Denne rapporten skisserer vurderingen av spedbarns grovmotoriske ytelse med en bærbar multisensor og dens helautomatiske rørledning for dyp læring. Metoden kvantifiserer spedbarns holdning og bevegelsesmønster fra liggende liggende til de mestrer å gå selvstendig.
Utvikling av objektive og kvantitative metoder for tidlig grovmotorisk vurdering er avgjørende for å bedre forstå nevroutvikling og for å støtte tidlige terapeutiske inngrep. Her presenterer vi en metode for å kvantifisere grovmotorisk ytelse ved hjelp av en bærbar multisensor, MAIJU (Motility Assessment of Infants with a JUmpsuit), som tilbyr en automatisert, skalerbar, kvantitativ og objektiv vurdering ved hjelp av en helautomatisk skybasert pipeline. Denne bærbare drakten er utstyrt med fire bevegelsessensorer som registrerer synkroniserte data til en mobiltelefon ved hjelp av en lavenergi Bluetooth-tilkobling. En offline analyse i skyserveren genererer fullt analyserte resultater i løpet av minutter for hvert opptak. Disse resultatene inkluderer en grafisk rapport fra opptaksøkten og en detaljert resultatmatrise som gir sekund-for-sekund-klassifiseringer for holdning, bevegelse, spedbarnsbæring og fri leketid. Våre ferske resultater viser at en slik kvantifisert motorisk vurdering gir en potensielt effektiv metode for å skille variasjoner i barnets grovmotoriske utvikling.
Tidlig grovmotorisk utvikling er avgjørende for høyere nivå nevrokognitiv ytelse som dukker opp senere ved å støtte spedbarns utforskning av miljøet. Derfor har både klinikere og forskere stor interesse av å vurdere tidlig grovmotorisk utvikling 1,2,3. For å gi støtte til evidensbasert medisin eller vitenskapelige studier, er det viktig at grovmotoriske vurderinger er kvantitative, pålitelige, objektive og økologisk gyldige. Det er imidlertid mangel på slike metoder tilgjengelig for enten klinisk eller grunnvitenskapelig forskning.
En typisk tidlig grovmotorisk utvikling utvikler seg gjennom en forutsigbar sekvens av nyervervede ferdigheter. De observeres ofte hos spedbarn som å nå diskrete motoriske milepæler4, hvor stående og gående ofte betraktes som viktige landemerker på vei til mer komplekst atferdsrepertoar5. I tillegg til direkte observasjon eller foreldreundersøkelser om motoriske milepæler, har flere mye brukte standardiserte batterier blitt utviklet 6,7,8,9 for å utføre spedbarns vurderinger i laboratorie- eller sykehusmiljøet. Imidlertid lider disse vurderingene av flere forbehold: de trenger betydelig kompetanse fra utdannede fagfolk, de er delvis subjektive og kategoriske, og de vurderer spedbarns ytelse i et miljø (sykehus eller laboratorium) som er unaturlig fra et spedbarns perspektiv.
Registrering av spedbarns spontanmotoriske aktivitet over lengre tider i det opprinnelige miljøet, for eksempel deres hjem, muliggjør mer relevante målinger av motoriske evner. I en slik gjennomførbar metode utføres vurderingen for hele sekvensen av spedbarnets motoriske evneutvikling fra liggende liggende til å gå flytende med et bærbart system, for eksempel MAIJU bærbar (Motor Assessment of the Infants with a JUmpsuit)10,11,12. MAIJUs bærbare system (figur 1) innebærer et tekstilplagg for hele kroppen utstyrt med bevegelsessensorer for å muliggjøre uovervåkede vurderinger utenfor sykehus / laboratorier og opptak som analyseres med en automatisert rørledning, og gir en sekund-for-sekund-vurdering av holdning og bevegelsesmønstre. Disse algoritmiske deteksjonene kan brukes for hver holdning og bevegelsestype separat, eller de kan kombineres for en helhetlig vurdering av modningsnivået til spedbarnets motoriske evner. Et nylig publisert, enhetsfritt uttrykk for en slik beregning av motorisk modenhet er BIMS (Baba Infant Motor Score)10,12.
Denne artikkelen vil beskrive vurderingen av spedbarns grovmotoriske ytelse ved hjelp av en multisensor bærbar drakt; begrunnelsen, praktisk ytelse, analysepipeline og potensielle fremtidige perspektiver for bruk av beregningene som kan hentes fra den automatiserte analysepipelinen som er tilgjengelig for opptak med en multisensor-bærbar 10,11,12. Metoden er egnet for en detaljert kvantifisering av spontanmotoriske aktiviteter hos alle spedbarn som viser motoriske evner mellom liggende liggende og flytende gange.
Multisensor-bærbart system består av tre komponenter: 1) helkroppsplagget utstyrt med fire bevegelsessensorer, 2) en mobil enhet som bruker en spesialbygd iOS-applikasjon, og 3) en skybasert analyserørledning (Babacloud legitimasjonen som kan fås fra forfatterne)11. IMU-sensorene (Waterproof Inertial Measurement Unit) strømmer synkroniserte data (3-akset akselerometer og gyroskop) med 13-52 Hz samplingsfrekvens til en mobiltelefon ved hjelp av en lavenergi Bluetooth-tilkobling. Dataene lagres først i minnet til (sensoren eller) mobilenheten, etterfulgt av en offline analyse i skyserveren etter at opptaket er stoppet.
En kvantifisert vurdering og utviklingssporing av spedbarns motoriske ytelse med en bærbar løsning, som MAIJU, er teknisk enkel å lære og utføre, og den kan lett implementeres i helsevesenet eller klinisk forskningspraksis 10,11,12. Sammenlignet med de andre eksisterende motoriske vurderingsmetodene, forbedrer denne typen hjemmeregistrering av spedbarns spontanmotoriske aktivitet den økologiske validiteten av vurderingen. Videre gir den en kvantifisert, gjennomsiktig og helautomatisk analyse av spedbarns motoriske ytelse. Viktigst av alt, beregningene som brukes i analysen er intuitive og forklarbare, noe som gjør det enkelt å sammenligne dem med andre kliniske og forskningsvurderinger, for eksempel miljøfaktorer, kognitiv utvikling eller psykososiale vurderinger. En helhetlig vurdering av motorisk utvikling gir en nøyaktighet som kan sammenlignes godt med de konvensjonelle fysiske vekstmålene12.
Kritiske trinn i protokollen inkluderer nøye forberedelse av den bærbare drakten. Når du forbereder deg til et opptak, er det avgjørende å velge riktig størrelse på drakten, da sensorfestene i ermene og bena må sitte tett for å oppnå en pålitelig registrering av kroppsbevegelser. For et vellykket opptak er det også viktig å plassere sensorene i lommene med riktig retning, som angitt i protokollen. Sensorfestene tillater ikke at sensorer roterer under opptaket. Den feilorienterte sensoren registrerer imidlertid data som er vanskelig, om ikke umulig, å fikse etterpå. Spedbarnet bør oppmuntres til å bevege seg fritt og selvstendig under opptaket. Opptakslengden kan variere i henhold til de oppgitte studiespørsmålene. De mange spontane bevegelsesepokene kombineres for å akkumulere nok spontane bevegelser for hver innspillingsøkt.
Den fleksible og praktiske driften av den bærbare MAIJU-løsningen gjør det mulig å bruke den i variable sammenhenger i både overvåkede og uovervåkede omgivelser, for eksempel forskningslaboratorier eller hjem. Nyere resultater fra våre kliniske studier viser at helt uten tilsyn kan gi sammenlignbare resultater med opptak som gjøres under helt eller delvis tilsyn12. Likevel påvirkes et barns spontanmotoriske atferd potensielt av flere faktorer, for eksempel omgivelsene (f.eks. lek ute vs. innendørs, utformingen av rommet, møbler og leker), barnets årvåkenhet og foreldrenes involvering under hjemmeopptaket. Når opptakene utføres i uovervåkede omgivelser hjemme, er det viktig å oppmuntre barnet til å spille spontant, det vil si å leke eller bevege seg selvstendig, uten at noen andre bærer eller holder barnet om ikke nødvendig, og å holde mobiltelefonen på en Bluetooth-rekkevidde (i samme rom)10. De fleste av våre nåværende feilsøkingssituasjoner under opptakene er forårsaket av tap av Bluetooth-tilkobling. Nær fremtid fremskritt innen sensorteknologi vil forbedre Bluetooth-tilkobling, og den kommende introduksjonen av et større sensorminne vil tillate offline opptak ved å lagre bevegelsesdata direkte i sensorminnet.
Opptak utenfor sykehus med en bærbar løsning av denne typen er lett skalerbare, og de kan forbedre sikkerheten til spedbarn, for eksempel ved å muliggjøre fjernovervåking under omstendigheter som en pandemi. Våre nåværende klassifiseringsalgoritmer ble trent til å spesifikt gjenkjenne de gitte motoriske evnene, stillingene og bevegelsene vist i motilitetsbeskrivelsesskjemaet (figur 2A). Disse fenomenene ble identifisert som karakteristiske for spedbarns bevegelse i løpet av de to første leveårene. Andre typer bevegelser eller stillinger sett hos eldre barn, for eksempel løping eller hopping, vil kreve modifiserte bevegelsesbeskrivelsesskjemaer og respektive algoritmer som skal trenes for å identifisere dem. Holdningskontekstavhengig analyse er en potensielt fruktbar tilnærming der et spedbarns motoriske aktivitet analyseres separat i forskjellige stillinger for å støtte studier, for eksempel utviklingskorrelater av spedbarnsadferd 5,6,7,8,9,13. Alternativt kan en kontekstavhengig bevegelsesanalyse også støtte for å vurdere asymmetri i motorisk funksjon når man predikerer utvikling av ensidig cerebral parese 10,12,14,15. Videre kan vurdering av motoriske evner med MAIJU-systemet kombineres med andre studiemodaliteter, for eksempel øyesporing, bildebehandling eller videoopptak, for å gi multimodale data, som spenner over det til forskjellige typer og sammenhenger. Multimodale data kan være nyttige, for eksempel ved evaluering av effekten av sosial interaksjon eller effekten av terapeutisk intervensjon.
For å lykkes med nye bærbare teknologier i overvåkingsmiljøer utenfor sykehus med spedbarn, må visse begrensninger, utfordringer og etiske bekymringer tas opp. Våre analysepipeliner ble trent og validert ved bruk av typisk utviklende spedbarn i Finland 10,11,12. De rå analyseutgangene med rene stillinger og bevegelser skal være universelle. Imidlertid kan deres utviklingsbaner kreve justeringer for ulike kulturer og geografiske steder. Ifølge foreldrenes tilbakemeldinger om bærbare enheter, blir de sett positivt på grunn av spedbarnsvennlighet16. Foreldre kan imidlertid ta opp bekymringer angående personvern, datatilgang og familiepraktiske forhold (f.eks. flere omsorgspersoner, besøkende og varierende tidsplaner). Avhengighet av batterilevetiden til sensorene og opptakstelefonen kan betraktes som en begrensning av metoden. Vår erfaring er at batterimodellen (CR2025) typisk varer hele dagen (12-24 timer) ved bruk av kontinuerlig datastreaming. Spesielt avhenger det av både batterimerket og styrken til Bluetooth-tilkoblingen som trengs for trådløs dataoverføring, som kontinuerlig endres for å maksimere dataoverføringen i opptaksmiljøet. For eksempel vil en lang avstand mellom spedbarnet og telefonen eller en vegg mellom dem justere Bluetooth-tilkoblingen til betydelig høyere batteriforbruk. Spesielt tømmes batteriene til de fleste mobile enheter også innen omtrent samme tid hvis du bruker kontinuerlig Bluetooth-streaming. I praksis innebærer den for tiden brukte kontinuerlige datastrømmen over Bluetooth-tilkobling at både sensorene og mobile enheter trenger en daglig oppladning / batteribytte. Den nærmeste fremtidige introduksjonen av sensorer med større minnekapasitet vil tillate datalagring i sensorminnet, som støtter over en uke med kontinuerlig opptak. Det vil fjerne behovet for strømkrevende Bluetooth-streaming, samt å bære telefonen innenfor et Bluetooth-område som kan oppfattes som restriktivt i opptakssituasjoner og er utsatt for menneskelige feil.
Samlet sett trenger sporing av tidlig nevroutvikling metoder som er følsomme for naturlig nevroatferdsvariabilitet. Grovmotorisk utvikling er en intrikat prosess som består av variasjoner i rekkefølge og timing, både på individuelt og kulturelt nivå4. Deteksjon av atypisk motorisk utvikling er effektiv for å gjenkjenne spedbarn i fare for et omfattende spekter av nevrodevelopmental lidelser. Tradisjonelle testbatterier med standardiserte nevroutviklingsvurderinger utføres i kontrollerte miljøer, for eksempel sykehus, og er i det minste delvis subjektive 7,8,9. Nåværende fremskritt innen sensorteknologi og signalanalyse har gjort det mulig å registrere spedbarns spontanmotoriske evne over lengre perioder i sykehusinnstillinger og kvantifisering av motoroppførselen med en nøyaktighet som kan sammenlignes med menneskelige observatører 10,11,12. Ny bærbar teknologi tilbyr automatiserte og skalerbare metoder for overvåking av bevegelse og effekten av terapeutisk intervensjon hos spedbarn på en økologisk gyldig og objektiv måte. Videre muliggjør den nye nevroutviklingsindeksen Baba Infant Motor Score (BIMS) estimering av spedbarns modenhet av motoriske evner ved individuell sporing av nevroutvikling10,12. Det kan brukes i en rekke fremtidige applikasjoner, for eksempel utvikling av spedbarnsmotorvekstdiagrammer12. Ved å trene de automatiserte klassifikatorene for andre spesifikke motiliteter (f.eks. for eldre barn eller voksne) med forskjellige typer bevegelsesbeskrivelsesskjemaer og algoritmer, har de bærbare bevegelsessensorene potensial for kliniske applikasjoner, for eksempel bevegelsesforstyrrelser eller oppfølging av effekten av terapeutiske inngrep uavhengig av utviklingsstadiet til den enkelte17. For tiden bør dette imidlertid betraktes som en undersøkelsesmetodikk som ikke bør brukes til å informere kliniske diagnose- eller behandlingsmål.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Finnish Academy (314602, 335788, 335872, 332017, 343498), Finnish Pediatric Foundation (Lastentautien tutkimussäätiö), Aivosäätiö, Sigrid Juselius Foundation, og HUS Children’s Hospital / HUS diagnostiske senter forskningsmidler.
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 |