتد إلى أنواع وسياقات مختلفة. قد تكون البيانات متعددة الوسائط مفيدة ، على سبيل المثال ، في تقييم آثار التفاعل الاجتماعي أو فعالية التدخل العلاجي.
من أجل نجاح التقنيات الجديدة القابلة للارتداء في بيئات المراقبة خارج المستشفى مع الرضع ، يجب معالجة بعض القيود والتحديات والمخاوف الأخلاقية. تم تدريب خطوط أنابيب التحليل الخاصة بنا والتحقق من صحتها باستخدام الرضع الذين يتطورون عادة في فنلندا10،11،12. يجب أن تكون مخرجات التحليل الخام مع المواقف والحركات النقية عالمية. ومع ذلك ، قد تتطلب مساراتها التنموية تعديلات للثقافات والمواقع الجغرافية المتنوعة. وفقا لتعليقات الوالدين فيما يتعلق بالأجهزة القابلة للارتداء ، يتم النظر إليها بشكل إيجابي بسبب ملاءمة الرضع16. ومع ذلك ، قد يثير الآباء مخاوف بشأن الخصوصية والوصول إلى البيانات والجوانب العملية للأسرة (على سبيل المثال ، العديد من مقدمي الرعاية والزوار والجداول الزمنية المختلفة). يمكن اعتبار الاعتماد على عمر بطارية المستشعرات وهاتف التسجيل قيدا على الطريقة. في تجربتنا ، يستمر طراز البطارية (CR2025) عادة ليوم كامل (12-24 ساعة) عند استخدام تدفق البيانات المستمر. والجدير بالذكر أن ذلك يعتمد على كل من العلامة التجارية للبطارية وقوة اتصال Bluetooth اللازم لنقل البيانات لاسلكيا ، والذي يتغير باستمرار لزيادة نقل البيانات في بيئة التسجيل. على سبيل المثال ، من شأن المسافة الطويلة بين الرضيع والهاتف أو الجدار بينهما ضبط اتصال Bluetooth على استهلاك بطارية أعلى بكثير. والجدير بالذكر أن بطاريات معظم الأجهزة المحمولة يتم استنزافها أيضا في نفس الوقت تقريبا في حالة استخدام تدفق Bluetooth المستمر. من الناحية العملية ، يشير تدفق البيانات المستمر المستخدم حاليا عبر اتصال Bluetooth إلى أن كلا من المستشعرات والأجهزة المحمولة تحتاج إلى إعادة شحن / استبدال البطارية يوميا. سيسمح إدخال أجهزة الاستشعار ذات سعة الذاكرة الأكبر في المستقبل القريب بتخزين البيانات في ذاكرة المستشعر ، مما يدعم أكثر من أسبوع من التسجيل المستمر. سيؤدي ذلك إلى إزالة الحاجة إلى بث Bluetooth المستهلك للطاقة ، بالإضافة إلى حمل الهاتف ضمن نطاق Bluetooth الذي قد ينظر إليه على أنه مقيد في مواقف التسجيل وعرضة للخطأ البشري.
بشكل عام ، يحتاج تتبع النمو العصبي المبكر إلى طرق حساسة للتغيرات السلوكية العصبية الطبيعية. التطور الحركي الإجمالي هو عملية معقدة تتكون من اختلافات في الترتيب والتوقيت ، على المستويين الفرديوالثقافي 4. يعد اكتشاف التطور الحركي غير النمطي فعالا في التعرف على الرضع المعرضين لخطر الإصابة بمجموعة واسعة من اضطرابات النمو العصبي. يتم إجراء بطاريات الاختبار التقليدية مع تقييمات النمو العصبي الموحدة في بيئات خاضعة للرقابة ، مثل المستشفيات ، وهي ذاتية جزئياعلى الأقل 7،8،9. مكنت التطورات الحالية في تكنولوجيا الاستشعار وتحليل الإشارات من تسجيل القدرة الحركية التلقائية للرضع على مدى فترات طويلة في أماكن خارج المستشفى وتحديد السلوك الحركي بدقة مماثلة للمراقبين البشريين10،11،12. توفر التكنولوجيا الجديدة القابلة للارتداء طرقا آلية وقابلة للتطوير لمراقبة الحركة وفعالية التدخل العلاجي عند الرضع بطريقة صحيحة بيئيا وموضوعية. علاوة على ذلك ، يتيح مؤشر النمو العصبي الجديد Baba Infant Motor Score (BIMS) تقدير نضج قدرة الرضع الحركية من خلال التتبع الفردي للنمو العصبي10,12. يمكن استخدامه في مجموعة من التطبيقات المستقبلية ، مثل تطوير مخططات نمو محرك الرضع12. من خلال تدريب المصنفات الآلية للحركات المحددة الأخرى (على سبيل المثال ، للأطفال الأكبر سنا أو البالغين) بأنواع مختلفة من مخططات وخوارزميات وصف الحركة ، فإن مستشعرات الحركة القابلة للارتداء لديها القدرة على التطبيقات السريرية ، مثل اضطرابات الحركة أو متابعة آثار التدخلات العلاجية بغض النظر عن المرحلة التنموية للفرد17. ومع ذلك ، ينبغي حاليا النظر إلى هذا على أنه منهجية استقصائية لا ينبغي استخدامها لإبلاغ التشخيص السريري أو أهداف العلاج.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل الأكاديمية الفنلندية (314602 ، 335788 ، 335872 ، 332017 ، 343498) ، مؤسسة طب الأطفال الفنلندية (Lastentautien tutkimussäätiö) ، Aivosäätiö ، مؤسسة Sigrid Juselius ، وصناديق أبحاث مستشفى HUS للأطفال / مركز التشخيص HUS.
Materials
| iOS device (version 16.5 or higher) | Apple | n/a | |
| MAIJU jumpsuit | Planno Ltd | n/a | customized for purpose |
| Maijulogger (mobile application) and sensor firmware | BABA Center (www.babacenter.fi), Kaasa solutions GmbH | n/a | constructed by Kaasa Solutions, distributed by Baba Center |
| Movesense movement sensor | Movesense (www.movesense.com) | n/a |
Referenzen
- Adolph, K. E., Hoch, J. E. Motor development: Embodied, embedded, enculturated, and enabling. Annual Review of Psychology. 70, 141-164 (2022).
- Masten, A. S., Cicchetti, D. Developmental cascades [Editorial]. Development and Psychopathology. 22 (3), 491-495 (2010).
- Piek, J. P., Dawson, L., Smith, L. M., Gasson, N. The role of early fine and gross motor development on later motor and cognitive ability. Human Movement Science. 27 (5), 668-681 (2007).
- Adolph, K. E., Franchak, J. The development of motor behavior. WIREs Cognitive Science. 8, e1430 (2017).
- Adolph, K. E., Hoch, J. E., Cole, W. G. Development (of Walking): 15 Suggestions. Trends in Cognitive Science. 22 (8), 699-711 (2019).
- Wijnhoven, T. M. A., et al. Assessment of gross motor development in the WHO multicentre growth reference study. Food and Nutrition Bulletin. 25, (2004).
- Uusitalo, K., et al. Hammersmith infant neurological examination and long-term cognitive outcome in children born very preterm. Developmental Medicine and Child Neurology. 63, 947-953 (2021).
- Romeo, D. M., et al. Hammersmith infant neurological examination for infants born preterm: predicting outcomes other than cerebral palsy. Developmental Medicine & Child Neurology. 63, 939-946 (2021).
- De Kegel, A., et al. New reference values must be established for the Alberta Infant Motor Scales for accurate identification of infants at risk for motor developmental delay in Flanders. Child: Care, Health and Development. 39 (2), 260-267 (2013).
- Airaksinen, M., et al. Intelligent wearable allows out-of-the-lab tracking of developing motor abilities in infants. Communications Medicine. 2, 69 (2022).
- Airaksinen, M., et al. Automatic posture and movement tracking of infants with wearable movement sensors. Scientific Reports. 10, 169 (2020).
- Airaksinen, M., et al. Charting infants’ motor development at home using a wearable system: validation and comparison to physical growth charts. eBioMedicine. 92, 104591 (2023).
- Hewitt, L., Kerr, E., Stanley, R. M., Okely, A. D. Tummy time and infant health outcomes: a systematic review. Pediatrics. 145, e20192168 (2020).
- Pascal, A., et al. Motor outcome after perinatal stroke and early prediction of unilateral spastic cerebral palsy. European Journal of Paediatric Neurology. 29, 54-61 (2020).
- Tabard-Fougère, A., et al. Are clinical impairments related to kinematic gait variability in children and young adults with cerebral palsy. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 816088 (2022).
- Fish, L. A., Jones, E. J. H. A survey on the attitudes of parents with young children on in-home monitoring technologies and study designs for infant research. PLOS One. 16, e0245793 (2021).
- Porciuncula, F., et al. Wearable movement sensors for rehabilitation: a focused review of technological and clinical advances. Physical Medicine & Rehabilitation. 10 (9), S220-S232 (2018).
