Uma medida objetiva das funções musculares é um desafio, especialmente em crianças. Um teste de jogos de criança-amigável baseado em um sensor de 3-d digital disponível comercialmente, foi desenvolvido para avaliar a função de membro superior para ensaios clínicos.
Atrofia muscular progressiva e irreversível caracteriza a Atrofia Muscular Espinhal (SMA) e outras doenças de transtorno muscular semelhante. Avaliação objetiva das funções musculares é um essencial e importante, embora desafiador, pré-requisito para ensaios clínicos bem sucedidos. Escalas de avaliação clínica atual contenha as anormalidades de movimento para determinados itens individuais Coarse-grained predefinidos. O sensor de Kinect 3D tem emergido como um movimento de baixo custo e portátil sensoriamento tecnologia usada para captura e faixa do popular movimento em muitos médicos e campos de pesquisa. Foi desenvolvida uma nova abordagem usando este sensor 3D e um jogo como teste foi projetado para medir objetivamente a função de membro superior de pacientes com SMA. O teste de protótipo alvo capacidade de movimento comum. Enquanto está sentado em uma cena virtual, o paciente foi instruído a estender, flex e levantar o braço todo para chegar e colocar alguns objetos. Ambas as características spatiotemporal e cinemáticas do movimento do membro superior foram extraídas e analisadas, por exemplo, extensão de cotovelo e ângulos de flexão, mão velocidade e aceleração. O primeiro estudo incluiu uma pequena coorte de 18 pacientes ambulantes de SMA e 19 controles saudáveis correspondido por idade e sexo. Uma análise detalhada do movimento do braço foi alcançada; no entanto, nenhuma diferença significativa entre os grupos foram encontrados devido à incompatibilidade da capacidade do paciente e a dificuldade do teste. Com base nessa experiência, uma segunda versão do teste consiste em uma versão modificada do primeiro jogo com mais dificuldades e um segundo jogo visando resistência muscular foram projetados e implementados. O novo teste não foi conduzido em quaisquer grupos de doentes ainda. Nosso trabalho tem demonstrado a capacidade potencial do sensor 3D na avaliação tal função muscular e sugeriu uma abordagem objetiva para complementar as escalas de avaliação clínica.
Avaliação completa da função muscular é uma avaliação crítica em muitas doenças neuromusculares e um pré-requisito importante para ensaios clínicos bem sucedidos. Escalas de avaliação clínica são utilizadas cada vez mais como uma ferramenta de avaliação padronizada e como um resultado bem estabelecido medem1. No entanto, eles dependem muito do acórdão subjetivo os clínicos e podem resultar em variações substanciais, levando a incoerência de intere intra-avaliador2 ou gerados números que não satisfazem os critérios para medições precisas1. Além disso, muitas doenças neuromusculares afetam principalmente crianças, e a maior parte destas escalas de avaliação é longos e chatos, que impõem desafios extras. Um exemplo de uma doença neuromuscular é Spinal Muscular atrofia (SMA), que é uma doença neuromuscular fatal caracterizada por de fraqueza muscular progressiva3. Dependendo os fenótipos clínicos, alguns pacientes vivem com cadeiras de rodas (tipo 2), e alguns podem levantar e andar sem ajuda (tipo 3)4. Há uma crescente demanda por uma ferramenta de avaliação mais sensível e objetiva para medir a função muscular em termos de alcance de movimento comum, força muscular, fadiga muscular, e assim por diante, a fim de controlar a progressão da doença e a eficácia da droga.
O rápido progresso na tecnologia de detecção de movimento tornou possível analisar as características do movimento a custos comparativamente baixos, entre os quais o valor do sensor 3D (Kinect) na captura de movimento de corpo inteiro de uma forma livre de marcador tem sido amplamente examinado. Usando o sensor de infravermelho integrado e a máquina implementada algoritmos de aprendizagem, os locais do corpo das pessoas controladas são inferidos através das posições 3-dimensional de 20 pontos anatômicos chamado articulações do corpo ou pontos incluindo cabeça, pescoço, mãos, pulsos, cotovelos, ombros, coluna, quadril, joelhos, tornozelos e pés5. A resolução temporal é até 30 Hz, que é suficiente para o movimento mais físico, com exceção de alguns sintomas patológicos motor tais como tremores. A precisão espacial do sensor 3D foi validada extensivamente com o chão de verdade6 ou o padrão-ouro, que é um marcador de movimento 3-dimensional análise sistema7,8,9,10 ,11,12. Reprodutibilidade e validade concorrente bom foram reveladas por testes diferentes, especialmente o frontal exibir12 e para movimentos7de efectivação. Para avaliar objetivamente a função do membro superior para crianças com SMA, temos projetado e implementado um jogo como teste baseado em um sensor 3D para medir a capacidade de movimento comum.
A avaliação baseada no Kinect proposta fornecido objectiva e análise de movimento abrangente, proporcionando uma solução de criança-amigável, baixo custo e portátil em relação a escalas de avaliação clínica tradicional ou vídeo sofisticado baseado em marcador sistemas. Com um teste de jogo que durou menos de 5 minutos, vários pontos do corpo foram examinados intensamente ao mesmo tempo, e muitas características spatiotemporal e cinemáticas foram analisadas com exatidão elevada, incluindo velocidade, ângulos articulares e assim por diante. A instalação inteira e os esforços de treinamento foram também muito menos exigente em comparação com as escalas de avaliação ou sistemas de vídeo.
O passo mais crítico desta abordagem foi o projeto de teste. A fim de capturar os sintomas subjacentes do movimento, a tarefa projetada deve cobrir o espectro de capacidade correspondente e evitar efeitos de teto ou chão. No exemplo desta indicação específica, os sintomas físicos comuns da SMA incluem fraqueza muscular, gama limitada conjunta, rigidez muscular, fadiga e assim por diante. O teste proposto é adequado para estes sintomas envolvendo a gama limitada conjunta, que era típica para pacientes do tipo 2 de SMA. Infelizmente, o protótipo foi testado somente como uma primeira tentativa em um estudo planejado que recrutou apenas SMA tipo 3 pacientes. Desde que a capacidade desses pacientes estavam acima do que o teste atual poderia medir (efeito de teto), não podem atingir os resultados desejados. Para este grupo de pacientes ambulante, transferência de corpo e fadiga muscular seria uma medida melhor.
Com base nesta experiência, uma segunda versão do teste consiste em uma versão modificada do jogo “Guarda-roupa” e um jogo adicional de “Barco-remo” foram projetados. A versão modificada do jogo “Guarda-roupa” tem três níveis de dificuldade. No primeiro nível, os objetos são colocados perto do corpo, para que o assunto não precisa estender totalmente o braço, quais metas o fraco grupo paciente, que pode apenas sentar-se na cadeira de rodas e não totalmente estende seus braços sem suporte. No segundo nível, os objetos são colocados a distância do comprimento do braço, que tem como alvo o grupo de pacientes que pode levantar e estender os braços sem qualquer apoio. No nível mais difícil, os objetos são colocados um pouco fora do alcance do braço; Portanto, o sujeito precisa mover o tronco superior como uma extensão. O terceiro nível metas do grupo paciente ambulant, onde o movimento axial e proximal é medido também. Durante a fase de posicionamento do jogo, o comprimento do braço do sujeito é medido automaticamente e então utilizado para calcular a localização dos objetos no jogo seguinte; Portanto, os níveis de dificuldade são ajustados automaticamente a capacidade do indivíduo. Quando é atingido o limite de capacidade de cada indivíduo e os objetos não podem ser alcançados ou colocados, o nível será ignorado ou automaticamente após um certo tempo, ou manualmente pelo operador, pressionando o botão “Pular” na tela. A resistência de músculos alvos jogo “Barco-remo” e isso requer o assunto repetir um braço de movimento de rolamento mais rápido possível por 1 minuto. Em um estudo futuro, a segunda versão destina-se a cobrir o paciente espectro de SMA tipo 2 para tipo 3, já que as tarefas de medem a capacidade dos pacientes com capacidade de movimento do braço limitado para pacientes com função de braço completo e limitado movimento axial.
Do outro lado do design do teste é a consideração do efeito do chão. Devido a resolução espacial e temporal limitada, o sensor 3D só é capaz de capturar com precisão brutos movimentos como andar, braço acenando e assim por diante. Detecção, incluindo a viragem de tapping ou mão figura, mais sensíveis Digitas dispositivos como telefones celulares ou wearables pulso fino movimento é exigida. Como discutido, a chave para o sucesso de um pedido é para construir a correspondência correta entre os sintomas da doença subjacente, recursos do dispositivo e tarefa projetada.
Algumas outras considerações durante o projeto de teste incluem o grupo etário, efeito de aprendizado, línguas e assim por diante. Desde SMA afeta principalmente as crianças, o teste deve ser tão simples e claro possível, mantendo uma característica atraente Gamificação. Em nosso projeto, foram utilizados figuras dos desenhos animados e objetos desenhados à mão. A tarefa imitou o comportamento auto curativos, que geralmente é adquirido pelas crianças após dois ou três anos de idade. Os movimentos foram mantidos simples tal que assuntos poderiam compreender e realizar o teste depois de uma fase de formação de curta e foram evitados efeitos de aprendizagem, que foi medido e discutido em nosso anterior publicação13.
Ao executar o protocolo de teste e análise dos dados, alguns problemas podem surgir da mesma forma para outros aplicativos 3D sensor. Estas questões incluem a interferência de luz do sol, roupas especiais, mais de um assunto no campo de visão e tempos de amostragem irregular. Encontramos um caso onde um assunto em roupas pretas não foi detectado pelo sensor 3D em um quarto ensolarado, mesmo quando o assunto não foi diretamente no sol. Quando mais de um sujeito aparece e desaparece do campo de vista, a atribuição de números de ID para detectado esqueletos pode saltar, quais os encargos a análise. Mesmo que o sensor 3D produz o sinal na frequência de 30 Hz em teoria, a saída real pode ter aberturas de até 100 ms. portanto, é importante controlar e exportar o timestamp.
Nosso primeiro teste foi realizado na primeira versão do sensor 3-d, que atualmente foi substituído por uma segunda versão, e nossa versão modificada é implementado com base na segunda versão. Entre as versões, os drivers subjacentes são diferentes, e também mudou a interface de aplicativo (API). Existem outras diferenças não significativas ao migrar o aplicativo. Desde que as duas versões do aplicativo podem ser fornecidas livremente mediante pedido pelos autores e os drivers do sensor podem ser baixados do site do Kinect, isso é nenhuma preocupação para o usuário.
Usando o sensor 3D, desenvolvemos uma ferramenta de avaliação de função da extremidade superior inovadora, quantitativa e objetiva incorporando tecnologia jogo como crianças. A viabilidade foi explorada e analisada. Nosso trabalho demonstrou o poder potencial do sensor 3D como uma abordagem alternativa e complementar para avaliação do movimento.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos o Strahm Bastian para tomar parte no teste de demonstração e Laura Aguiar para revisão deste manuscrito.
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 |