Opstelling voor de kwantitatieve beoordeling van beweging en spieractiviteit tijdens een virtuele gemodificeerde box- en bloktest

Beweging is hoe we omgaan met de wereld. Hoewel dagelijkse activiteiten zoals het oppakken van een glas water of naar het werk lopen eenvoudig lijken, zijn zelfs deze bewegingen afhankelijk van complexe signalen tussen het centrale zenuwstelsel, spieren en ledematen^. Als zodanig zijn persoonlijke onafhankelijkheid en kwaliteit van leven sterk gecorreleerd met het niveau van de ledemaatfunctie van een individu ^2,3. Neurologische schade, zoals bij ruggenmergletsel (SCI) of perifere zenuwbeschadiging, kan leiden tot permanente motorische tekorten, waardoor iemands vermogen om zelfs eenvoudige activiteiten van het dagelijks leven uit te voeren, afneemt ^4,5. Volgens het National Institute of Neurological Disorders and Stroke ervaren meer dan 100 miljoen mensen in de Verenigde Staten motorische tekorten, met een beroerte als een van de belangrijkste oorzaken ^6,7,8. Vanwege de aard van deze verwondingen hebben patiënten vaak langdurige zorg nodig waarbij kwantitatieve motorische beoordeling en behandeling op afstand nuttig kunnen zijn.

De huidige praktijken voor de behandeling van bewegingsstoornissen vereisen vaak zowel initiële als voortdurende klinische beoordeling van de functie door middel van observatie door getrainde experts zoals fysiotherapeuten of ergotherapeuten. Standaard gevalideerde klinische tests vereisen vaak getrainde professionals om ze af te nemen, met specifieke tijdsbeperkingen en subjectieve scores van vooraf gedefinieerde bewegingen of functionele taken. Maar zelfs bij gezonde personen kunnen identieke bewegingen worden bereikt met verschillende combinaties van gewrichtshoeken. Dit concept wordt musculoskeletale redundantie genoemd.

Functionele klinische tests houden vaak geen rekening met de individuele redundantie die ten grondslag ligt aan de variabiliteit tussen proefpersonen. Voor zowel clinici als onderzoekers blijft het een uitdaging om onderscheid te maken tussen normale variabiliteit veroorzaakt door redundantie en pathologische veranderingen in beweging. Gestandaardiseerde klinische beoordelingen, uitgevoerd door goed opgeleide beoordelaars, maken gebruik van scoresystemen met een lage resolutie om de variabiliteit tussen beoordelaars te verminderen en de testvaliditeit te verbeteren. Dit introduceert echter plafondeffecten, waardoor de gevoeligheid en voorspellende validiteit voor proefpersonen met milde bewegingsstoornissen worden verlaagd ^9,10. Bovendien kunnen deze klinische tests niet differentiëren of tekorten worden veroorzaakt door passieve lichaamsmechanica of actieve spiercoördinatie, wat van belang kan zijn tijdens de eerste diagnose en bij het ontwerpen van een patiëntspecifiek revalidatieplan. Gerandomiseerde klinische onderzoeken hebben een inconsistente werkzaamheid aangetoond van behandelplannen die zijn geformuleerd op basis van bewijs dat door deze klinische tests is geleverd11,12,13. Verschillende studies hebben de nadruk gelegd op de noodzaak van kwantitatieve, gebruiksvriendelijke klinische statistieken die kunnen worden gebruikt om het ontwerp van toekomstige interventies te begeleiden^14,15.

In eerdere studies hebben we de implementatie aangetoond van geautomatiseerde bewegingsbeoordeling met behulp van direct verkrijgbare apparaten voor het vastleggen van bewegingen voor consumenten bij armbeschadiging na een beroerte, evenals de evaluatie van de schouderfunctie na een borstoperatie bij borstkankerpatiënten^16,17. Bovendien hebben we aangetoond dat het gebruik van actieve gewrichtsmomenten om spiermomenten van specifieke actieve bewegingen te schatten, een gevoeligere maatstaf is voor motorische tekorten na een beroerte in vergelijking met gewrichtshoeken¹⁸. Motion capture en oppervlakte-elektromyografie (EMG) kunnen daarom van cruciaal belang zijn bij de beoordeling van patiënten die door standaard klinische tests als asymptomatisch zijn gediagnosticeerd, maar die mogelijk nog steeds bewegingsproblemen, vermoeidheid of pijn ervaren. Dit artikel beschrijft een systeem dat gedetailleerde en kwantitatieve karakterisering van beweging mogelijk maakt tijdens standaard klinische tests voor de toekomstige ontwikkeling van methoden voor thuisevaluatie en revalidatie bij patiëntenpopulaties met bewegingsstoornissen.

Virtual reality (VR) kan worden gebruikt om een meeslepende gebruikerservaring te creëren tijdens het modelleren van alledaagse taken. Doorgaans volgen VR-systemen de handbewegingen van de gebruiker om gesimuleerde interacties met de virtuele omgeving mogelijk te maken. Het protocol dat we hier beschrijven, maakt gebruik van VR-producten voor consumenten voor motion capture om de beoordeling van motorische tekorten te kwantificeren, vergelijkbaar met andere onderzoeken die het gebruik van kant-en-klare videogamecontrollers aantonen bij kwantitatieve evaluatie van stoornissen na een beroerte of schouderoperatie^16,17. Bovendien is EMG een niet-invasieve maat voor de neurale activiteit die ten grondslag ligt aan spiercontractie¹⁹. Als zodanig kan EMG worden gebruikt om indirect de kwaliteit van de neurale controle van beweging te evalueren en een gedetailleerde beoordeling van de motorische functie te geven. Spier- en zenuwbeschadiging kan worden gedetecteerd door EMG, en aandoeningen zoals spierdystrofie en hersenverlamming worden vaak gecontroleerd met behulp van deze techniek^20,21. Bovendien kan EMG worden gebruikt om veranderingen in spierkracht of spasticiteit te volgen, die mogelijk niet duidelijk zijn in kinematische beoordelingen^22,23, evenals vermoeidheid en spiercoactivering. Statistieken zoals deze zijn van cruciaal belang bij het overwegen van de voortgang van de revalidatie 23,24,25.

Het experimentele paradigma dat hier wordt beschreven, probeert gebruik te maken van een combinatie van VR en EMG om de beperkingen van traditionele klinische beoordelingsinstrumenten aan te pakken. Hier werd de deelnemers gevraagd om een aangepaste Box and Block-taak (BBT)²⁶ uit te voeren met behulp van echte objecten en in VR. De standaard BBT is een klinisch hulpmiddel dat wordt gebruikt bij de algemene beoordeling van de grove functie van de bovenste ledematen, waarbij proefpersonen wordt gevraagd om binnen één minuut zoveel mogelijk blokken van 2,5 cm van het ene compartiment, over een scheidingswand, naar een aangrenzend compartiment te verplaatsen. Hoewel ze vaak worden gebruikt om tekorten bij patiënten met een beroerte of andere neuromusculaire aandoeningen (bijv. parese van de bovenste ledematen, spastische hemiplegie) betrouwbaar te beoordelen, zijn er ook normatieve gegevens gerapporteerd voor gezonde kinderen en volwassenen in de leeftijd van 6-89²⁶ jaar. Een virtuele bewegingsbeoordeling wordt gebruikt om functionele aspecten van de gevalideerde klinische test die in het echte leven wordt uitgevoerd, te simuleren. VR wordt hier gebruikt om de benodigde hardware te verminderen en tegelijkertijd gestandaardiseerde instructies en geprogrammeerde, geautomatiseerde scores te kunnen leveren. Als zodanig zou constant toezicht door getrainde professionals niet langer nodig zijn.

De BBT in deze studie is vereenvoudigd om zich te concentreren op het vastleggen van het bereiken en grijpen van één blok tegelijk dat op dezelfde locatie verschijnt. Dit maximaliseerde de reproduceerbaarheid van de bewegingen en minimaliseerde de variabiliteit tussen de proefpersonen in de geregistreerde gegevens. Ten slotte kunnen virtual reality-headsets worden gekocht voor slechts $ 300 en hebben ze het potentieel om meerdere beoordelingen te huisvesten. Eenmaal geprogrammeerd, zou dit de kosten die gepaard gaan met typische professionele evaluatie aanzienlijk verlagen en een grotere toegankelijkheid van deze standaard, gevalideerde klinische tests mogelijk maken in zowel klinische als externe/thuisomgevingen.