Una misura oggettiva delle funzioni muscolari è impegnativa specialmente nei bambini. Basato su un sensore 3-d digitale disponibile in commercio, un test di gioco adatti ai bambini è stato sviluppato per valutare la funzione degli arti superiori per le sperimentazioni cliniche.
Atrofia muscolare spinale (SMA) e altre simili malattie disturbo muscolo caratterizza atrofia muscolare progressiva e irreversibile. Valutazione oggettiva delle funzioni muscolari è un elemento essenziale ed importante, anche se impegnativo, prerequisito per studi clinici di successo. Scale di valutazione clinica corrente trattengono le anomalie di movimento a determinati elementi singoli a grana grossa predefiniti. Il sensore 3D di Kinect è emerso come un portatile e a basso costo tecnologia motion sensing utilizzata per la cattura e movimento in molti medico di pista persone e campi di ricerca. Un metodo novello usando questo sensore 3D è stato sviluppato e un test di gioco-come è stato progettato per misurare obiettivamente la funzione dell’arto superiore di pazienti affetti da SMA. Il test del prototipo mirati capacità di movimento articolare. Mentre era seduto in una scena virtuale, il paziente veniva istruito a estendere, flex e sollevare l’intero braccio per raggiungere e posto alcuni oggetti. Entrambe le caratteristiche cinematiche e spazio-temporale del movimento degli arti superiori erano estratti e analizzate, ad esempio, estensione del gomito e angoli di flessione, mano velocità e accelerazione. Il primo studio comprendeva una piccola coorte di 18 pazienti ambulanti di SMA e 19 comandi sani di età e genere-abbinato. È stata realizzata un’analisi completa del movimento del braccio; Tuttavia, nessuna differenza significativa fra i gruppi sono stati trovati a causa della mancata corrispondenza di capacità del paziente e la difficoltà di prova. Basato su questa esperienza, una seconda versione del test che consiste di una versione modificata del gioco primo con maggiori difficoltà e un secondo gioco targeting per la resistenza muscolare sono stati progettati e realizzati. Il nuovo test non è stato condotto in qualsiasi gruppi di pazienti ancora. Il nostro lavoro ha dimostrato la capacità potenziale del sensore 3D nel valutare tale funzione muscolare e suggerito un approccio obiettivo per completare le scale di valutazione clinica.
Valutazione globale della funzione muscolare è una valutazione critica in molte malattie neuromuscolari e un importante prerequisito per studi clinici di successo. Scale di valutazione clinica sono utilizzate sempre più come uno strumento di valutazione standardizzata e come un risultato ben consolidato misurano1. Tuttavia, essi fanno molto affidamento sul giudizio soggettivo dei clinici e potrebbe comportare sostanziali variazioni inter – e intra-rater incoerenza2 che conduce o numeri che non soddisfano i criteri per misurazioni precise1generati. Inoltre, molte malattie neuromuscolari in gran parte colpiscono i bambini e la maggior parte di queste scale di valutazione sono lunghe e noiose, che impongono sfide extra. Un esempio di una malattia neuromuscolare è atrofia muscolare spinale (SMA), che è una fatale malattia neuromuscolare caratterizzata da debolezza di muscolo progressiva3. A seconda dei fenotipi clinici, alcuni pazienti vivono con sedie a rotelle (tipo 2), e alcuni possono alzarsi e camminare senza aiuto (tipo 3)4. C’è una crescente domanda di uno strumento di valutazione più sensibile e oggettivi per misurare la funzione del muscolo in termini di range di movimento articolare, forza muscolare, affaticamento muscolare e così via, al fine di monitorare la progressione della malattia e l’efficacia dei farmaci.
Il rapido progresso nella tecnologia motion sensing ha permesso di analizzare le caratteristiche di movimento a costi relativamente bassi, tra i quali il valore del sensore 3D (Kinect) a catturare il movimento tutto il corpo in un modo privo di marcatore è stato ampiamente esaminato. Utilizzando il sensore a infrarossi integrato e la macchina implementata algoritmi di apprendimento, le posizioni del corpo delle persone rilevate vengono dedotti attraverso le posizioni 3-dimensionale di 20 punti di riferimento anatomici chiamato articolazioni del corpo o punti tra cui testa, collo, mani, polsi, gomiti, spalle, colonna vertebrale, fianchi, ginocchia, caviglie e piedi5. La risoluzione temporale è fino a 30 Hz, che è sufficiente per il movimento più fisica ad eccezione di alcuni sintomi motori patologici quali tremori. La precisione del sensore 3D spaziale è stata convalidata estesamente con la verità di terra6 o il gold standard, che è un movimento 3-dimensionale basato su marcatore analisi sistema7,8,9,10 ,11,12. Riproducibilità e buona validità concorrente sono stati rivelati da diversi test, soprattutto dal frontal Mostra12 e per lordo movimenti7. Al fine di valutare oggettivamente la funzione dell’arto superiore per i bambini affetti da SMA, abbiamo progettato e implementato un gioco come test basato su un sensore 3D per misurare la capacità di movimento articolare.
La valutazione basata su Kinect proposta fornito un obiettivo e analisi del movimento globale, fornendo una soluzione adatti, basso costo e portatile rispetto alle scale di valutazione clinica tradizionale o sofisticato basato su marker video sistemi. Con un test di gioco che è durato meno di 5 minuti, più punti del corpo sono stati esaminati intensivamente allo stesso tempo, e molte caratteristiche spaziotemporali e cinematiche sono state analizzate con alta precisione, tra cui velocità, angoli articolari e così via. L’intero set-up e gli sforzi di formazione erano anche molto meno esigenti rispetto ai sistemi video o scale di valutazione.
La fase più critica in questo approccio è stata la progettazione di test. Al fine di catturare i sintomi movimento sottostante, il compito progettato dovrebbe coprire lo spettro di capacità corrispondente ed evitare effetti soffitto o pavimento. Nell’esempio di questa specifica indicazione, i sintomi fisici comuni di SMA includono debolezza muscolare, limitato range articolare, rigidità muscolare, stanchezza e così via. Il test proposto è adatto per questi sintomi che coinvolgono il limitato range articolare, che era tipico per i pazienti di tipo 2 SMA. Purtroppo, il prototipo è stato testato solo come un primo tentativo in uno studio pianificato che ha reclutato solo SMA tipo 3 pazienti. Poiché la capacità di quei pazienti erano sopra la quale la prova corrente potrebbe misurare (effetto soffitto), non potrebbero essere raggiunti i risultati desiderati. Per questo gruppo di pazienti ambulatoriale, trasferimento del muscolo fatica e corpo sarebbe una misura migliore.
Basato su questa esperienza, una seconda versione del test composto da una versione modificata del gioco “Armadio” e un gioco addizionale “Barca-Rowing” sono stati progettati. La versione modificata del gioco “Armadio” ha tre livelli di difficoltà. Nel primo livello, gli oggetti vengono posizionati vicino al corpo in modo che il soggetto non ha bisogno di estendere completamente il braccio, obiettivi che il gruppo di pazienti debole, che può solo sedersi sulla sedia a rotelle e non può completamente estende le braccia senza supporto. Nel secondo livello, gli oggetti sono posizionati alla distanza di un braccio intero, che si rivolge al gruppo di pazienti che può sollevare ed estendere le braccia senza alcun supporto. Il livello più difficile, gli oggetti vengono posizionati leggermente fuori dalla portata del braccio; Pertanto, il soggetto ha bisogno di spostare il tronco superiore come estensione. Il terzo livello destinata al gruppo di pazienti ambulante dove il movimento assiale e prossimale è anche misurato. Durante la fase di posizionamento del gioco, la lunghezza del braccio del soggetto è misurata automaticamente e quindi utilizzata per calcolare le posizioni degli oggetti nel gioco seguente; di conseguenza, i livelli di difficoltà vengono regolati automaticamente per la capacità dell’individuo. Quando viene raggiunto il limite di capacità di ogni individuo e gli oggetti non possono essere raggiunto o inseriti, il livello verrà saltato automaticamente dopo un certo tempo o manualmente dall’operatore premendo il tasto “SKIP” sullo schermo. La resistenza muscolare di gioco-obiettivi “Barca-Rowing” e richiede al soggetto di ripetere un braccio in movimento di rotolamento più velocemente possibile per 1 minuto. In uno studio futuro, la seconda versione è destinata a coprire lo spettro paziente da SMA tipo 2 tipo 3, poiché le attività di misurano la capacità dei pazienti con capacità di movimento braccio limitata ai pazienti con funzione di braccio completo e limitato movimento assiale.
L’altro lato del design test è la considerazione dell’effetto piano. A causa della limitata risoluzione spaziale e temporale, il sensore 3D è solo in grado di catturare con precisione lordi movimenti come camminare, braccio ondeggiante e così via. Per movimento fine rilevazione, tra cui figura intercettazioni o mano tornitura, dispositivi digitali più sensibili quali telefoni cellulari o indossabili da polso è necessari. Come discusso, la chiave per il successo di tale applicazione è di costruire la corrispondenza corretta tra i sintomi della malattia sottostante, le funzionalità del dispositivo e attività progettate.
Alcune altre considerazioni durante la progettazione di test includono età, effetto di apprendimento, lingue e così via. Poiché SMA colpisce principalmente i bambini, il test dovrebbe essere più semplice e chiaro possibile mantenendo una caratteristica attraente gamification. Nel nostro disegno, Action figures e oggetti disegnati a mano sono stati usati. L’attività imitato il comportamento auto-medicazione, che solitamente viene acquisito dai bambini dopo due o tre anni di età. I movimenti sono stati mantenuti semplici tale che soggetti potevano capire ed eseguire il test dopo una fase di addestramento corto e gli effetti di apprendimento sono stati evitati, che è stato misurato e discusso nella nostra precedente pubblicazione13.
Quando si esegue il protocollo dei test e l’analisi dei dati, alcuni problemi potrebbero sorgere Analogamente ad altre applicazioni 3D sensore. Questi problemi includono sole interferenze, vestiti speciali, più di un oggetto nel campo visivo e tempi di campionamento irregolare. Abbiamo trovato un caso dove un soggetto in vestiti neri non è stato rilevato dal sensore 3D in una soleggiata sala, anche quando il soggetto non era direttamente sotto il sole. Quando più di un oggetto appare e scompare dal campo di vista, l’assegnazione dei numeri di ID per rilevato scheletri potrebbe saltare, quali oneri l’analisi. Anche se il sensore 3D uscite il segnale alla frequenza di 30Hz in teoria, l’output effettivo può avere lacune di fino a 100 ms, pertanto, è importante tenere traccia ed esportare il timestamp.
La nostra prima prova è stata eseguita la prima versione del sensore 3D, che attualmente è stato sostituito da una seconda versione, e la nostra versione modificata viene implementato basato su questa seconda versione. Tra le versioni, il driver sottostante sono diversi, e anche l’interfaccia di applicazione (API) è cambiata. Ci sono altre differenze significative quando la migrazione dell’applicazione. Poiché entrambe le versioni dell’applicazione possono essere fornite gratuitamente su richiesta dagli autori e il driver del sensore possono essere scaricati dal sito Web di Kinect, questo è alcuna preoccupazione per l’utente.
Utilizzando il sensore 3D, abbiamo sviluppato uno strumento di valutazione di funzione innovativa, quantitativa e oggettiva dell’arto superiore che incorporano la tecnologia di gioco-come bambini. La fattibilità è stata esplorata e analizzata. Il nostro lavoro ha dimostrato le potenzialità del sensore 3D come un approccio alternativo e complementare alla valutazione del movimento.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo Strahm Bastian per prendere parte alla dimostrazione di prova e Laura Aguiar per la correzione di questo manoscritto.
Microsoft Kinect for Windows v1 sensor | Microsoft | N/A | The first version of the test was developed on Kinect sensor v1 which is not sold any more. But the second version was developed on the Kinect sensor v2 which can be tested in a similar way by using Microsoft Kinect for Windows v2 sensor (GT3-00003) together with Microsoft Kinect Adapter (9J7-00009) |
DELL XPS 2720 All-In-One PC with windows 8 operating system, 16G RAM, Intel Core i7 and 64-bits | DELL | N/A | In our setup, a All-in-one computer was used, but in fact any laptop or computer which fullfills the following requirements and a big screen for the subjects to see will work: windows 8 or higher operating system; 64-bit processor; dual-core 3.2 GHz or faster processor; dedicated USB 3.0 bus; 2 GB RAM |